JP2010272798A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To solve the problem that there is the case that desired transistor characteristics cannot be obtained when hydrogen heat treatment for natural oxide film removal is performed by a conventional method after forming an element isolation insulating film by a shallow trench isolation method. <P>SOLUTION: In the method of manufacturing a semiconductor device, to a silicon substrate, first heat treatment is performed in a reducing atmosphere containing hydrogen on condition that a temperature is within the range of 930°C-1,030°C and the time is longer than 0 second and is equal to or shorter than 30 seconds. After the first heat treatment, while keeping it in the reducing atmosphere containing the hydrogen as it is, the substrate temperature which is lower than the substrate temperature during the first heat treatment and is in the range of 900°C-980°C is maintained for the time longer than 0 second and shorter than 30 seconds and second heat treatment is performed. <P>COPYRIGHT: (C)2011,JPO&INPIT

Description

本発明は、水素を含む還元性雰囲気中で熱処理を行うことにより自然酸化膜を除去する工程を含む半導体装置の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device including a step of removing a natural oxide film by performing a heat treatment in a reducing atmosphere containing hydrogen.

2種類の厚さを有するゲート絶縁膜を形成する従来の方法について説明する。まず、シリコン基板の表層部に、シャロートレンチアイソレーション法により、素子分離絶縁膜を形成する。素子分離絶縁膜により、複数の活性領域が画定される。活性領域の表面を熱酸化することにより、相対的に厚いゲート絶縁膜となる第1のゲート絶縁膜を形成する。   A conventional method for forming a gate insulating film having two types of thickness will be described. First, an element isolation insulating film is formed on the surface layer portion of the silicon substrate by a shallow trench isolation method. A plurality of active regions are defined by the element isolation insulating film. By thermally oxidizing the surface of the active region, a first gate insulating film that becomes a relatively thick gate insulating film is formed.

相対的に厚いゲート絶縁膜を形成すべき活性領域をレジストパターンで覆い、相対的に薄いゲート絶縁膜を形成すべき活性領域上の第1のゲート絶縁膜をフッ酸等で除去する。硫酸と過酸化水素水との混合液(SPM薬液)を用いてレジストパターンを除去する。その後、アンモニア水と過酸化水素水との混合液(SC−1洗浄液)及び塩酸と過酸化水素水との混合液(SC−2洗浄液)を用いて、基板表面の洗浄を行う。   The active region where the relatively thick gate insulating film is to be formed is covered with a resist pattern, and the first gate insulating film on the active region where the relatively thin gate insulating film is to be formed is removed with hydrofluoric acid or the like. The resist pattern is removed using a mixed solution (SPM chemical solution) of sulfuric acid and hydrogen peroxide solution. Thereafter, the substrate surface is cleaned using a mixed solution of ammonia water and hydrogen peroxide solution (SC-1 cleaning solution) and a mixed solution of hydrochloric acid and hydrogen peroxide solution (SC-2 cleaning solution).

活性領域の表面を熱酸化することにより、第1のゲート絶縁膜が形成されていない活性領域に、相対的に薄い第2のゲート絶縁膜を形成する。   By thermally oxidizing the surface of the active region, a relatively thin second gate insulating film is formed in the active region where the first gate insulating film is not formed.

洗浄中に、相対的に薄いゲート絶縁膜を形成すべき活性領域の表面に、自然酸化膜が形成される。第2のゲート絶縁膜を形成する前に、水素雰囲気中において、900℃〜1050℃で熱処理(水素熱処理)を行うことにより、この自然酸化膜を除去する方法が知られている。   During cleaning, a natural oxide film is formed on the surface of the active region where a relatively thin gate insulating film is to be formed. A method of removing this natural oxide film by performing a heat treatment (hydrogen heat treatment) at 900 ° C. to 1050 ° C. in a hydrogen atmosphere before forming the second gate insulating film is known.

また、水素雰囲気中で、シリコンウエハを、温度1200℃〜1350℃の条件で熱処理を行うことにより、結晶成長時に導入されるクリスタルオリジネイテッドパーティクル(COP)を低減させることができる。引き続いて、900℃〜1200℃で熱処理を行うことにより、マイクロラフネスやヘイズを低減させることができる。   Further, by performing heat treatment on the silicon wafer in a hydrogen atmosphere at a temperature of 1200 ° C. to 1350 ° C., crystal-origin particles (COP) introduced during crystal growth can be reduced. Subsequently, by performing heat treatment at 900 ° C. to 1200 ° C., microroughness and haze can be reduced.

特開2004−87960号公報JP 2004-87960 A 特開2004−152965号公報JP 2004-152965 A 特開平11−354529号公報JP 11-354529 A

水素を含む還元性雰囲気中で熱処理を行うことにより、自然酸化膜を除去し、マイクロラフネスを低減させることができる。ところが、シャロートレンチアイソレーション法により素子分離絶縁膜を形成した後に、従来の方法で自然酸化膜除去のための水素熱処理を行うと、所望のトランジスタ特性が得られない場合があることが判明した。   By performing heat treatment in a reducing atmosphere containing hydrogen, the natural oxide film can be removed and microroughness can be reduced. However, it has been found that when a heat treatment for removing a natural oxide film is performed by a conventional method after forming an element isolation insulating film by a shallow trench isolation method, desired transistor characteristics may not be obtained.

本発明の一観点によると、
シリコン基板を、水素を含む還元性雰囲気中で、温度が930℃〜1030℃の範囲内であり、時間が0秒よりも長くかつ30秒以下の条件で第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理後、水素を含む還元性雰囲気中に配置したまま、温度が前記第1の熱処理時の基板温度よりも低く、かつ900℃〜980℃の範囲の基板温度に、0秒よりも長くかつ30秒よりも短い時間維持して第2の熱処理を行う工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
According to one aspect of the invention,
Performing a first heat treatment on a silicon substrate in a reducing atmosphere containing hydrogen at a temperature in a range of 930 ° C. to 1030 ° C., for a time longer than 0 seconds and not longer than 30 seconds;
After being placed in a reducing atmosphere containing hydrogen after the first heat treatment, the temperature is lower than the substrate temperature at the time of the first heat treatment and the substrate temperature is in the range of 900 ° C. to 980 ° C. from 0 second. And a step of performing the second heat treatment while maintaining a longer time than 30 seconds.

本発明の他の観点によると、
シリコン基板を、水素を含む還元性雰囲気中で、温度が950℃〜1050℃の範囲内であり、時間が0秒よりも長くかつ60秒以下の条件で第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理後、水素を含む還元性雰囲気中に配置したまま、第2の熱処理として、−20℃/sよりも遅い第1の降温レートで前記シリコン基板の温度を低下させる工程と、
前記第2の熱処理後、前記第1の降温レートよりも速い第2の降温レートで、前記シリコン基板の温度を低下させる工程と
を有する半導体装置の製造方法が提供される。
According to another aspect of the invention,
Performing a first heat treatment on a silicon substrate in a reducing atmosphere containing hydrogen at a temperature in a range of 950 ° C. to 1050 ° C. for a time longer than 0 seconds and 60 seconds or less;
A step of lowering the temperature of the silicon substrate at a first temperature-decreasing rate slower than −20 ° C./s as a second heat treatment while being placed in a reducing atmosphere containing hydrogen after the first heat treatment;
There is provided a method for manufacturing a semiconductor device, comprising: after the second heat treatment, lowering the temperature of the silicon substrate at a second temperature drop rate that is faster than the first temperature drop rate.

第1の熱処理と第2の熱処理とに分けて、水素雰囲気中で熱処理することにより、所望のトランジスタ特性を得ることができる。   Desired transistor characteristics can be obtained by performing the heat treatment in a hydrogen atmosphere by dividing the heat treatment into the first heat treatment and the second heat treatment.

実施例による半導体装置の製造方法の、製造途中段階における装置の断面図(その1)である。It is sectional drawing (the 1) of the apparatus in the middle of manufacture of the manufacturing method of the semiconductor device by an Example. 実施例による半導体装置の製造方法の、製造途中段階における装置の断面図(その2)である。It is sectional drawing (the 2) of the apparatus in the middle of manufacture of the manufacturing method of the semiconductor device by an Example. 実施例による半導体装置の製造方法の、製造途中段階における装置の断面図(その3)である。It is sectional drawing (the 3) of the apparatus in the middle of manufacture of the manufacturing method of the semiconductor device by an Example. 実施例による半導体装置の製造方法の、製造途中段階における装置の断面図(その4)である。It is sectional drawing (the 4) of the apparatus in the middle of manufacture of the manufacturing method of the semiconductor device by an Example. 実施例による半導体装置の製造方法の、製造途中段階における装置の断面図(その5)及び製造された半導体装置の断面図である。FIG. 7 is a cross-sectional view (No. 5) of the device in the middle of manufacturing and a cross-sectional view of the manufactured semiconductor device of the semiconductor device manufacturing method according to the example. (2A)は、実施例による方法で製造した製造途中段階における活性領域と素子分離絶縁膜との境界近傍の断面図であり、(2B)は、従来例による方法で製造した製造途中段階における活性領域と素子分離絶縁膜との境界近傍の断面図である。(2A) is a cross-sectional view in the vicinity of the boundary between the active region and the element isolation insulating film in the middle of manufacture manufactured by the method according to the embodiment, and (2B) is the activity in the middle of manufacturing manufactured by the method according to the conventional example. It is sectional drawing of the boundary vicinity of an area | region and an element isolation insulating film. 実施例で用いる急速加熱急速冷却装置の概略図である。It is the schematic of the rapid heating rapid cooling apparatus used in an Example. 実施例及び変形例による方法で採用される水素熱処理時の基板温度の時刻暦を示すグラフである。It is a graph which shows the time calendar of the substrate temperature at the time of the hydrogen heat treatment employ | adopted with the method by an Example and a modification. 自然酸化膜が形成されたシリコン基板を水素熱処理したときの残膜の厚さと、水素熱処理時間との関係を、熱処理温度ごとに示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the thickness of the remaining film when the silicon substrate in which the natural oxide film was formed is subjected to hydrogen heat treatment, and the hydrogen heat treatment time for each heat treatment temperature.

図1A〜図1Oを参照して、実施例による半導体装置の製造方法について説明する。   A method for manufacturing a semiconductor device according to an embodiment will be described with reference to FIGS.

図1Aに示すように、シリコン基板10を洗浄した後、その表面に、酸化シリコンからなる厚さ約10nmのバッファ膜11を形成する。バッファ膜11の形成には、例えばドライ酸化やパイロジェニック酸化が用いられる。バッファ膜11の上に、窒化シリコンからなる厚さ約80nm〜130nmのマスク膜12を形成する。マスク膜12の形成には、例えば化学気相成長(CVD)が用いられる。   As shown in FIG. 1A, after cleaning the silicon substrate 10, a buffer film 11 made of silicon oxide and having a thickness of about 10 nm is formed on the surface thereof. For example, dry oxidation or pyrogenic oxidation is used to form the buffer film 11. A mask film 12 made of silicon nitride and having a thickness of about 80 nm to 130 nm is formed on the buffer film 11. For example, chemical vapor deposition (CVD) is used to form the mask film 12.

図1Bに示すように、素子分離絶縁領域となる領域のマスク膜12及びバッファ膜11を除去する。マスク膜12をエッチングマスクとして、シリコン基板10の表層部をエッチングすることにより、素子分離溝14を形成する。素子分離溝14の内面を熱酸化することにより、厚さ約5nmの酸化シリコン膜(図示せず)を形成する。   As shown in FIG. 1B, the mask film 12 and the buffer film 11 in a region to be an element isolation insulating region are removed. The element isolation trench 14 is formed by etching the surface layer portion of the silicon substrate 10 using the mask film 12 as an etching mask. A silicon oxide film (not shown) having a thickness of about 5 nm is formed by thermally oxidizing the inner surface of the element isolation trench 14.

図1Cの構造に至るまでの工程について説明する。シリコン基板10の上に、高密度プラズマを用いた化学気相成長(HDP−CVD)により、素子分離溝14の深さよりも厚い酸化シリコン膜を堆積させる。化学機械研磨(CMP)を行うことにより、マスク膜12の上面よりも上に堆積している酸化シリコン膜を除去する。素子分離溝14内には、酸化シリコンからなる素子分離絶縁膜15が残る。窒素雰囲気中で、温度約900℃の条件で熱処理を行うことにより、素子分離絶縁膜15を緻密化させる。   Processes up to the structure shown in FIG. 1C will be described. A silicon oxide film thicker than the depth of the element isolation trench 14 is deposited on the silicon substrate 10 by chemical vapor deposition (HDP-CVD) using high-density plasma. By performing chemical mechanical polishing (CMP), the silicon oxide film deposited above the upper surface of the mask film 12 is removed. An element isolation insulating film 15 made of silicon oxide remains in the element isolation trench 14. The element isolation insulating film 15 is densified by performing a heat treatment in a nitrogen atmosphere at a temperature of about 900 ° C.

緻密化後、フッ酸と熱リン酸を用いて、マスク膜12及びバッファ膜11を除去する。   After densification, the mask film 12 and the buffer film 11 are removed using hydrofluoric acid and hot phosphoric acid.

図1Dに示すように、シリコン基板10のシリコン表面が露出した活性領域16A〜16Cが形成される。その後、フッ酸、SC−1洗浄液、及びSC−2洗浄液を用いた洗浄を行う。   As shown in FIG. 1D, active regions 16A to 16C in which the silicon surface of the silicon substrate 10 is exposed are formed. Thereafter, cleaning with hydrofluoric acid, SC-1 cleaning liquid, and SC-2 cleaning liquid is performed.

図2Aに、素子分離絶縁膜15と活性領域16Bとの界面を拡大した断面図を示す。素子分離絶縁膜15の縁には歪が発生しているため、素子分離絶縁膜15の縁の近傍は、中央部分に比べて、フッ酸等によるエッチング速度が速くなる。このため、フッ酸処理を行うと、素子分離絶縁膜15の縁の近傍が、中央部分に比べて深くエッチングされ、ディボット20が発生する。ディボット20は、フッ酸処理が繰り返される度に深くなる。   FIG. 2A shows an enlarged cross-sectional view of the interface between the element isolation insulating film 15 and the active region 16B. Since strain is generated at the edge of the element isolation insulating film 15, the etching rate by hydrofluoric acid or the like is higher near the edge of the element isolation insulating film 15 than at the center. For this reason, when the hydrofluoric acid treatment is performed, the vicinity of the edge of the element isolation insulating film 15 is etched deeper than the central portion, and the divot 20 is generated. The divot 20 becomes deeper every time the hydrofluoric acid treatment is repeated.

図1Eに示すように、酸化シリコンからなる厚さ約10nmの保護膜21を形成する。図1Fに示すように、NMOSFETを形成すべき活性領域16A、16Bの表層部にp型不純物、例えばボロン(B)を注入することにより、p型ウェル25を形成する。PMOSFETを形成すべき活性領域16Cにn型不純物、例えばリン(P)または砒素(As)を注入することにより、n型ウェル26を形成する。さらに、チャネルドープ及びしきい値制御用の不純物注入を行う。これらの不純物注入後、窒素雰囲気中で、温度900℃〜1050℃の条件で、活性化アニールを行う。活性化アニール後、フッ酸により、保護膜21を除去する。   As shown in FIG. 1E, a protective film 21 made of silicon oxide and having a thickness of about 10 nm is formed. As shown in FIG. 1F, a p-type well 25 is formed by implanting a p-type impurity such as boron (B) into the surface layer portion of the active regions 16A and 16B where NMOSFETs are to be formed. An n-type well 26 is formed by implanting an n-type impurity such as phosphorus (P) or arsenic (As) into the active region 16C where the PMOSFET is to be formed. Furthermore, impurity implantation for channel doping and threshold control is performed. After these impurity implantations, activation annealing is performed in a nitrogen atmosphere at a temperature of 900 ° C. to 1050 ° C. After the activation annealing, the protective film 21 is removed with hydrofluoric acid.

図1Gに示すように、活性領域16A〜16Cに、シリコン基板10のシリコン表面が露出する。   As shown in FIG. 1G, the silicon surface of the silicon substrate 10 is exposed in the active regions 16A to 16C.

図1Hに示すように、活性領域16A〜16Cの表面を、温度800℃の条件でウェット酸化することにより、相対的に厚いゲート絶縁膜となる厚さ7nmの第1のゲート絶縁膜30を形成する。   As shown in FIG. 1H, the surfaces of the active regions 16A to 16C are wet-oxidized at a temperature of 800 ° C., thereby forming a first gate insulating film 30 having a thickness of 7 nm that becomes a relatively thick gate insulating film. To do.

図1Iに示すように、シリコン基板10の上に、レジストパターン31を形成する。レジストパターン31には、平面視において、相対的に薄いゲート絶縁膜を形成すべき活性領域16Bを内包する開口31Aが形成されている。レジストパターン31は、相対的に厚い第1のゲート絶縁膜30を形成すべき活性領域16A、16Cを覆っている。   As shown in FIG. 1I, a resist pattern 31 is formed on the silicon substrate 10. The resist pattern 31 is provided with an opening 31A that encloses an active region 16B in which a relatively thin gate insulating film is to be formed in plan view. The resist pattern 31 covers the active regions 16A and 16C where the relatively thick first gate insulating film 30 is to be formed.

図1Jに示すように、フッ酸を用いて、開口31A内に露出している第1のゲート絶縁膜30(図1I)を除去する。   As shown in FIG. 1J, the first gate insulating film 30 (FIG. 1I) exposed in the opening 31A is removed using hydrofluoric acid.

図1Kに示すように、SPM薬液を用いてレジストパターン31を除去する。さらに、SC−1洗浄液及びSC−2洗浄液を用いた洗浄を行う。これらの洗浄後には、活性領域16Bの表面に自然酸化膜33が形成されている。   As shown in FIG. 1K, the resist pattern 31 is removed using an SPM chemical. Further, cleaning is performed using the SC-1 cleaning liquid and the SC-2 cleaning liquid. After the cleaning, a natural oxide film 33 is formed on the surface of the active region 16B.

図1Lに示すように、自然酸化膜33を除去するために、水素ガス雰囲気中で熱処理(水素熱処理)を行う。   As shown in FIG. 1L, in order to remove the natural oxide film 33, heat treatment (hydrogen heat treatment) is performed in a hydrogen gas atmosphere.

図3に、この熱処理に用いられる急速加熱急速冷却装置の概略図を示す。チャンバ102内にウエハ保持台104が配置されている。ウエハ保持台104によって、アニール対象のシリコン基板10が保持される。ウエハ保持台104で保持されたシリコン基板10の上方に、複数の加熱用のランプ103が配備されている。加熱用ランプ103を点灯させることにより、シリコン基板10を急速加熱することができる。   FIG. 3 shows a schematic diagram of a rapid heating and rapid cooling apparatus used for this heat treatment. A wafer holding table 104 is disposed in the chamber 102. The silicon substrate 10 to be annealed is held by the wafer holder 104. A plurality of heating lamps 103 are arranged above the silicon substrate 10 held by the wafer holder 104. By turning on the heating lamp 103, the silicon substrate 10 can be rapidly heated.

チャンバ102に、ガス導入口109及びガス排出口110が設けられている。ガス源106がバルブ108を介してガス導入口109に接続される。ガス源は、水素ガス源、窒素ガス源、及び酸素ガス源等を含む。ガス種ごとに設けられたバルブ108を調節することにより、チャンバ102内に、水素ガス、窒素ガス、酸素ガス、またはこれらの混合ガスを供給することができる。チャンバ102内に導入されたガスは、ガス排出口110からチャンバ外へ排出される。ガス排出口110には、排気ポンプ111が取り付けられており、チャンバ102内を大気圧よりも低い圧力まで減圧することができる。   The chamber 102 is provided with a gas inlet 109 and a gas outlet 110. A gas source 106 is connected to a gas inlet 109 through a valve 108. The gas source includes a hydrogen gas source, a nitrogen gas source, an oxygen gas source, and the like. By adjusting a valve 108 provided for each gas type, hydrogen gas, nitrogen gas, oxygen gas, or a mixed gas thereof can be supplied into the chamber 102. The gas introduced into the chamber 102 is exhausted from the gas exhaust port 110 to the outside of the chamber. An exhaust pump 111 is attached to the gas exhaust port 110, and the inside of the chamber 102 can be depressurized to a pressure lower than the atmospheric pressure.

図4Aに、水素熱処理時における基板温度の時刻暦の一例を示す。なお、図4Aに示した温度の時刻暦は、プログラムされた温度の目標値であり、現実の基板温度は、必ずしも図4Aに示したように直線的に変動するわけではなく、図4Aに示された折れ線で近似される時刻暦を辿る。   FIG. 4A shows an example of a time calendar of the substrate temperature during the hydrogen heat treatment. 4A is a programmed temperature target value, and the actual substrate temperature does not necessarily vary linearly as shown in FIG. 4A, but is shown in FIG. 4A. Trace the time calendar approximated by the drawn line.

まず、チャンバ102内にシリコン基板10を装填し、水素ガスを供給することにより、チャンバ102内を水素ガス100%の雰囲気にする。基板温度を、Tまで上昇させ、600℃以下の温度Tの状態を一定時間維持する。温度Tの状態を一定時間維持するのは、シリコン基板10の温度を面内で均一にするためである。その後、基板温度をTまで上昇させる。基板温度Tは、例えば1000℃である。時刻tで基板温度がTに到達すると、基板温度Tの状態を、例えば時刻tまで5秒間維持する。温度Tで一定時間維持する処理を、「第1の熱処理」ということとする。 First, the silicon substrate 10 is loaded into the chamber 102 and hydrogen gas is supplied to make the chamber 102 an atmosphere of 100% hydrogen gas. The substrate temperature was raised to T 1, to maintain a constant state of temperature T 1 of the 600 ° C. or less time. Maintaining the state of the temperature T 1 of a certain time, in order to equalize the temperature of the silicon substrate 10 in the plane. Thereafter, the substrate temperature is increased to T 2. The substrate temperature T 2 is, for example, 1000 ° C.. The substrate temperature at time t 1 reaches T 2, the state of the substrate temperature T 2, maintained for 5 seconds such as up to the time t 2. The process of maintaining the temperature T 2 for a certain period of time is referred to as “first heat treatment”.

第1の熱処理後、時刻tにおいて基板温度がTになるように、基板温度を降下させる。基板温度Tは、たとえば950℃である。基板温度Tの状態を、例えば時刻tまで10秒間維持する。基板温度Tで一定時間維持する処理を、「第2の熱処理」ということとする。第2の熱処理後、基板温度を常温域まで低下させる。基板温度をTからTまで低下させるときの降温レートは、基板温度をTから常温域まで低下させるときの降温レートよりも遅い。 After the first heat treatment, the substrate temperature is lowered so that the substrate temperature becomes T 3 at time t 3 . Substrate temperature T 3 is, for example, 950 ° C.. The state of the substrate temperature T 3, maintained for 10 seconds such as up to time t 4. The process for a predetermined time maintained at a substrate temperature T 3, and referred to as "second heat treatment". After the second heat treatment, the substrate temperature is lowered to a normal temperature range. The temperature decrease rate when the substrate temperature is decreased from T 2 to T 3 is slower than the temperature decrease rate when the substrate temperature is decreased from T 3 to the normal temperature range.

第1の熱処理及び第2の熱処理により、図1Lに示したように、活性領域16Bの表面に形成されていた自然酸化膜33(図1K)が除去される。   By the first heat treatment and the second heat treatment, as shown in FIG. 1L, the natural oxide film 33 (FIG. 1K) formed on the surface of the active region 16B is removed.

図1Mに示すように、活性領域の表面を熱酸化する。第1のゲート絶縁膜30が形成されていない活性領域16Bの表面に、相対的に薄い第2のゲート絶縁膜35が形成される。この熱酸化は、第1及び第2の熱処理を行った図3に示した装置を用い、導入ガスを水素から酸素に切り替えることにより行う。第2のゲート絶縁膜35の厚さは、例えば1〜2nmの範囲内である。なお。第1のゲート絶縁膜30が形成されている活性領域16A、16Cの表面においては、殆ど酸化は進まない。   As shown in FIG. 1M, the surface of the active region is thermally oxidized. A relatively thin second gate insulating film 35 is formed on the surface of the active region 16B where the first gate insulating film 30 is not formed. This thermal oxidation is performed by switching the introduced gas from hydrogen to oxygen using the apparatus shown in FIG. 3 in which the first and second heat treatments have been performed. The thickness of the second gate insulating film 35 is, for example, in the range of 1 to 2 nm. Note that. On the surface of the active regions 16A and 16C where the first gate insulating film 30 is formed, oxidation hardly proceeds.

第2のゲート絶縁膜35を形成した後、NOまたはNO雰囲気中で、第1のゲート絶縁膜30及び第2のゲート絶縁膜35の窒化処理を行う。 After the second gate insulating film 35 is formed, the first gate insulating film 30 and the second gate insulating film 35 are nitrided in an N 2 O or NO atmosphere.

図1Nに示すように、活性領域16A〜16Cの上に、多結晶シリコンからなるゲート電極36を形成する。   As shown in FIG. 1N, a gate electrode 36 made of polycrystalline silicon is formed on the active regions 16A to 16C.

図1Oに示すように、活性領域16A、16B内に、それぞれNMOSFET50、51を形成し、活性領域16C内に、PMOSFET52を形成する。以下、これらのMOSFET形成手順を簡単に説明する。   As shown in FIG. 1O, NMOSFETs 50 and 51 are formed in the active regions 16A and 16B, respectively, and a PMOSFET 52 is formed in the active region 16C. Hereinafter, a procedure for forming these MOSFETs will be briefly described.

PMOSFETが配置される活性領域16Cをレジストパターンで覆い、ゲート電極36をマスクとして、NMOSFET50、51のエクステンション部形成のためのイオン注入を行う。不純物には、リンまたは砒素が用いられる。なお、ゲート絶縁膜の厚さが異なる2種類のNMOSFET50、51のエクステンション部形成のためのイオン注入を、別々に行ってもよい。   The active region 16C where the PMOSFET is disposed is covered with a resist pattern, and ion implantation for forming extension portions of the NMOSFETs 50 and 51 is performed using the gate electrode 36 as a mask. As the impurity, phosphorus or arsenic is used. Note that ion implantation for forming extension portions of two types of NMOSFETs 50 and 51 having different gate insulating film thicknesses may be performed separately.

PMOSFETを形成すべき活性領域16Cを覆っていたレジストパターンをアッシング及びウェット処理により除去する。NMOSFETを形成すべき活性領域16A、16Bを、新たなレジストパターンで覆い、ゲート電極36をマスクとして、PMOSFET52のエクステンション部形成のためのイオン注入を行う。不純物には、例えばボロンが用いられる。ゲート絶縁膜の厚さの異なる2種類のPMOSFETが形成される場合には、エクステンション部形成のためのイオン注入を、ゲート絶縁膜の厚さごとに、別々に行ってもよい。   The resist pattern covering the active region 16C where the PMOSFET is to be formed is removed by ashing and wet processing. The active regions 16A and 16B where the NMOSFET is to be formed are covered with a new resist pattern, and ion implantation for forming the extension portion of the PMOSFET 52 is performed using the gate electrode 36 as a mask. For example, boron is used as the impurity. When two types of PMOSFETs having different thicknesses of the gate insulating film are formed, ion implantation for forming the extension portion may be performed separately for each thickness of the gate insulating film.

NMOSFETを形成すべき活性領域16A、16Bを覆っていたレジストパターンを、アッシング及びウェット処理により除去する。次に、温度900℃〜1050℃、時間60秒以下の条件でラピッドサーマルアニール(RTA)を行うことにより、エクステンション部に注入されている不純物を活性化させる。   The resist pattern covering the active regions 16A and 16B where the NMOSFET is to be formed is removed by ashing and wet processing. Next, rapid thermal annealing (RTA) is performed under conditions of a temperature of 900 ° C. to 1050 ° C. and a time of 60 seconds or less, thereby activating the impurities implanted in the extension portion.

ゲート電極36の側面上に、サイドウォールスペーサ40を形成する。その後、ソース及びドレインを形成するための不純物注入を、NMOSFETとPMONFETとで別々に行う。なお、ゲート絶縁膜の厚さが異なる2種類のNMOSFETごとに、別々にソース及びドレイン形成のためのイオン注入を行ってもよい。同様に、ゲート絶縁膜の厚さが異なる2種類のPMOSFETごとに、別々にソース及びドレイン形成のためのイオン注入を行ってもよい。温度900℃〜1050℃、時間60秒以下の条件でラピッドサーマルアニール(RTA)を行うことにより、ソース及びドレインに注入されている不純物を活性化させる。   Sidewall spacers 40 are formed on the side surfaces of the gate electrode 36. Thereafter, impurity implantation for forming the source and drain is performed separately for the NMOSFET and the PMONFET. Note that ion implantation for forming a source and a drain may be separately performed for each of two types of NMOSFETs having different gate insulating film thicknesses. Similarly, ion implantation for forming a source and a drain may be separately performed for each of two types of PMOSFETs having different gate insulating film thicknesses. Impurities implanted into the source and drain are activated by performing rapid thermal annealing (RTA) under conditions of a temperature of 900 ° C. to 1050 ° C. and a time of 60 seconds or less.

ソース及びドレインの表面、及びゲート電極の上面に、CoSi等の高融点金属シリサイド膜41を形成する。高融点金属シリサイド膜41は、例えば基板全面にCoSi膜をスパッタリングにより堆積させ、500℃で30秒間の熱処理を行うことにより形成される。余分なCoSi膜は、硫酸、塩酸、過酸化水素水、アンモニア水等を用いた洗浄(RCA洗浄)により除去される。   A refractory metal silicide film 41 such as CoSi is formed on the surface of the source and drain and the upper surface of the gate electrode. The refractory metal silicide film 41 is formed, for example, by depositing a CoSi film on the entire surface of the substrate by sputtering and performing a heat treatment at 500 ° C. for 30 seconds. The excess CoSi film is removed by cleaning (RCA cleaning) using sulfuric acid, hydrochloric acid, hydrogen peroxide solution, aqueous ammonia, or the like.

NMOSFET50、51、及びPMOSFET52の上に、ダマシン法またはデュアルダマシン法を用いて多層配線層(図示せず)を形成する。   A multilayer wiring layer (not shown) is formed on the NMOSFETs 50 and 51 and the PMOSFET 52 by using a damascene method or a dual damascene method.

次に、図4Aに示した温度Tでの第1の熱処理と、温度Tでの第2の熱処理とに分けて自然酸化膜を除去した効果について説明する。 Next, the effect of removing the natural oxide film will be described separately for the first heat treatment at the temperature T 2 shown in FIG. 4A and the second heat treatment at the temperature T 3 .

図5に、自然酸化膜が形成されているシリコン基板を、水素雰囲気中で熱処理した後に残っている酸化膜の厚さの測定結果を示す。横軸は、水素雰囲気中での熱処理の時間を単位「秒」で表し、縦軸は、残膜の厚さを単位「nm」で表す。残膜の厚さは、エリプソメータを用いて測定した。なお、自然酸化膜は薬液処理により形成し、熱処理前の自然酸化膜の厚さは、0.7nmであった。図中のアスタリスク、三角、菱形、正方形、丸記号は、それぞれ熱処理温度を950℃、970℃、990℃、1000℃、及び1010℃とした場合の測定結果を示す。残膜の厚さが0.1nm以下の試料においては、自然酸化膜がほぼ完全に除去されていると考えられる。   FIG. 5 shows the measurement results of the thickness of the oxide film remaining after the silicon substrate on which the natural oxide film is formed is heat-treated in a hydrogen atmosphere. The horizontal axis represents the time of heat treatment in a hydrogen atmosphere in the unit “second”, and the vertical axis represents the thickness of the remaining film in the unit “nm”. The thickness of the remaining film was measured using an ellipsometer. The natural oxide film was formed by a chemical treatment, and the thickness of the natural oxide film before the heat treatment was 0.7 nm. The asterisks, triangles, diamonds, squares, and circles in the figure indicate the measurement results when the heat treatment temperatures are 950 ° C., 970 ° C., 990 ° C., 1000 ° C., and 1010 ° C., respectively. It is considered that the natural oxide film is almost completely removed from the sample having a remaining film thickness of 0.1 nm or less.

1000℃で10秒間の熱処理を行うと、自然酸化膜がほぼ完全に除去される。自然酸化膜が除去された状態で、シリコン表面が1000℃程度の高温に晒されると、シリコン原子のマイグレーションが生じる。   When heat treatment is performed at 1000 ° C. for 10 seconds, the natural oxide film is almost completely removed. When the silicon surface is exposed to a high temperature of about 1000 ° C. with the natural oxide film removed, migration of silicon atoms occurs.

図2Bに、水素雰囲気中で、1000℃で10秒間の熱処理を行った後の、活性領域16Bと素子分離絶縁膜15との境界近傍の断面図の一例を示す。ディボット20が発生していると、活性領域16Bの縁の近傍のシリコン原子がマイグレーションすることにより、活性領域16Bの表面の断面形状が変化して、丸みを帯びてしまう。この現象は、シリコンウエハを水素雰囲気中で熱処理することにより、シリコン原子をマイグレーションさせてCOPを消滅させる現象と類似している。活性領域の表面の断面形状が変化すると、ゲート幅等が変化し、所望のトランジスタ特性が得られなくなる。   FIG. 2B shows an example of a cross-sectional view of the vicinity of the boundary between the active region 16B and the element isolation insulating film 15 after heat treatment at 1000 ° C. for 10 seconds in a hydrogen atmosphere. When the divot 20 is generated, silicon atoms in the vicinity of the edge of the active region 16B migrate, thereby changing the cross-sectional shape of the surface of the active region 16B and making it round. This phenomenon is similar to a phenomenon in which silicon atoms migrate and COP disappears by heat-treating a silicon wafer in a hydrogen atmosphere. When the cross-sectional shape of the surface of the active region changes, the gate width and the like change, and desired transistor characteristics cannot be obtained.

実施例においては、第1の熱処理を、T=1000℃で5秒間行う。図5に示した評価結果から、1000℃で5秒間の水素熱処理では、自然酸化膜が完全に除去されることは無く、0.18nm程度の厚さの自然酸化膜が活性領域の表面に残っている。活性領域の表面に自然酸化膜が残っている状態では、シリコン原子のマイグレーションは生じにくい。 In the example, the first heat treatment is performed at T 2 = 1000 ° C. for 5 seconds. From the evaluation results shown in FIG. 5, the hydrogen oxide heat treatment at 1000 ° C. for 5 seconds does not completely remove the natural oxide film, and the natural oxide film with a thickness of about 0.18 nm remains on the surface of the active region. ing. In the state where the natural oxide film remains on the surface of the active region, migration of silicon atoms hardly occurs.

上記実施例では、第1の熱処理後、温度T=950℃で10秒間の第2の熱処理を行う。図5に示した評価結果から、950℃で10秒間の水素熱処理により、自然酸化膜の厚さが約0.25nm減少していることがわかる。すなわち、第2の熱処理時に、自然酸化膜の厚さが約0.25nmだけ薄くなる。第1の熱処理後に残っている自然酸化膜の厚さが約0.18nmであるため、第2の熱処理において、自然酸化膜がほぼ完全に除去される。なお、シリコン原子のマイグレーションは、基板温度が低いほど生じにくい。例えば、基板温度が950℃程度であれば、シリコン原子のマイグレーションは生じにくい。このため、活性領域の表面の断面形状を維持したまま、自然酸化膜をほぼ完全に除去することができる。なお、例えば、エリプソメータによる膜厚の測定結果が0.1nm未満である場合に、「ほぼ完全に除去」されているということができる。 In the above embodiment, after the first heat treatment, the second heat treatment is performed at a temperature T 3 = 950 ° C. for 10 seconds. From the evaluation results shown in FIG. 5, it is understood that the thickness of the natural oxide film is reduced by about 0.25 nm by the hydrogen heat treatment at 950 ° C. for 10 seconds. That is, the thickness of the natural oxide film is reduced by about 0.25 nm during the second heat treatment. Since the thickness of the natural oxide film remaining after the first heat treatment is about 0.18 nm, the natural oxide film is almost completely removed in the second heat treatment. Note that migration of silicon atoms is less likely to occur as the substrate temperature is lower. For example, when the substrate temperature is about 950 ° C., migration of silicon atoms hardly occurs. For this reason, the natural oxide film can be almost completely removed while maintaining the cross-sectional shape of the surface of the active region. In addition, for example, when the measurement result of the film thickness by the ellipsometer is less than 0.1 nm, it can be said that “almost completely removed”.

活性領域の表面の断面形状を維持しつつ、自然酸化膜を除去するためには、活性領域の表面に自然酸化膜が残っている時点で、第1の熱処理を終了させることが好ましい。具体的には、図5に示したように、エリプソメータによる残膜の厚さの測定結果が0.1nmよりも厚い状態で第1の熱処理を終了させることが好ましい。例えば、第1の熱処理を1010℃で行う場合には、熱処理時間を4秒以下にすることが好ましく、990℃で行う場合には、熱処理時間を8秒以下にすることが好ましく、970℃で行う場合には、熱処理時間を17秒以下にすることが好ましい。   In order to remove the natural oxide film while maintaining the cross-sectional shape of the surface of the active region, the first heat treatment is preferably terminated when the natural oxide film remains on the surface of the active region. Specifically, as shown in FIG. 5, it is preferable to end the first heat treatment in a state where the measurement result of the remaining film thickness by an ellipsometer is thicker than 0.1 nm. For example, when the first heat treatment is performed at 1010 ° C., the heat treatment time is preferably 4 seconds or less, and when it is performed at 990 ° C., the heat treatment time is preferably 8 seconds or less, at 970 ° C. When performing, it is preferable to make heat processing time into 17 seconds or less.

第1の熱処理温度を高くすると、処理時間を短くすることができる。第1の熱処理の温度を1030℃よりも高くすると、極短い時間で自然酸化膜が除去されてしまうため、自然酸化膜が残っている状態で第1の熱処理を終了させる制御が困難である。また、第1の熱処理の温度が低すぎると、自然酸化膜が殆ど除去されないか、または第1の熱処理時間を極端に長くしなければならなくなる。このため、第1の熱処理温度は、930℃〜1030℃の範囲内とすることが好ましい。   When the first heat treatment temperature is increased, the treatment time can be shortened. If the temperature of the first heat treatment is higher than 1030 ° C., the natural oxide film is removed in an extremely short time, and therefore it is difficult to control the first heat treatment to be completed with the natural oxide film remaining. If the temperature of the first heat treatment is too low, the natural oxide film is hardly removed or the first heat treatment time must be extremely long. For this reason, it is preferable that the 1st heat processing temperature shall be in the range of 930 degreeC-1030 degreeC.

第2の熱処理の温度は、できる限り低温にすることが好ましい。具体的には、シリコン表面のシリコン原子がマイグレーションし難い温度、より具体的には、980℃以下にすることが好ましい。また、第2の熱処理の温度が低すぎると、自然酸化膜が殆ど除去されなくなってしまう。このため、第2の熱処理の温度は、900℃以上にすることが好ましい。   The temperature of the second heat treatment is preferably as low as possible. Specifically, it is preferable to set the temperature at which silicon atoms on the silicon surface are difficult to migrate, more specifically, 980 ° C. or lower. If the temperature of the second heat treatment is too low, the natural oxide film is hardly removed. For this reason, it is preferable that the temperature of 2nd heat processing shall be 900 degreeC or more.

第1及び第2の熱処理の時間は、0秒よりも長ければよい。また、生産性の観点から、30秒以下にすることが好ましい。なお、第1及び第2の熱処理の温度及び時間は、シリコン表面に形成されている自然酸化膜の厚さによって適切に選択することが好ましい。   The time of the 1st and 2nd heat processing should just be longer than 0 second. Moreover, it is preferable to set it as 30 seconds or less from a viewpoint of productivity. Note that the temperature and time of the first and second heat treatments are preferably selected appropriately depending on the thickness of the natural oxide film formed on the silicon surface.

上記実施例では、活性領域と素子分離絶縁膜との境界近傍において、活性領域の表面の断面の変形を抑制することができる。このため、活性領域に形成するMOSFETの特性が所望の特性からずれてしまうことを抑制できる。   In the above embodiment, the deformation of the cross section of the surface of the active region can be suppressed in the vicinity of the boundary between the active region and the element isolation insulating film. For this reason, it can suppress that the characteristic of MOSFET formed in an active region shifts from a desired characteristic.

図4Bに、上記実施例の変形例による水素処理時の基板温度の時刻暦を示す。第1の熱処理が終了するまでの基板温度の時刻暦は、図4Aの場合と同一である。図4Bに示した例においては、第1の熱処理後、時刻tからtの期間、基板温度を緩やかに降温させている。時刻tにおいて基板温度がTに達した時点で、降温レートを速くしている。 FIG. 4B shows a time calendar of the substrate temperature during the hydrogen treatment according to the modification of the above embodiment. The time calendar of the substrate temperature until the first heat treatment is completed is the same as in FIG. 4A. In the example shown in FIG. 4B, after the first heat treatment, a period of t 5 from the time t 2, the are gently the substrate temperature is lowered. At time t 5 when the substrate temperature reaches T 4, and a faster cooling rate.

基板温度を緩やかに降温させている期間t〜tに、図4Aに示した温度Tでの第2の熱処理と同等の現象が生じる。すなわち、この期間に、自然酸化膜の残膜が除去される。このように、第2の熱処理は、必ずしも基板温度を一定に維持する必要はない。緩やかに基板温度が低下している期間に、第1の熱処理後に残っている自然酸化膜が除去されればよい。この第2の熱処理時における降温レートは、自然酸化膜がほぼ完全に除去されるように設定すればよい。一例として、降温レートを−20℃/sよりも遅くすることが好ましい。また、降温レートが遅すぎると、自然酸化膜が完全に除去された後も、基板温度が1000℃以上に維持されていることが懸念される。このため、降温レートは、−5℃/sよりも速くすることが好ましい。 In a period t 2 to t 5 during which the substrate temperature is gradually lowered, a phenomenon equivalent to the second heat treatment at the temperature T 3 shown in FIG. 4A occurs. That is, the remaining film of the natural oxide film is removed during this period. Thus, the second heat treatment does not necessarily maintain the substrate temperature constant. It is sufficient that the natural oxide film remaining after the first heat treatment is removed during the period in which the substrate temperature is gradually lowered. The temperature lowering rate during the second heat treatment may be set so that the natural oxide film is almost completely removed. As an example, it is preferable to make the temperature drop rate slower than −20 ° C./s. Moreover, if the temperature lowering rate is too slow, there is a concern that the substrate temperature is maintained at 1000 ° C. or higher even after the natural oxide film is completely removed. For this reason, it is preferable to make a temperature-fall rate faster than -5 degrees C / s.

なお、降温レートは、自然酸化膜が完全に除去される時点で、基板温度ができるだけ低温になるように、具体的には980℃以下になるように設定することが好ましい。これにより、シリコン原子のマイグレーションを防止することができる。   It should be noted that the temperature lowering rate is preferably set so that the substrate temperature is as low as possible, specifically, 980 ° C. or less when the natural oxide film is completely removed. Thereby, migration of silicon atoms can be prevented.

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。   Although the present invention has been described with reference to the embodiments, the present invention is not limited thereto. It will be apparent to those skilled in the art that various modifications, improvements, combinations, and the like can be made.

10 シリコン基板
11 バッファ膜
12 マスク膜
14 素子分離溝
15 素子分離絶縁膜
16A、16B、16C 活性領域
20 ディボット
21 保護膜
25 p型ウェル
26 n型ウェル
30 第1のゲート絶縁膜
31 レジストパターン
31A 開口
33 自然酸化膜
35 第2のゲート絶縁膜
36 ゲート電極
40 サイドウォールスペーサ
41 高融点金属シリサイド膜
50、51 NMOSFET
52 PMOSFET
102 チャンバ
103 加熱用ランプ群
104 ウエハ保持台
106 ガス源
108 バルブ
109 ガス導入口
110 ガス排出口
111 排気ポンプ
10 silicon substrate 11 buffer film 12 mask film 14 element isolation trench 15 element isolation insulating films 16A, 16B, 16C active region 20 divot 21 protective film 25 p-type well 26 n-type well 30 first gate insulating film 31 resist pattern 31A opening 33 Natural oxide film 35 Second gate insulating film 36 Gate electrode 40 Side wall spacer 41 Refractory metal silicide films 50 and 51 NMOSFET
52 PMOSFET
102 Chamber 103 Heating lamp group 104 Wafer holder 106 Gas source 108 Valve 109 Gas inlet 110 Gas outlet 111 Exhaust pump

Claims (5)

シリコン基板を、水素を含む還元性雰囲気中で、温度が930℃〜1030℃の範囲内であり、時間が0秒よりも長くかつ30秒以下の条件で第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理後、水素を含む還元性雰囲気中に配置したまま、温度が前記第1の熱処理時の基板温度よりも低く、かつ900℃〜980℃の範囲の基板温度に、0秒よりも長くかつ30秒よりも短い時間維持して第2の熱処理を行う工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Performing a first heat treatment on a silicon substrate in a reducing atmosphere containing hydrogen at a temperature in a range of 930 ° C. to 1030 ° C., for a time longer than 0 seconds and not longer than 30 seconds;
After being placed in a reducing atmosphere containing hydrogen after the first heat treatment, the temperature is lower than the substrate temperature at the time of the first heat treatment and the substrate temperature is in the range of 900 ° C. to 980 ° C. from 0 second. A step of performing the second heat treatment while maintaining a longer time than 30 seconds.
シリコン基板を、水素を含む還元性雰囲気中で、温度が950℃〜1050℃の範囲内であり、時間が0秒よりも長くかつ60秒以下の条件で第1の熱処理を行う工程と、
前記第1の熱処理後、水素を含む還元性雰囲気中に配置したまま、第2の熱処理として、−20℃/sよりも遅い第1の降温レートで前記シリコン基板の温度を低下させる工程と、
前記第2の熱処理後、前記第1の降温レートよりも速い第2の降温レートで、前記シリコン基板の温度を低下させる工程と
を有する半導体装置の製造方法。
Performing a first heat treatment on a silicon substrate in a reducing atmosphere containing hydrogen at a temperature in a range of 950 ° C. to 1050 ° C. for a time longer than 0 seconds and 60 seconds or less;
A step of lowering the temperature of the silicon substrate at a first temperature-decreasing rate slower than −20 ° C./s as a second heat treatment while being placed in a reducing atmosphere containing hydrogen after the first heat treatment;
And a step of lowering the temperature of the silicon substrate at a second temperature-decreasing rate that is faster than the first temperature-decreasing rate after the second heat treatment.
前記第1の熱処理を行う前の前記シリコン基板の表面に、自然酸化膜が形成されており、
前記第1の熱処理は、前記自然酸化膜が完全には除去されない温度及び時間の条件で行い、前記第2の熱処理において、前記第1の熱処理後に残っている自然酸化膜を除去する請求項1または2に記載の半導体装置の製造方法。
A natural oxide film is formed on the surface of the silicon substrate before performing the first heat treatment,
2. The first heat treatment is performed under conditions of temperature and time at which the natural oxide film is not completely removed, and the natural oxide film remaining after the first heat treatment is removed in the second heat treatment. Or a method of manufacturing the semiconductor device according to 2;
前記第1の熱処理を行う前に、さらに、
前記シリコン基板の表層部に、シャロートレンチアイソレーション法による素子分離絶縁膜を形成することにより活性領域を画定する工程を含み、
前記第2の熱処理後、前記活性領域の表層部を酸化することにより、第1のゲート絶縁膜を形成する工程を含む請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。
Before performing the first heat treatment,
A step of defining an active region by forming an element isolation insulating film by a shallow trench isolation method on a surface layer portion of the silicon substrate;
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, further comprising a step of forming a first gate insulating film by oxidizing a surface layer portion of the active region after the second heat treatment. 5.
前記活性領域を画定する工程において、複数の活性領域を画定し、
前記第1の熱処理を行う前に、さらに、
複数の活性領域の表面を酸化することによって第2のゲート絶縁膜を形成する工程と、
一部の前記活性領域の表面に形成されている前記第2のゲート絶縁膜を除去する工程と
を含み、
前記第2のゲート絶縁膜を除去した後、前記第1の熱処理を行う請求項4に記載の半導体装置の製造方法。
In the step of defining the active region, defining a plurality of active regions;
Before performing the first heat treatment,
Forming a second gate insulating film by oxidizing the surfaces of the plurality of active regions;
Removing the second gate insulating film formed on the surface of a part of the active region,
The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 4, wherein the first heat treatment is performed after removing the second gate insulating film.
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