JP2011119525A - Method of manufacturing semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、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.
従来、シリコン酸化膜を形成する方法として、塗布法や堆積法が知られている。塗布法や堆積法は、シリコン部材の表面を酸化することによりシリコン酸化膜を形成する熱酸化法と比較して、下地の材料がシリコンでなくてもよい、シリコン酸化膜の膜厚を自由に設定できる、等の利点を有する。 Conventionally, a coating method and a deposition method are known as methods for forming a silicon oxide film. Compared with the thermal oxidation method in which the silicon oxide film is formed by oxidizing the surface of the silicon member, the coating method and the deposition method do not require the underlying material to be silicon, and the silicon oxide film thickness can be freely set. It has the advantage that it can be set.
一方、塗布法や堆積法により形成したシリコン酸化膜には、熱酸化法により形成したものと比較して、原料に含まれる不純物(窒素、炭素等)により固定電荷が発生しやすい、シリコン酸化膜と下地部材との界面における界面準位が高い、プラズマ窒化処理を施す場合にダメージが生じやすい、シリコン酸化膜上にプラズマスパッタ法により金属膜を形成する場合にダメージが生じやすい、等の問題点がある。このような問題点を解決し、高品質なシリコン酸化膜を得るために、従来、塗布法や堆積法によりシリコン酸化膜を形成した後に高温条件下で酸化処理を施す方法が用いられてきた。しかし、酸化処理が高温条件下で行われる場合、シリコン酸化膜中の不純物が外部へ拡散して素子の特性を低下させてしまうおそれがある。 On the other hand, a silicon oxide film formed by a coating method or a deposition method is more likely to generate fixed charges due to impurities (nitrogen, carbon, etc.) contained in the raw material than those formed by a thermal oxidation method. Problems such as a high interface state at the interface between the substrate and the base member, damage when plasma nitriding is performed, and damage when a metal film is formed on the silicon oxide film by plasma sputtering. There is. In order to solve such problems and obtain a high-quality silicon oxide film, a method of performing an oxidation treatment under high temperature conditions after forming a silicon oxide film by a coating method or a deposition method has been conventionally used. However, when the oxidation treatment is performed under a high temperature condition, there is a possibility that impurities in the silicon oxide film diffuse to the outside and deteriorate the device characteristics.
なお、従来技術として、半導体膜上に絶縁膜および金属膜を積層した後、熱処理により半導体膜の一部を酸化することにより、低温の熱処理で絶縁酸化膜を形成する技術が知られている(例えば、特許文献1参照)。 As a conventional technique, a technique is known in which an insulating film and a metal film are stacked on a semiconductor film, and then a part of the semiconductor film is oxidized by heat treatment to form an insulating oxide film by low-temperature heat treatment ( For example, see Patent Document 1).
本発明の目的は、塗布法や堆積法を用いて高品質な絶縁部材を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することにある。 An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of forming a high-quality insulating member by using a coating method or a deposition method.
本発明の一態様は、下地部材上に、Si系絶縁材料からなる絶縁膜を付加的に形成する工程と、前記絶縁膜上に触媒金属膜を形成する工程と、前記触媒金属膜を触媒として用いて前記絶縁膜に酸化処理を施す工程と、前記酸化処理を施した前記絶縁膜を加工して絶縁部材を形成する工程と、前記絶縁部材を含む、または前記絶縁部材に隣接する半導体素子を形成する工程と、を含む半導体装置の製造方法を提供する。 One aspect of the present invention includes a step of additionally forming an insulating film made of a Si-based insulating material on a base member, a step of forming a catalytic metal film on the insulating film, and using the catalytic metal film as a catalyst. Using the step of oxidizing the insulating film, forming the insulating member by processing the insulating film subjected to the oxidizing treatment, and a semiconductor element including the insulating member or adjacent to the insulating member And a process for forming the semiconductor device.
本発明によれば、塗布法や堆積法を用いて高品質な絶縁部材を形成することのできる半導体装置の製造方法を提供することができる。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the manufacturing method of the semiconductor device which can form a high quality insulating member using the apply | coating method and the deposition method can be provided.
〔第1の実施の形態〕
(半導体装置の構成)
図1は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置100の垂直断面図である。半導体装置100は、半導体基板2上に素子分離絶縁膜3により他の素子と分離されたMOSFET1を有する。
[First Embodiment]
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 1 is a vertical sectional view of a semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention. The semiconductor device 100 has a
MOSFET1は、半導体基板2上にゲート絶縁膜4を介して形成されたゲート電極5と、ゲート電極5の側面上に形成されたオフセットスペーサ6と、オフセットスペーサ6の側面上に形成されたサイドウォールスペーサー7と、半導体基板2内のゲート電極5の両側に形成されたソース・ドレイン領域8とを有する。なお、図示しないが、半導体基板2中のMOSFET1下の領域に、ウェルが形成されていてもよい。
半導体基板2は、Si結晶等のSi系結晶からなる。
The
素子分離絶縁膜3は、例えば、SiO2等の絶縁材料からなり、STI(Shallow Trench Isolation)構造を有する。
The element
ゲート絶縁膜4は、例えば、SiO2、SiON等のSiおよびO(酸素)を含む絶縁材料からなる。 The gate insulating film 4 is made of an insulating material containing Si and O (oxygen) such as SiO 2 and SiON.
ゲート電極5は、例えば、導電型不純物を含む多結晶Si等のSi系多結晶や、金属材料からなる。また、ゲート電極5の上部または全部に金属シリサイド層が形成されてもよい。
The
オフセットスペーサ6、およびサイドウォールスペーサー7は、SiO2、SiN等の絶縁材料からなる。また、サイドウォールスペーサー7は、SiN、SiO2、TEOS(Tetraethoxysilane)等の複数種の絶縁材料からなる2層構造、更には3層以上の構造であってもよい。
The
ソース・ドレイン領域8は、導電型不純物を半導体基板2に注入することにより形成される。n型のソース・ドレイン領域8を形成する場合は、As、P等のn型不純物が用いられる。また、p型のソース・ドレイン領域8を形成する場合は、B、BF2等のn型不純物が用いられる。また、ソース・ドレイン領域8の上部に金属シリサイド層が形成されてもよい。
The source / drain regions 8 are formed by injecting conductive impurities into the
以下に、本実施の形態に係る半導体装置100の製造方法の一例を示す。 Below, an example of the manufacturing method of the semiconductor device 100 which concerns on this Embodiment is shown.
(半導体装置の製造)
図2A(a)〜(d)、図2B(e)〜(g)は、本発明の第1の実施の形態に係る半導体装置100の製造工程を示す断面図である。
(Manufacture of semiconductor devices)
2A (a) to 2 (d) and FIGS. 2B (e) to (g) are cross-sectional views showing manufacturing steps of the semiconductor device 100 according to the first embodiment of the present invention.
まず、図2A(a)に示すように、半導体基板2上に素子分離絶縁膜3を形成して、MOSFET1を形成するための素子領域を区画する。また、図示しないが、素子分離絶縁膜3を形成した後、半導体基板2内にチャネル領域を形成する。
First, as shown in FIG. 2A (a), an element isolation
次に、図2A(b)に示すように、半導体基板2上にSiO2、SiN、SiON等のSi系絶縁材料からなる絶縁膜10を形成する。絶縁膜10は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法等の堆積法や、塗布法により半導体基板2上に付加的に形成される。なお、絶縁膜10は半導体基板2上に付加的に形成される膜であるため、熱酸化法を用いてSi基板の表面を酸化させる方法により形成される膜ではない。
Next, as shown in FIG. 2A (b), an
また、SiO2膜を堆積法や塗布法により形成した後、これに窒化処理を施して、SiONからなる絶縁膜10を形成してもよい。
Further, after forming the SiO 2 film by a deposition method or a coating method, the
次に、図2A(c)に示すように、PVD(Physical Vapor Deposition)法等により、絶縁膜10上に触媒金属膜11を形成する。触媒金属膜11は、接触する材料の酸化反応を促進する触媒機能を有するHf、Pd、Pt、Mn等の金属からなる。
Next, as shown in FIG. 2A (c), a
触媒金属膜11の厚さは、0.03nm以上、3nm以下であることが好ましく、0.5nm以下であることがより好ましい。また、触媒金属膜11の面密度は3×1014atoms/cm2以下であることが好ましい。また、触媒金属膜11の代わりに、絶縁膜10上にアイランド状に形成された上記の触媒金属を用いてもよい。
The thickness of the
触媒金属膜11の厚さまたは面密度が大きすぎる場合、後の工程において絶縁膜10に酸化処理を施す際に、十分に酸素を透過することができず、絶縁膜10が十分に酸化されないおそれがある。また、媒金属膜11の厚さまたは面密度が小さすぎる場合、触媒としての効果が不十分になるおそれがある。
If the thickness or surface density of the
より具体的には、例えば、触媒金属膜11の厚さが0.05nm以上、0.5nm以下程度である場合、その面密度は3×1013atoms/cm2以上、3×1015atoms/cm2以下であることが好ましい。
More specifically, for example, when the thickness of the
次に、図2A(d)に示すように、RTO(Rapid Thermal Oxidation)法等により、絶縁膜10に酸化処理(後酸化)を施す。このとき、触媒金属膜11により絶縁膜10の酸化反応が促進されるため、触媒金属膜11を用いない場合よりも低い温度(例えば500℃以下)で絶縁膜10を酸化することができる。
Next, as shown in FIG. 2A (d), the
次に、図2B(e)に示すように、ウェットエッチング等により触媒金属膜11を除去した後、CVD法等により絶縁膜10上に多結晶Si等からなるゲート材料膜12を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B (e), after removing the
次に、図2B(f)に示すように、フォトリソグラフィ法とRIE(Reactive Ion Etching)法の組み合わせ等により、ゲート材料膜12および絶縁膜10をパターニングして、ゲート電極5およびゲート絶縁膜4を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B (f), the gate material film 12 and the insulating
次に、図2B(g)に示すように、オフセットスペーサ6、サイドウォールスペーサー7、およびソース・ドレイン領域8を形成する。これらの部材の具体的な形成方法の一例を次に示す。
Next, as shown in FIG. 2B (g), offset
まず、CVD法により半導体基板2上の全面にSiO2膜またはSiON膜を形成し、これをRIE法により加工してゲート電極5の側面にオフセットスペーサ6を形成する。次に、CVD法により半導体基板2上の全面にSiO2膜またはSiON膜を形成し、これをRIE法により加工してオフセットスペーサ6の側面にサイドウォールスペーサー(図示しない)を形成する。
First, a SiO 2 film or a SiON film is formed on the entire surface of the
次に、ゲート電極5、オフセットスペーサ6、およびサイドウォールスペーサーをマスクとして用いて半導体基板2に導電型不純物を注入し、注入した導電型不純物を熱処理により活性化させることにより、ソース・ドレイン領域8の深い領域を形成する。
Next, by using the
次に、サイドウォールスペーサーを除去した後、ゲート電極5およびオフセットスペーサ6をマスクとして用いて半導体基板2に導電型不純物を注入し、注入した導電型不純物を熱処理により活性化させることにより、ソース・ドレイン領域8のエクステンション領域を形成する。
Next, after removing the side wall spacer, a conductive impurity is implanted into the
次に、CVD法により半導体基板2上の全面にSiO2膜またはSiON膜を形成し、これをRIE法により加工してオフセットスペーサ6の側面にサイドウォールスペーサー7を形成する。
Next, a SiO 2 film or a SiON film is formed on the entire surface of the
その後、ゲート電極5およびソース・ドレイン領域8の上部にシリサイド層を自己整合的に形成してもよい。
Thereafter, a silicide layer may be formed on the
(第1の実施の形態の効果)
本発明の第1の実施の形態によれば、堆積法や塗布法等により形成されたSiおよびOを含む絶縁膜10に酸化処理を施すことにより、絶縁膜10に含まれる不純物によりゲート絶縁膜4中に固定電荷が発生して閾値電圧が変動する問題、ゲート絶縁膜4と半導体基板2との界面における界面準位が高くなる問題、等の問題を解決することができる。
(Effects of the first embodiment)
According to the first embodiment of the present invention, the insulating
図3は、ゲート印加電圧とNBTI(Negative Bias Temperature Instability:逆バイアス特性変動)寿命との関係を表す図である。図3は、絶縁膜10に後酸化処理を施すことにより、界面準位が低下してゲート絶縁膜4の品質が向上し、ゲート印加電圧に対するNBTI寿命が大きくなることを示している。また、触媒金属膜11が絶縁膜10の上にあるとき、触媒金属によって酸化が促進され、ゲート絶縁膜4の品質をより向上させ、NBTI寿命が大きくなることをも示している。
FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the gate applied voltage and the NBTI (Negative Bias Temperature Instability) life. FIG. 3 shows that by performing post-oxidation treatment on the insulating
また、絶縁膜10に酸化処理を施す際に、触媒金属膜11を酸化反応の触媒として用いることにより、絶縁膜10を低温条件下で十分に酸化することができる。絶縁膜10を低温で酸化することにより、絶縁膜10中の不純物が基盤界面へ拡散して半導体装置100の特性を低下させる問題を解決することができる。
In addition, when the insulating
〔第2の実施の形態〕
本発明の第2の実施の形態は、酸化処理を施した絶縁膜により素子分離絶縁膜を形成する点で第1の実施の形態と異なる。なお、第1の実施の形態と同様の点については説明を省略または簡略化する。
[Second Embodiment]
The second embodiment of the present invention is different from the first embodiment in that an element isolation insulating film is formed by an insulating film subjected to oxidation treatment. Note that the description of the same points as in the first embodiment will be omitted or simplified.
(半導体装置の構成)
図4は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置200の垂直断面図である。半導体装置200に含まれるMOSFET1は、第1の実施の形態に含まれるものと同じである。
(Configuration of semiconductor device)
FIG. 4 is a vertical sectional view of a semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention.
素子分離絶縁膜20は、例えば、SiO2、SiON等のSiおよびO(酸素)を含む絶縁材料からなり、STI構造を有する。
The element
以下に、本実施の形態に係る半導体装置200の製造方法の一例を示す。 Below, an example of the manufacturing method of the semiconductor device 200 concerning this Embodiment is shown.
(半導体装置の製造)
図5(a)〜(d)は、本発明の第2の実施の形態に係る半導体装置200の製造工程を示す断面図である。
(Manufacture of semiconductor devices)
FIGS. 5A to 5D are cross-sectional views illustrating the manufacturing steps of the semiconductor device 200 according to the second embodiment of the present invention.
まず、図5(a)に示すように、フォトリソグラフィ法とRIE法の組み合わせ等により、半導体基板2に溝21を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, a
次に、図5(b)に示すように、CVD法等の堆積法や塗布法により、絶縁膜22を溝21内に付加的に形成し、その上にPVD法等により触媒金属膜23を形成する。
Next, as shown in FIG. 5B, an insulating
ここで、絶縁膜22は、SiO2、SiN、SiON等のSi系絶縁材料からなる。また、触媒金属膜23は、第1の実施の形態における触媒金属膜11と同様の材料からなる。
Here, the insulating
次に、図5(c)に示すように、RTO法等により、絶縁膜22に酸化処理を施す。このとき、触媒金属膜23により絶縁膜22の酸化反応が促進されるため、触媒金属膜23を用いない場合よりも低い温度(例えば500℃以下)で絶縁膜22を酸化し、膜質を改善することができる。
Next, as shown in FIG. 5C, the insulating
次に、図2B(e)に示すように、ウェットエッチング等により触媒金属膜23および溝21の外側の絶縁膜22を除去し、素子分離絶縁膜20を形成する。
Next, as shown in FIG. 2B (e), the
その後、ウェル、ゲート絶縁膜4、ゲート電極5、オフセットスペーサ6、サイドウォールスペーサー7、およびソース・ドレイン領域8を第1の実施の形態と同様の工程により形成し、半導体装置200を得る。
Thereafter, the well, the gate insulating film 4, the
(第2の実施の形態の効果)
本発明の第1の実施の形態によれば、絶縁膜22に酸化処理を施す際に、触媒金属膜23を酸化反応の触媒として用いることにより、絶縁膜22を低温条件下で十分に酸化することができる。
(Effect of the second embodiment)
According to the first embodiment of the present invention, when the insulating
また、絶縁膜22を低温で酸化することにより、絶縁膜22中の不純物が基盤界面へ拡散して半導体装置200の特性を低下させる問題を解決することができる。
Further, by oxidizing the insulating
〔他の実施の形態〕
本発明は、上記第1および第2の実施の形態に限定されず、発明の主旨を逸脱しない範囲内において種々変形実施が可能である。例えば、トランジスタ等の半導体素子の周辺の(半導体素子に含まれる、または隣接する)他の絶縁部材をゲート絶縁膜4または素子分離絶縁膜20と同様の方法を用いて形成することができる。
[Other Embodiments]
The present invention is not limited to the first and second embodiments, and various modifications can be made without departing from the spirit of the invention. For example, another insulating member (included in or adjacent to the semiconductor element) around the semiconductor element such as a transistor can be formed using a method similar to that of the gate insulating film 4 or the element
また、発明の主旨を逸脱しない範囲内において上記各実施の形態の構成要素を任意に組み合わせることができる。 In addition, the constituent elements of the above embodiments can be arbitrarily combined without departing from the spirit of the invention.
100、200 半導体装置、 1 MOSFET、 2 半導体基板、 4 ゲート絶縁膜、 20 素子分離絶縁膜、 10、22 絶縁膜、 11、23 触媒金属膜 100, 200 Semiconductor device, 1 MOSFET, 2 Semiconductor substrate, 4 Gate insulating film, 20 Element isolation insulating film, 10, 22 Insulating film, 11, 23 Catalytic metal film
Claims (5)
前記絶縁膜上に触媒金属膜を形成する工程と、
前記触媒金属膜を触媒として用いて前記絶縁膜に酸化処理を施す工程と、
前記酸化処理を施した前記絶縁膜を加工して絶縁部材を形成する工程と、
前記絶縁部材を含む、または前記絶縁部材に隣接する半導体素子を形成する工程と、
を含む半導体装置の製造方法。 A step of additionally forming an insulating film made of a Si-based insulating material on the base member;
Forming a catalytic metal film on the insulating film;
Performing an oxidation treatment on the insulating film using the catalytic metal film as a catalyst;
Processing the insulating film subjected to the oxidation treatment to form an insulating member;
Forming a semiconductor element including or adjacent to the insulating member;
A method of manufacturing a semiconductor device including:
請求項1に記載された半導体装置の製造方法。 The insulating film is formed by a coating method or a deposition method.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
請求項1または2に記載された半導体装置の製造方法。 The oxidation treatment is performed under a temperature condition of 500 ° C. or lower.
A method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1.
請求項1〜3のいずれか1つに記載された半導体装置の製造方法。 The surface density of the catalytic metal film is 3 × 10 13 atoms / cm 2 or more and 3 × 10 15 atoms / cm 2 or less.
The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-3.
前記絶縁部材は、前記トランジスタのゲート絶縁膜、または前記トランジスタを他の素子から分離する素子分離絶縁膜である、
請求項1〜4のいずれか1つに記載された半導体装置の製造方法。 The semiconductor element is a transistor;
The insulating member is a gate insulating film of the transistor or an element isolation insulating film that separates the transistor from other elements.
The manufacturing method of the semiconductor device as described in any one of Claims 1-4.
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