JP3277043B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

Info

Publication number
JP3277043B2
JP3277043B2 JP23678393A JP23678393A JP3277043B2 JP 3277043 B2 JP3277043 B2 JP 3277043B2 JP 23678393 A JP23678393 A JP 23678393A JP 23678393 A JP23678393 A JP 23678393A JP 3277043 B2 JP3277043 B2 JP 3277043B2
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
layer
metal
temperature
heat treatment
oxidation
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
JP23678393A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JPH0794716A (en
Inventor
浩一 村岡
恭一 須黒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Toshiba Corp
Original Assignee
Toshiba Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Corp filed Critical Toshiba Corp
Priority to JP23678393A priority Critical patent/JP3277043B2/en
Publication of JPH0794716A publication Critical patent/JPH0794716A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP3277043B2 publication Critical patent/JP3277043B2/en
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Fee Related legal-status Critical Current

Links

Landscapes

  • Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は、半導体装置の製造方法
に関し、特にゲート電極形成後のシリコンの酸化工程を
改良した半導体装置の製造方法に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device in which a silicon oxidation step after forming a gate electrode is improved.

【0002】[0002]

【従来の技術】現在、半導体装置の電極や配線の材料と
して、多結晶シリコンが広範に使用されている。しかし
ながら、半導体装置の高集積化、高速化に伴い、電極や
配線の抵抗による信号伝達の遅延が重大な問題となって
きている。特に、大容量、高集積化が進展しているMO
SLSIの分野では、ゲート電極に使用されている多結
晶シリコンは第1層配線と共用になるので、ここでの多
結晶シリコンの抵抗値が半導体装置の高速動作の障害と
なっている。
2. Description of the Related Art At present, polycrystalline silicon is widely used as a material for electrodes and wirings of semiconductor devices. However, with high integration and high speed of semiconductor devices, delay in signal transmission due to resistance of electrodes and wiring has become a serious problem. In particular, MOs with large capacity and high integration
In the field of SLSI, the polycrystalline silicon used for the gate electrode is shared with the first layer wiring, and the resistance of the polycrystalline silicon here is an obstacle to the high-speed operation of the semiconductor device.

【0003】このようなことから、多結晶シリコンに代
わる電極配線材料として、熱的な安定性と電気的低抵抗
を有する高融点金属のシリサイドが使用されつつある。
また、最近ではW、Mo等の高融点金属そのものをゲー
ト電極として使用する試みもなされている。W、Mo等
の高融点金属は、その電気抵抗率が多結晶シリコンより
も2桁低く、またシリサイドの抵抗率の1/4〜1/3
であり、低抵抗の電極配線材料として有望視されてい
る。
For these reasons, silicide of high melting point metal having thermal stability and low electric resistance is being used as an electrode wiring material instead of polycrystalline silicon.
Recently, attempts have been made to use a high melting point metal such as W or Mo as a gate electrode. Refractory metals such as W and Mo have an electrical resistivity two orders of magnitude lower than that of polycrystalline silicon, and are 1 / to の of the resistivity of silicide.
And is promising as a low-resistance electrode wiring material.

【0004】上述した高融点金属(例えばW)をゲート
電極の一構成材として用いた半導体装置としては、従来
より図7(a)に示す構造のものが知られている。即
ち、図中の参照数字1はp型シリコン基板を示し、この
p型シリコン基板1には素子領域を電気的に分離するた
めのフィールド絶縁膜2が形成されている。このフィー
ルド絶縁膜2で分離されたp型シリコン基板1の表面に
は、互いに電気的に分離されたソース、ドレインとなる
+ 型拡散層3a、3bが形成されている。
As a semiconductor device using the above-mentioned refractory metal (for example, W) as a constituent material of a gate electrode, a semiconductor device having a structure shown in FIG. 7A is conventionally known. That is, reference numeral 1 in the drawing denotes a p-type silicon substrate, on which a field insulating film 2 for electrically isolating element regions is formed. On the surface of the p-type silicon substrate 1 separated by the field insulating film 2, n + -type diffusion layers 3a and 3b serving as a source and a drain electrically separated from each other are formed.

【0005】これら拡散層3a、3b間のチャンネル領
域を含む前記基板1の表面上には、ゲート酸化膜4を介
して、多結晶シリコン層5、金属窒化物層(例えばTi
N層)6及びタングステン(W)層7からなるゲート電
極8が設けられている。なお、前記ゲート電極8を構成
する金属窒化物層6は、タングステン層7と多結晶シリ
コン層5との密着性を向上させると共に、タングステン
層7と多結晶シリコン層5とが反応して抵抗率が1桁上
昇するのを防止するための反応障壁として作用する。
On the surface of the substrate 1 including the channel region between the diffusion layers 3a and 3b, a polycrystalline silicon layer 5, a metal nitride layer (for example, Ti
A gate electrode 8 including an N layer 6 and a tungsten (W) layer 7 is provided. The metal nitride layer 6 forming the gate electrode 8 improves the adhesion between the tungsten layer 7 and the polycrystalline silicon layer 5 and reacts with the tungsten layer 7 and the polycrystalline silicon layer 5 to form a resistivity. Acts as a reaction barrier for preventing the rise of one digit.

【0006】ところで、従来より採用されている多結晶
シリコンからなるゲート電極の形成工程では、5〜50
nmといった薄いゲート酸化膜の欠陥やゲート電極のエ
ッジ形状に起因するゲート耐圧劣化を回復するために、
酸化雰囲気(例えば乾燥酸素)中で熱処理を行い、多結
晶シリコン層の露出面やソース、ドレイン領域の基板上
にシリコン酸化層を新たに成長させる工程を行ってい
る。この工程は、ゲート後酸化工程と呼ばれている。
In the conventional process of forming a gate electrode made of polycrystalline silicon, 5 to 50
In order to recover the gate breakdown voltage deterioration caused by the defect of the gate oxide film as thin as nm and the edge shape of the gate electrode,
A heat treatment is performed in an oxidizing atmosphere (for example, dry oxygen) to perform a process of newly growing a silicon oxide layer on the exposed surface of the polycrystalline silicon layer and the substrate in the source and drain regions. This step is called a post-gate oxidation step.

【0007】しかしながら、一般にW、Mo等の高融点
金属は、酸化雰囲気中での熱処理に対する耐性がないた
め、前述した図7(a)に示すゲート電極構造では従来
のようなゲート後酸化工程を適用することができないと
いう問題があった。
However, since high melting point metals such as W and Mo generally do not have resistance to heat treatment in an oxidizing atmosphere, the gate electrode structure shown in FIG. There was a problem that it could not be applied.

【0008】上記問題を解決する方法として、還元性気
体(例えば水素)及び酸化性気体(例えば水蒸気)を含
み、かつ窒素を含む気体を希釈気体とした雰囲気中で熱
処理することで、ゲート電極を構成する金属層及び金属
窒化物層の酸化を招くことなくシリコン酸化膜を形成で
き、それによってゲート耐圧を向上させることの可能な
シリコン選択酸化技術がよく知られている(特開平3−
119763)。
As a method for solving the above problem, a heat treatment is performed in an atmosphere containing a reducing gas (for example, hydrogen) and an oxidizing gas (for example, water vapor) and containing nitrogen as a diluent gas, so that the gate electrode is formed. There is well known a silicon selective oxidation technique capable of forming a silicon oxide film without causing oxidation of the constituent metal layer and metal nitride layer, thereby improving the gate breakdown voltage (Japanese Patent Laid-Open No. Hei 3-
119763).

【0009】この場合、還元性気体としてはH2 を、酸
化性気体として水蒸気(H2 O)を、窒素を含む気体と
してN2 を用いた場合には、それらの混合比率を次のよ
うに設定することが望ましいと言われている。即ち、H
2 、H2 O、N2 の分圧をPH2、PH2O 、PN2とする
と、PN2/PH2O を0.5〜1.0×109 にし、かつ
logPN2を−22〜14にする。更に、より好ましい
条件としては、温度を800〜900℃にすることがよ
く、この際PH2/PH2O を1.0×103 〜1.0×1
4 にし、かつlogPN2を−2〜2にするものであ
る。このような雰囲気条件で熱処理することにより、ゲ
ート電極を構成する金属を酸化することなくシリコンの
みを酸化することが可能となる。
In this case, when H 2 is used as the reducing gas, water vapor (H 2 O) is used as the oxidizing gas, and N 2 is used as the gas containing nitrogen, the mixing ratio is as follows. It is said that setting is desirable. That is, H
2 , assuming that the partial pressures of H 2 O and N 2 are P H2 , P H2O and P N2 , P N2 / P H2O is 0.5-1.0 × 10 9 and log P N2 is -22-14. I do. Further, as a more preferable condition, the temperature is preferably set to 800 to 900 ° C., and at this time, PH 2 / PH 2 O is adjusted to 1.0 × 10 3 to 1.0 × 1.
To 0 4, and in which the logP N2 to -2 to 2. By performing the heat treatment under such an atmosphere condition, only the silicon can be oxidized without oxidizing the metal forming the gate electrode.

【0010】しかしながら、最近の精力的な研究によ
り、この種の方法にあっては以下のような問題の生じる
事が明らかとなった。まず上記選択酸化条件ではPH2O
が低いためシリコンの酸化速度が非常に遅く、ゲート電
極の耐圧性向上に必要なシリコン酸化膜を得るためには
高温で長時間加熱する必要があり、熱的負荷が大きくな
る。また、上記選択酸化条件は温度安定後のアニール中
の場合であり、基板の昇温並びに降温時において選択条
件を満たさないため、ゲート電極における金属層及び金
属窒化物層の酸化を招くことが明らかになった。
However, recent vigorous research has revealed that this type of method has the following problems. First, under the above selective oxidation conditions, P H2O
, The oxidation rate of silicon is very low, and it is necessary to heat at a high temperature for a long time in order to obtain a silicon oxide film necessary for improving the breakdown voltage of the gate electrode, which increases the thermal load. In addition, the above selective oxidation conditions are those during annealing after temperature stabilization, and do not satisfy the selective conditions at the time of raising and lowering the temperature of the substrate, which clearly oxidizes the metal layer and the metal nitride layer at the gate electrode. Became.

【0011】例として、図7(a)に示すようなタング
ステン層7/TiN層6/多結晶シリコン層5のゲート
電極構造において、ガス分圧をH:HO:N
0.164:1×10−4:0.836のままで昇降温
速度を±45℃/分にし、900℃で120分加熱を行
った。この時のHO分圧と基板温度の時間的変化を
に示す。しかし、このような熱処理によると、図7
(b)に示すように、多結晶シリコン層5及び側壁部と
シリコン基板1の表面だけでなく、ゲート電極側面のT
iN層6が酸化され、約10nmのTiO膜9が形成
されることが確認された。また、このようにして形成さ
れたゲート電極においては、その後、ゲ−ト電極側壁に
側壁膜を形成することが困難となったり、TiN層自体
の反応障壁性が劣化したり、イオン注入時のマスクとし
ての機能が損なわれたりするという問題が生じた。
As an example, in the gate electrode structure of tungsten layer 7 / TiN layer 6 / polycrystalline silicon layer 5 as shown in FIG. 7A , the gas partial pressure is set to H 2 : H 2 O: N 2 =
The heating was performed at 900 ° C. for 120 minutes at a temperature rising / falling rate of ± 45 ° C./min while keeping 0.164: 1 × 10 −4 : 0.836. Figure temporal change of H 2 O partial pressure and the substrate temperature at this
FIG . However, according to such heat treatment, FIG.
As shown in (b) , not only the polycrystalline silicon layer 5 and the side wall and the surface of the silicon substrate 1 but also the T
It was confirmed that the iN layer 6 was oxidized and a TiO 2 film 9 of about 10 nm was formed. Further, in the gate electrode thus formed, it is difficult to form a side wall film on the side wall of the gate electrode, the reaction barrier property of the TiN layer itself deteriorates, There has been a problem that the function as a mask is impaired.

【0012】[0012]

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記課題を
解決するためになされたもので、ゲ−ト電極を構成する
金属層の酸化を抑制しつつ、ゲート後酸化を行なうこと
を可能とし、かつ熱処理時間の短縮による熱的負荷の軽
減、及びゲ−ト耐圧の向上を達成し得る半導体装置の製
造方法を提供することを目的とする。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and it is possible to perform post-gate oxidation while suppressing oxidation of a metal layer constituting a gate electrode. It is another object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device capable of reducing a thermal load by shortening a heat treatment time and improving a gate breakdown voltage.

【0013】[0013]

【課題を解決するための手段】本発明は、シリコン基板
上にゲ−ト絶縁膜を介して金属窒化物層及び金属層を含
む積層構造を有するゲート電極を形成する工程と、還元
性気体、酸化性気体及び窒素を含む雰囲気中で熱処理す
ることにより前記シリコン基板表面の酸化を行なう工程
と、前記熱処理の工程の前後において前記雰囲気中で前
記シリコン基板の昇降温を行なう工程とを具備し、前記
昇降温の工程は、前記金属窒化物層及び前記金属層の酸
化によりそれぞれ形成される金属酸化物層の膜厚が前記
金属酸化物層及び前記金属層の膜厚の20%以下となる
ように、50℃/分以上の速度で行なうことを特徴とす
る半導体装置の製造方法を提供する。
According to the present invention, there is provided a step of forming a gate electrode having a laminated structure including a metal nitride layer and a metal layer on a silicon substrate via a gate insulating film; A step of oxidizing the surface of the silicon substrate by heat treatment in an atmosphere containing an oxidizing gas and nitrogen, and a step of raising and lowering the temperature of the silicon substrate in the atmosphere before and after the step of heat treatment; In the step of raising and lowering the temperature, the thickness of the metal oxide layer formed by oxidizing the metal nitride layer and the metal layer is 20% or less of the thickness of the metal oxide layer and the metal layer.
As described above, a method for manufacturing a semiconductor device, which is performed at a rate of 50 ° C./min or more, is provided.

【0014】本発明の方法において、ゲート電極は、多
結晶シリコン層、金属窒化物層、及び金属層の積層構造
とすることが出来る。金属層としては、タングステン、
モリブデン、白金、パラジウム、ロジウム、ルテニウ
ム、ニッケル、コバルト、タンタル、チタン等を用いる
ことが出来る。金属窒化物層は、金属層と多結晶シリコ
ン層との間の障壁層をなすものであって、チタン、ジル
コニウム、ハフニウム、タングステン、バナジウム、ニ
オブ、タンタル、クロム、レニウム等の窒化物を用いる
ことが出来る。
In the method of the present invention, the gate electrode may have a stacked structure of a polycrystalline silicon layer, a metal nitride layer, and a metal layer. As the metal layer, tungsten,
Molybdenum, platinum, palladium, rhodium, ruthenium, nickel, cobalt, tantalum , titanium and the like can be used. The metal nitride layer forms a barrier layer between the metal layer and the polycrystalline silicon layer, and uses a nitride such as titanium, zirconium, hafnium, tungsten, vanadium, niobium, tantalum, chromium, or rhenium. Can be done.

【0015】また、本発明の方法における熱処理工程に
おいては、昇温速度及び降温速度は、金属窒化物層及び
金属層の酸化により形成される金属酸化物層の膜厚が金
属層の膜厚の20%以下となるような速度である。この
ような昇温速度及び降温速度で行なうことにより、シリ
コンの酸化を行なうとともに金属窒化物層及び金属層の
酸化を抑制するような熱処理を行なうことが可能であ
る。
Further, in the heat treatment step in the method of the present invention, the rate of temperature rise and the rate of temperature decrease are such that the thickness of the metal oxide layer formed by oxidation of the metal nitride layer and the metal layer is smaller than the thickness of the metal layer. The speed is 20% or less. By performing the heating at such a temperature increasing rate and a temperature decreasing rate, it is possible to oxidize silicon and to perform a heat treatment for suppressing the oxidation of the metal nitride layer and the metal layer.

【0016】更に、本発明は、シリコン基板上にゲ−ト
絶縁膜を介して金属窒化物層及び金属層を含む積層構造
を有する電極を形成する工程と、水素、水蒸気及び窒素
を含む雰囲気中で熱処理することにより前記シリコン基
板表面の酸化を行なう工程と、前記熱処理の工程の前後
において前記シリコン基板の昇降温を行なう工程とを具
備し、前記昇降温の工程に先立ち、或いは該工程中に、
シリコンの酸化反応におけるギブスの自由エネルギーの
変化ΔG °(T)、前記金属層の金属の酸化反応にお
けるギブスの自由エネルギーの変化ΔG °(T)、お
よび金属窒化物の酸化反応におけるギブスの自由エネル
ギーの変化ΔG °(T)が、下記式(1)〜(3)を
満たすように、前記雰囲気中に含まれる気体の分圧を制
御することを特徴とする半導体装置の製造方法を提供す
る。 ΔG °(T)≧−4.575×T×2log(P H2 /P H2O )…(1) ΔG °(T)≦−4.575×T×2log(P H2 /P H2O )…(2) ΔG °(T)≦−4.575×T ×{1/2[logP N2 +2log(P H2 /P H2O )] …(3)
Further, the present invention provides a step of forming an electrode having a laminated structure including a metal nitride layer and a metal layer on a silicon substrate via a gate insulating film, and forming the electrode in an atmosphere containing hydrogen, water vapor and nitrogen. A step of oxidizing the surface of the silicon substrate by performing a heat treatment, and a step of raising and lowering the temperature of the silicon substrate before and after the step of heat treatment, prior to or during the step of raising and lowering the temperature ,
Gibbs free energy in the oxidation reaction of silicon
Change ΔG 1 ° (T), the oxidation reaction of the metal of the metal layer
Change in free energy of Gibbs ΔG 2 ° (T)
Gibbs free energy in oxidation reactions of metals and metal nitrides
The change in energy ΔG 3 ° (T) is calculated by the following equations (1) to (3).
A method for manufacturing a semiconductor device is provided , wherein a partial pressure of a gas contained in the atmosphere is controlled so as to satisfy the above condition . ΔG 1 ° (T) ≧ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ) (1) ΔG 2 ° (T) ≦ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ). 2) ΔG 3 ° (T) ≦ −4.575 × T × {1/2 [logP N2 + 2log (P H2 / P H2O )] } (3)

【0017】例えば、昇降温において、ガス分圧比を、
変化している温度に対応した選択酸化条件の中に含まれ
るように変化させることで、昇降温時の金属窒化物層及
び金属層の酸化を抑えることが可能である。
For example, when the temperature rises and falls, the gas partial pressure ratio is
By changing the temperature so as to be included in the selective oxidation conditions corresponding to the changing temperature, it is possible to suppress the oxidation of the metal nitride layer and the metal layer at the time of raising and lowering the temperature.

【0018】[0018]

【0019】[0019]

【作用】本発明の方法では、ゲ−ト後酸化のための熱処
理工程を、シリコンの酸化を行なうとともに金属窒化物
層及び金属層の酸化を抑制するように制御された条件で
行なっている。即ち、熱処理を還元性気体、酸化性気体
及び窒素を含む雰囲気中で行なうとともに、昇温速度及
び降温速度を適切に制御している。それによって、金属
窒化物層及び金属層の酸化により形成される金属酸化物
層の膜厚を金属窒化物層及び金属層の膜厚の20%以下
とすることが可能である。
In the method of the present invention, the heat treatment step for post-gate oxidation is performed under conditions controlled so as to oxidize silicon and to suppress oxidation of the metal nitride layer and the metal layer. That is, the heat treatment is performed in an atmosphere containing a reducing gas, an oxidizing gas, and nitrogen, and the rate of temperature increase and the rate of temperature decrease are appropriately controlled. Thereby the metal
The thickness of the metal oxide layer formed by oxidation of the nitride layer and the metal layer can be set to 20% or less of the thickness of the metal nitride layer and the metal layer.

【0020】昇温速度及び降温速度と金属酸化物層の膜
厚との関係について、以下に説明する。まず、時間t0
とt1 との間にT0 からT1 へ昇温する時に金属窒化物
層及び金属層が酸化される膜厚ΔtOX↑は、下記数1に
示す式(1)により表わされる。なお、温度T=At+
B(A,Bは定数、Aは昇温及び降温の速度勾配を表わ
す)で表わされ、酸化速度R=Cexp(−Ea/k
T)(C=C´PH2O n 、nは約1)で表わされる。
The relationship between the heating rate and the cooling rate and the thickness of the metal oxide layer will be described below. First, time t 0
The film thickness Δt OXさ れ at which the metal nitride layer and the metal layer are oxidized when the temperature is raised from T 0 to T 1 between t 1 and t 1 is expressed by the following equation (1). Note that the temperature T = At +
B (A and B are constants, A represents a rate gradient of temperature rise and temperature decrease), and an oxidation rate R = Cexp (−Ea / k
T) (C = C'P H2O n , n is represented by about 1).

【0021】[0021]

【数1】 (Equation 1)

【0022】降温する時に金属窒化物層及び金属層が酸
化される膜厚ΔtOX↓も同様に計算することが出来る。
従って、昇温する時に金属窒化物層及び金属層が酸化さ
れる膜厚ΔtOX↑と降温する時に金属窒化物層及び金属
層が酸化される膜厚ΔtOX↓の合計の膜厚をΔtOXとす
ると、下記の式を満たす必要がある。
The thickness Δt OX ↓ at which the metal nitride layer and the metal layer are oxidized when the temperature is lowered can be calculated in the same manner.
Accordingly, the total thickness of the film thickness Delta] t OX ↓ metal nitride layer and a metal layer is oxidized when the metal nitride layer and a metal layer is lowered and ↑ thickness Delta] t OX is oxidized when heating Delta] t OX Then, it is necessary to satisfy the following equation.

【0023】 ΔtOX=ΔtOX↑+ΔtOX↓≦0.2t (t:金属窒化物層及び 金属膜厚) この式を実際に計算し、PH2Oと昇降温速度との関係
を求めたところ、図9に示す結果を得た。この図におい
て、4つの点(白丸で示す)を滑らかに結んで形成され
る曲線、及びそれより高昇温速度側の領域で昇降温する
とよいことがわかる。
Δt OX = Δt OX ↑ + Δt OX ↓ ≦ 0.2t (t: metal nitride layer and metal film thickness) This equation was actually calculated, and the relationship between PH 2 O and the temperature rise / fall rate was obtained. The result shown in FIG. 9 was obtained. In this figure, it can be seen that it is better to raise and lower the temperature in the curve formed by smoothly connecting the four points (indicated by white circles) and in the region on the higher heating rate side.

【0024】なお、通常の常圧条件では、金属窒化物層
の方が金属層より酸化され易いので、金属窒化物層の膜
厚のみを考えるとよい。このように、金属窒化物層及び
金属層の酸化を抑制することにより、低抵抗のゲ−ト電
極を得ることが出来るとともに、また熱処理時間の短縮
により熱的負荷軽減並びにスループットの向上につなが
り、良好なゲート絶縁耐性を有する半導体装置を製造す
ることができる。
Under normal atmospheric pressure conditions, the metal nitride layer is more easily oxidized than the metal layer, so it is only necessary to consider only the thickness of the metal nitride layer. As described above, by suppressing the oxidation of the metal nitride layer and the metal layer, a low-resistance gate electrode can be obtained, and the shortening of the heat treatment time leads to a reduction in thermal load and an improvement in throughput. A semiconductor device having good gate insulation resistance can be manufactured.

【0025】なお、Siのみ酸化し、W及びTiNは酸
化しない水素と水蒸気の分圧については、以下のことが
言える。即ち、まずSi、W及びTiNの酸化反応は、
次の反応式で示される。
The following can be said with respect to the partial pressures of hydrogen and water vapor in which only Si is oxidized and W and TiN are not oxidized. That is, first, the oxidation reaction of Si, W and TiN
It is shown by the following reaction formula.

【0026】なお、Siのみ酸化し、W及びTiNは酸
化しない水素と水蒸気の分圧については、以下のことが
言える。即ち、まずSi、W及びTiNの酸化反応は、
次の反応式で示される。 Si+2HO=SiO+2H …(1) ΔG°(T) W +2HO=WO+2H …(2) ΔG°(T) TiN+2HO=TiO+2H+1/2N…(2) ΔG °(T) なお、ΔG°(T)、ΔG°(T)、ΔG °
(T)は、各反応式におけるギブスの自由エネルギ−の
変化である。
The following can be said with respect to the partial pressures of hydrogen and water vapor in which only Si is oxidized and W and TiN are not oxidized. That is, first, the oxidation reaction of Si, W and TiN
It is shown by the following reaction formula. Si + 2H 2 O = SiO 2 + 2H 2 ... (1) ΔG 1 ° (T) W + 2H 2 O = WO 2 + 2H 2 ... (2) ΔG 2 ° (T) TiN + 2H 2 O = TiO 2 + 2H 2 + 1 / 2N 2 ... (2) ΔG 3 ° (T) ΔG 1 ° (T), ΔG 2 ° (T), ΔG 3 °
(T) is the free energy of Gibbs in each reaction equation.
It is a change .

【0027】Siのみ酸化し、W及びTiは酸化されな
いための水素と水蒸気の分圧の条件は、以下の式で表わ
される。 ΔG°(T)≧−4.575×T×2log(PH2/PH2O)…(1) ΔG°(T)≦−4.575×T×2log(PH2/PH2O)…(2) ΔG °(T)≦−4.575×T ×{1/2[logPN2+2log(PH2/PH2O)] } …(3) 例えば、昇降温時において、ΔG°(T)はΔG°
(T´)に変化するため(T>T´)、各気体の分圧の
範囲は、図10に示すように変化する。その変化する範
囲内に実験条件が入るように分圧を変化させることによ
り、W及びTiを酸化することなく、Siのみを酸化す
ることが可能である。即ち、図10における直線1、
2、3、1´、2´、3´はそれぞれ上記不等式の等号
を表わすものであり、直線1と2と3に囲まれた領域が
W及びTiを酸化することなく、Siのみを酸化する範
囲である。なお、昇温時においても、同様のことが言え
る。
The condition of the partial pressure of hydrogen and water vapor to oxidize only Si and not W and Ti is expressed by the following equation. ΔG 1 ° (T) ≧ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ) (1) ΔG 2 ° (T) ≦ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ). 2) ΔG 3 ° (T) ≦ −4.575 × T × {1/2 [log P N2 +2 log (PH 2 / P H2O )]} (3) For example, ΔG n ° (T) Is ΔG n °
To change the (T') (T>T') , the range of the partial pressure of each gas is changed as shown in FIG. 10. By changing the partial pressure so that the experimental conditions fall within the changing range, it is possible to oxidize only Si without oxidizing W and Ti. That is, the straight line 1 in FIG.
2, 3, 1 ', 2', and 3 'represent the equality of the above inequality, respectively, and the region surrounded by the straight lines 1, 2, and 3 oxidizes only Si without oxidizing W and Ti. Range. The same can be said for the temperature rise.

【0028】[0028]

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例につ
いて詳細に説明する。図1(a)〜(e)は、本発明の
第1の実施例に係るゲ−ト電極の形成工程を示す断面図
である。まず、図1(a)に示すように、例えばp型シ
リコン基板11表面に選択酸化によりフィールド酸化膜
12を形成した後、熱酸化処理を施してフィールド酸化
膜12で分離されたシリコン基板11の表面に厚さ5〜
30nmのシリコン酸化膜13を形成した。
Embodiments of the present invention will be described below in detail with reference to the drawings. FIGS. 1A to 1E are cross-sectional views showing steps of forming a gate electrode according to a first embodiment of the present invention. First, as shown in FIG. 1A, for example, after a field oxide film 12 is formed on the surface of a p-type silicon substrate 11 by selective oxidation, a thermal oxidation process is applied to the silicon substrate 11 separated by the field oxide film 12. 5 thickness on the surface
A 30 nm silicon oxide film 13 was formed.

【0029】次いで、図1(b)に示すように、シリコ
ン酸化膜13上に、不純物が添加された厚さ50nmの
多結晶シリコン層14を推積した後、基板11を473
Kの温度に保持した状態で、N2 とArの混合ガス中で
Tiをターゲットとしたスパッタリングを行なうことに
より、多結晶シリコン層14上に厚さ50nmのTiN
層15を推積した。続いて、LPCVD法により水素
(H2 )、モノシラン(SiH4 )及び六フッ化タング
ステン(WF6 )の混合ガスを用い、H2 を0.173
Torr、SiH4 を0.013Torr、WF6
0.065Torrの各分圧に保持し、420℃の基板
温度でTiN層15上に厚さ約150nmのW層16を
推積した。
Next, as shown in FIG. 1B, after a polycrystalline silicon layer 14 having a thickness of 50 nm doped with impurities is deposited on the silicon oxide film 13, the substrate 11 is
At a temperature of K, sputtering is performed in a mixed gas of N 2 and Ar with Ti as a target, so that a 50 nm-thick TiN film is formed on the polycrystalline silicon layer 14.
Layer 15 was deposited. Subsequently, H 2 was added to the mixture by a CVD method using a mixed gas of hydrogen (H 2 ), monosilane (SiH 4 ), and tungsten hexafluoride (WF 6 ).
A partial pressure of Torr and SiH 4 of 0.013 Torr and a partial pressure of WF 6 of 0.065 Torr were maintained, and a W layer 16 having a thickness of about 150 nm was deposited on the TiN layer 15 at a substrate temperature of 420 ° C.

【0030】引き続き、W層16、TiN層15及び多
結晶シリコン層14を通常のフォトリソグラフィと反応
性イオンエッチング(RIE)を用いて順次選択的にエ
ッチングすることにより、図1(c)に示すように、ゲ
ート電極18を形成した。
Subsequently, the W layer 16, the TiN layer 15, and the polycrystalline silicon layer 14 are sequentially and selectively etched using ordinary photolithography and reactive ion etching (RIE), as shown in FIG. Thus, the gate electrode 18 was formed.

【0031】次に、水素(H2 )と水蒸気(H2 O)を
含み、窒素(N2 )をキャリアガスとした混合ガス雰囲
気中(全圧1気圧)において、シリコンの酸化速度向上
のために水蒸気分圧をWO2 が還元され、TiNが酸化
される条件にまでに上げた。この条件のガス分圧は、H
2 :H2 O:N2 =0.164:1×10-3:0.83
5である。この分圧条件で100℃/分の昇温速度で9
00℃に昇温し、30分加熱を行なった後、−70℃/
分の降温速度で降温した。この時の基板温度の時間変化
を図2に示す。なお、H2 O分圧は、一定とした。
Next, in a mixed gas atmosphere (total pressure 1 atm) containing hydrogen (H 2 ) and water vapor (H 2 O) and using nitrogen (N 2 ) as a carrier gas, the oxidation rate of silicon is increased. The water vapor partial pressure was increased to a condition where WO 2 was reduced and TiN was oxidized. The gas partial pressure under this condition is H
2 : H 2 O: N 2 = 0.164: 1 × 10 −3 : 0.83
5 Under these partial pressure conditions, a heating rate of 100 ° C./min.
After heating to 00 ° C and heating for 30 minutes, -70 ° C /
The temperature was lowered at a rate of one minute. FIG. 2 shows the time change of the substrate temperature at this time. The H 2 O partial pressure was kept constant.

【0032】以上の条件の下での酸化処理によると、図
1(d)に示すように、多結晶シリコン層14の側壁部
とシリコン基板11の表面が酸化されるだけでなく、T
iN層15の露出した側壁も酸化され、TiO2 膜17
が形成されるが、その厚さは約5nmと非常に薄いこと
が確認された。これは、上述の酸化処理方法は、従来の
方法に比べ、プロセス時間が160分から46分にまで
短縮でき、且つTiN層酸化抑制に有効であることを示
している。
According to the oxidation treatment under the above conditions, as shown in FIG. 1D, not only is the side wall of the polycrystalline silicon layer 14 and the surface of the silicon substrate 11 oxidized,
The exposed side walls of the iN layer 15 are also oxidized, and the TiO 2 film 17 is exposed.
Was formed, and it was confirmed that the thickness was as thin as about 5 nm. This indicates that the above-described oxidation treatment method can reduce the process time from 160 minutes to 46 minutes as compared with the conventional method, and is effective in suppressing the TiN layer oxidation.

【0033】また、レジスト剥離アッシャーによって酸
化されたW表面は、還元され、良好なW表面になること
もわかった。更に、本方法によりゲート電極18のエッ
ジ領域の酸化膜が約5nm厚くなっていることが確認さ
れた。
It has also been found that the W surface oxidized by the resist peeling asher is reduced and becomes a good W surface. Further, it was confirmed that the oxide film in the edge region of the gate electrode 18 was thickened by about 5 nm by this method.

【0034】続いて、フィールド酸化膜12及びゲート
電極18をマスクとしてn型不純物、例えば砒素をイオ
ン注入し、活性化することにより、図1(e)に示すよ
うに、シリコン基板11の表面領域にソース、ドレイン
となるn+ 型拡散層19a、19bが形成された。
Subsequently, n-type impurities, for example, arsenic are ion-implanted and activated using the field oxide film 12 and the gate electrode 18 as a mask, thereby activating the surface region of the silicon substrate 11 as shown in FIG. Then, n + -type diffusion layers 19a and 19b serving as a source and a drain were formed.

【0035】本実施例によれば、酸化処理工程におい
て、ゲート構造におけるW層及びTiN層の側壁の酸化
を最少にとどめることが出来ると共に、プロセス時間の
短縮が可能であり、更に、良好なゲート電極絶縁耐性を
有するMOS型半導体装置を製造することができること
が確認された。
According to this embodiment, in the oxidation process, the oxidation of the sidewalls of the W layer and the TiN layer in the gate structure can be minimized, the process time can be shortened, and furthermore, a good gate can be obtained. It has been confirmed that a MOS type semiconductor device having electrode insulation resistance can be manufactured.

【0036】また本実施例に関し、ゲート電極構造にお
いて、TiN酸化の限界条件までPH2O を下げ(ガス分
圧はH2 :H2 O:N2 =0.164:1×10-4
0.836)、昇温速度150℃/分、降温速度−90
℃/分の高速昇降温速度条件で120分間熱処理するこ
とで、TiN層の側壁の酸化を更に抑制することが可能
である。この方法によると、TiN層側壁の酸化物の膜
厚を1nm以下にすることが可能である。基板の昇降温
速度は、上記した値に限るものではなく、少なくとも電
極を形成する金属層の露出面の酸化を膜厚の20%以内
に抑制する範囲であれば、本発明の目的が達成される。
Further, in this embodiment, in the gate electrode structure, P H2O was lowered to the limit condition of TiN oxidation (gas partial pressure was H 2 : H 2 O: N 2 = 0.164: 1 × 10 -4 :
0.836), heating rate 150 ° C./min, cooling rate −90
By performing the heat treatment at a high temperature rising / falling rate of 120 ° C./minute for 120 minutes, it is possible to further suppress the oxidation of the sidewall of the TiN layer. According to this method, the thickness of the oxide on the sidewall of the TiN layer can be reduced to 1 nm or less. The rate of temperature rise and fall of the substrate is not limited to the above value, and the object of the present invention can be achieved as long as the oxidation of the exposed surface of the metal layer forming the electrode is suppressed to at least 20% of the film thickness. You.

【0037】次に、本発明の第2の実施例に係る半導体
装置の製造工程について、図3(a)〜(c)を参照し
て説明する。まず、W層16、TiN層15及び多結晶
シリコン層14を通常のフォトリソグラフィと反応性イ
オンエッチング(RIE)を用いて、順次選択的にエッ
チングすることにより、図3(a)に示すゲート電極1
8を形成した。
Next, a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the W layer 16, the TiN layer 15, and the polycrystalline silicon layer 14 are sequentially and selectively etched by using normal photolithography and reactive ion etching (RIE) to form a gate electrode shown in FIG. 1
8 was formed.

【0038】次いで、水素(H2 )と水蒸気(H2 O)
を含み、窒素(N2 )をキャリアガスとした混合ガス雰
囲気中(全圧1気圧)において、昇温時にそれぞれのガ
スの分圧比を昇温時におけるTiO2 の還元条件になる
ように予め設定した。その分圧比はH2 :H2 O:N2
=1:10-8:10である。ちなみにこの条件は、WO
2 の還元条件でもある。このTiO2 の還元雰囲気中で
150℃/分の昇温速度を保ちつつ900℃に上げ、温
度が一定になると同時にガス分圧比をTiN酸化限界条
件であるH2 :H2 O:N2 =0.164:1×1
-4:0.836にまで変化させ、120分加熱を行っ
た。次に、ガス分圧比を元のH2 :H2 O:N2 =1:
10-8:10に変化させた後、−90℃/分で降温し
た。この時のH2 O分圧と基板温度の時間変化を図4に
示す。
Next, hydrogen (H 2 ) and steam (H 2 O)
In a mixed gas atmosphere (total pressure of 1 atm) using nitrogen (N 2 ) as a carrier gas, the partial pressure ratio of each gas is set in advance so as to satisfy the TiO 2 reduction conditions at the time of temperature rise. did. The partial pressure ratio is H 2 : H 2 O: N 2
= 1: 10 -8 : 10. By the way, this condition is WO
It is also the reduction condition of 2 . H 2 The TiO 2 in a reducing atmosphere up to 900 ° C. while maintaining a heating rate of 0.99 ° C. / min, a TiN oxide boundary conditions simultaneously gas partial pressure ratio when the temperature becomes constant: H 2 O: N 2 = 0.164: 1 × 1
0 -4: 0.836 to a varied, it was heated for 120 minutes. Next, the gas partial pressure ratio was changed from the original H 2 : H 2 O: N 2 = 1:
After changing to 10 −8 : 10, the temperature was lowered at −90 ° C./min. FIG. 4 shows the change over time in the H 2 O partial pressure and the substrate temperature at this time.

【0039】このような熱処理工程によれば、図3
(b)に示すように多結晶シリコン層14の側壁部とシ
リコン基板11の表面のみが酸化され、露出したTiN
層15及びW層の側壁には、酸化膜は形成されていなか
った。また、ゲート電極18のエッジ領域の酸化膜は、
約5nm厚くなっていることが確認された。
According to such a heat treatment step, FIG.
As shown in FIG. 3B, only the side wall of the polycrystalline silicon layer 14 and the surface of the silicon substrate 11 are oxidized and exposed to TiN.
No oxide film was formed on the side walls of the layer 15 and the W layer. The oxide film in the edge region of the gate electrode 18 is
It was confirmed that the thickness was increased by about 5 nm.

【0040】続いて、フィールド酸化膜12及びゲート
電極18をマスクとしてn型不純物、例えば砒素をイオ
ン注入し、活性化することにより、図3(c)に示すよ
うに、シリコン基板11の表面領域にソース、ドレイン
となるn+ 型拡散層19a、19bを形成した。
Subsequently, n-type impurities, for example, arsenic are ion-implanted and activated using the field oxide film 12 and the gate electrode 18 as a mask, thereby activating the surface region of the silicon substrate 11 as shown in FIG. Then, n + -type diffusion layers 19a and 19b serving as a source and a drain were formed.

【0041】以上説明した第2の実施例によれば、熱処
理工程によりゲート構造における金属電極構造のシリコ
ン以外の部分の側壁の酸化を抑制することができ、良好
なゲート電極絶縁耐性を有する半導体装置を製造するこ
とができることが確認された。
According to the second embodiment described above, the oxidation of the side walls of the gate electrode structure other than silicon in the metal electrode structure can be suppressed by the heat treatment step, and the semiconductor device having good gate electrode insulation resistance can be obtained. Can be manufactured.

【0042】また本実施例に示した昇降温時のH2 /H
2 O/N2 分圧は、以下の条件の範囲内で変化させるこ
とが可能である。即ち、室温と処理温度の間の昇降温時
において、変化する温度に対応してPH2/PH2O 並びに
logPN2を制御し、絶えずシリコンの選択酸化条件を
満たす様にすることで金属層及び金属窒化物層の酸化を
抑制することも可能である。
Further, H 2 / H at the time of temperature rise and fall shown in this embodiment
The 2 O / N 2 partial pressure can be changed within the range of the following conditions. That is, at the time of temperature rise and fall between the room temperature and the processing temperature, P H2 / P H2O and logP N2 are controlled in accordance with the changing temperature so that the conditions for selective oxidation of silicon are constantly satisfied so that the metal layer and the metal are It is also possible to suppress oxidation of the nitride layer.

【0043】次に、本発明の第3の実施例に係る半導体
装置の製造工程について、図5(a)〜(c)を参照し
て説明する。まず、W層16、TiN層15及び多結晶
シリコン層14を通常のフォトリソグラフィと反応性イ
オンエッチング(RIE)を用いて順次選択的にエッチ
ングすることにより、図5(a)に示すゲート電極18
を形成した後、フィールド酸化膜12及びゲート電極1
8をマスクとしてn型不純物、例えば砒素をイオン注入
し、図5(b)に示すように、n+ 拡散層19a、19
bを形成する。
Next, a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. First, the W layer 16, the TiN layer 15, and the polycrystalline silicon layer 14 are sequentially and selectively etched using ordinary photolithography and reactive ion etching (RIE) to form a gate electrode 18 shown in FIG.
Is formed, field oxide film 12 and gate electrode 1 are formed.
N-type impurity 8 as a mask, arsenic is ion-implanted, as shown in FIG. 5 (b), n + diffusion layers 19a, 19
b is formed.

【0044】次いで、水素(H2 )と水蒸気(H2 O)
を含み、窒素(N2 )をキャリアガスとした混合ガス雰
囲気中(全圧1気圧)において、それぞれのガスの分圧
比を昇温時におけるTiO2 の還元条件になるように変
化させた。その分圧比はH2:H2 O:N2 =1:10
-8:10である。このようなTiO2 の還元雰囲気中で
150℃/分の昇温速度を保ちつつ温度を1000℃に
上げ、温度が一定になると同時にガス分圧比をH2 :H
2 O:N2 =0.164:1×10-4:0.836に変
化させ、1分間加熱を行った。次に、ガス分圧比をH
2 :H2 O:N2=1:10-8:10に変化させた後、
−90℃/分で降温した。この時、ゲート電極エッジ領
域の酸化膜が約5nmほど厚くなっていることを確認し
た。
Next, hydrogen (H 2 ) and steam (H 2 O)
In a mixed gas atmosphere using nitrogen (N 2 ) as a carrier gas (total pressure: 1 atm), the partial pressure ratio of each gas was changed so as to satisfy the conditions for reducing TiO 2 when the temperature was raised. The partial pressure ratio is H 2 : H 2 O: N 2 = 1: 10.
-8 : 10. In such a reducing atmosphere of TiO 2 , the temperature is raised to 1000 ° C. while keeping the temperature rising rate at 150 ° C./min, and at the same time the temperature becomes constant and the gas partial pressure ratio is H 2 : H.
The temperature was changed to 2 O: N 2 = 0.164: 1 × 10 −4 : 0.836, and heating was performed for 1 minute. Next, the gas partial pressure ratio is set to H
After changing to 2 : H 2 O: N 2 = 1: 10 -8 : 10,
The temperature was lowered at -90 ° C / min. At this time, it was confirmed that the oxide film in the gate electrode edge region was thickened by about 5 nm.

【0045】このような熱処理工程によれば、図5
(c)に示すように、W層16/TiN層15の酸化な
しに多結晶シリコン層14の側壁部とシリコン基板11
の表面のみを酸化できると同時に、高温で短時間の熱処
理のため、ソース・ドレインとなるn+ 型拡散層19
a、19bを過大に広げることなく、イオン注入した不
純物の活性化を行うことができる。
According to such a heat treatment step, FIG.
As shown in FIG. 3C, the side wall of the polysilicon layer 14 and the silicon substrate 11 are oxidized without oxidation of the W layer 16 / TiN layer 15.
Of the n + -type diffusion layer 19 serving as a source and a drain for heat treatment at a high temperature and for a short time.
The activation of the ion-implanted impurities can be performed without excessively expanding a and 19b.

【0046】以上説明した第3の実施例によると、シリ
コンの選択酸化と同時に拡散層の活性化を行なっている
ため、工程数を増やす事なく良好なゲート電極絶縁耐性
を有する半導体装置を製造することが可能である。
According to the third embodiment described above, since the diffusion layer is activated simultaneously with the selective oxidation of silicon, a semiconductor device having good gate electrode insulation resistance can be manufactured without increasing the number of steps. It is possible.

【0047】次に、本発明の第4の実施例に係る半導体
装置の製造工程について説明する。まず、W層/TiN
層/多結晶シリコン層を通常のフォトリソグラフィと反
応性イオンエッチング(RIE)を用いて順次選択的に
エッチングすることによりゲート電極18を形成する。
次いで、昇温時のガス雰囲気を水蒸気(H2 O)と窒素
(N2 )の混合ガス(全圧1気圧)とし、それぞれのガ
スの分圧比をH2 O:N2 =0.01:10に設定す
る。このような酸化性雰囲気中で150℃/分の昇温速
度を保ちつつ900℃に昇温し、温度一定で10分間加
熱処理する。これにより、W層/TiN層/多結晶シリ
コン層表面は酸化され、ゲート酸化膜は厚くなった。
Next, the manufacturing process of the semiconductor device according to the fourth embodiment of the present invention will be described. First, W layer / TiN
The gate electrode 18 is formed by sequentially and selectively etching the layer / polycrystalline silicon layer using normal photolithography and reactive ion etching (RIE).
Next, the gas atmosphere at the time of temperature rise was a mixed gas of steam (H 2 O) and nitrogen (N 2 ) (total pressure 1 atm), and the partial pressure ratio of each gas was H 2 O: N 2 = 0.01: Set to 10. In such an oxidizing atmosphere, the temperature is raised to 900 ° C. while maintaining the temperature rising rate at 150 ° C./min, and heat treatment is performed at a constant temperature for 10 minutes. As a result, the surface of the W layer / TiN layer / polycrystalline silicon layer was oxidized, and the gate oxide film became thick.

【0048】次に、ガスをH2 :N2 =1:10(全圧
1気圧)に変化させた後、この還元性雰囲気中で更に1
0分間加熱処理を行った後、−90℃/分の降温速度で
降温した。このように酸化性雰囲気から還元性雰囲気に
変えることにより、W層/TiN層表面の酸化膜は完全
に還元されたが、多結晶シリコン層側面の酸化膜並びに
ゲート酸化膜は還元されずに残すことが可能であった。
Next, after changing the gas to H 2 : N 2 = 1: 10 (total pressure 1 atm), the gas was further reduced to 1 in this reducing atmosphere.
After performing the heat treatment for 0 minutes, the temperature was lowered at a temperature reduction rate of -90 ° C / min. By changing from the oxidizing atmosphere to the reducing atmosphere, the oxide film on the surface of the W layer / TiN layer is completely reduced, but the oxide film on the side surface of the polycrystalline silicon layer and the gate oxide film remain without being reduced. It was possible.

【0049】このように、酸化と還元を交互に行うこと
で、シリコンの選択酸化と同様の効果をもたらす事がで
きる。図6に、W層表面の酸化量と、WOX 還元後のW
表面の平坦度を示す。W膜の膜厚に対し20%以下の酸
化量であれば、還元後の凹凸は10nm以下に抑えるこ
とが可能である。
As described above, by alternately performing the oxidation and the reduction, the same effect as the selective oxidation of silicon can be obtained. FIG. 6 shows the amount of oxidation on the surface of the W layer and the amount of W after reduction of WO X.
Shows the flatness of the surface. If the oxidation amount is 20% or less with respect to the thickness of the W film, the unevenness after reduction can be suppressed to 10 nm or less.

【0050】以上説明した第4の実施例によると、、水
の分圧を高くすることで酸化速度を向上させることが可
能であるとともに、その酸化量を一定限度に抑えること
で、還元後のゲート表面の平坦度が保たれるので、プロ
セス時間を短縮することが出来、かつ良好なゲート電極
絶縁耐性を有する半導体装置を製造することが可能であ
る。
According to the fourth embodiment described above, the oxidation rate can be increased by increasing the partial pressure of water, and the amount of oxidation can be suppressed to a certain limit to reduce the oxidation rate after reduction. Since the flatness of the gate surface is maintained, a process time can be reduced, and a semiconductor device having good gate electrode insulation resistance can be manufactured.

【0051】以上、本発明の種々の実施例について説明
したが、本発明は、上記実施例に限られるものではな
く、金属層としてPt、Pd、Rh、Ru、Niなどを
用い、金属窒化物層としてZrN、HfN、WNx など
を用いた金属積層構造に対しても適用可能である。ま
た、ゲ−ト電極は、シリコン層、金属窒化物層、金属層
の積層構造に限られることはなく、ゲ−ト絶縁膜上に金
属窒化物層、金属層をこの順に積層したメタルゲ−ト構
造としてもよい。その他、本発明の主旨を逸脱しない範
囲で種々変形して適用可能であることは言うまでもな
い。
Although the various embodiments of the present invention have been described above, the present invention is not limited to the above-described embodiments, but uses Pt, Pd, Rh, Ru, Ni, or the like as a metal layer, and uses a metal nitride. ZrN as a layer, HfN, is also applicable to metal laminate structures using, for example, WN x. The gate electrode is not limited to a laminated structure of a silicon layer, a metal nitride layer, and a metal layer, but is a metal gate in which a metal nitride layer and a metal layer are laminated in this order on a gate insulating film. It may have a structure. In addition, it goes without saying that various modifications can be made without departing from the spirit of the present invention.

【0052】[0052]

【発明の効果】以上詳述した如く、本発明によれば、多
層構造を有するゲート電極の熱処理の昇温及び降温速度
を制御することにより、ゲート電極を構成する金属窒化
物層及び金属層の酸化を招くことなく、ゲ−ト後酸化を
行なうことが可能である。それによって、熱処理時間を
短縮して、熱的負荷を軽減するとともに、ゲート耐圧を
向上させた半導体装置を高歩留りで製造することが可能
である。
As described above in detail, according to the present invention, by controlling the temperature rise and fall rates of the heat treatment of a gate electrode having a multilayer structure, the metal nitride layer and the metal layer constituting the gate electrode can be controlled. Post-gate oxidation can be performed without causing oxidation. Thus, the heat treatment time can be reduced, the thermal load can be reduced, and a semiconductor device with an improved gate breakdown voltage can be manufactured with a high yield.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】本発明の第1の実施例に係る半導体装置の製造
工程を示す断面図。
FIG. 1 is a sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.

【図2】本発明の第1の実施例における熱処理工程の基
板温度と水蒸気分圧の時間変化を示す特性図。
FIG. 2 is a characteristic diagram showing a temporal change of a substrate temperature and a partial pressure of water vapor in a heat treatment step in the first embodiment of the present invention.

【図3】本発明の第2の実施例に係る半導体装置の製造
工程を示す断面図。
FIG. 3 is a sectional view illustrating a manufacturing process of a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.

【図4】本発明の第2の実施例における熱処理工程の基
板温度と水蒸気分圧の時間変化を示す特性図。
FIG. 4 is a characteristic diagram showing a temporal change of a substrate temperature and a partial pressure of water vapor in a heat treatment step in a second embodiment of the present invention.

【図5】本発明の第3の実施例に係る半導体装置の製造
工程を示す断面図。
FIG. 5 is a sectional view showing a manufacturing process of a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention.

【図6】本発明の第4の実施例における熱処理工程のW
層表面の酸化量とWOx 還元後のW表面の平坦度を示す
特性図。
FIG. 6 shows W in a heat treatment step according to a fourth embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a characteristic diagram showing the oxidation amount of the layer surface and the flatness of the W surface after WO x reduction.

【図7】水蒸気分圧と昇降温速度との関係を示す特性
図。
FIG. 7 is a characteristic diagram showing a relationship between a partial pressure of steam and a temperature rise / fall rate.

【図8】気体の分圧と酸化の有無の関係を示す特性図。FIG. 8 is a characteristic diagram showing the relationship between the partial pressure of gas and the presence or absence of oxidation.

【図9】従来の半導体装置の製造工程を示す断面図。FIG. 9 is a sectional view showing a manufacturing process of a conventional semiconductor device.

【図10】従来の半導体装置の製造工程における熱処理
工程の基板温度と水蒸気分圧の時間変化を示す特性図。
FIG. 10 is a characteristic diagram showing a temporal change of a substrate temperature and a partial pressure of water vapor in a heat treatment step in a conventional semiconductor device manufacturing process.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

1…p型シリコン基板 2…フィールド絶縁膜 3a、3b…n+ 型拡散層 4…ゲート酸化膜 5…多結晶シリコン 6…窒化金属層 7…W層 8…ゲート電極 9…TiO2 膜 11…p型シリコン基板 12…フィールド酸化膜 13…シリコン酸化膜 14…多結晶シリコン層 15…TiN層 16…W層 17…TiO2 膜 18…ゲート電極 19a、19b…n+ 型拡散層1 ... p-type silicon substrate 2 ... field insulating film 3a, 3b ... n + -type diffusion layer 4 ... gate oxide film 5 ... polycrystalline silicon 6 ... metal nitride layer 7 ... W layer 8 ... gate electrode 9 ... TiO 2 film 11 ... p-type silicon substrate 12 ... field oxide film 13 ... silicon oxide film 14 ... polycrystalline silicon layer 15 ... TiN layer 16 ... W layer 17 ... TiO 2 film 18 ... gate electrodes 19a, 19b ... n + type diffusion layer

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 昭63−299273(JP,A) 特開 昭59−132136(JP,A) 特開 平3−119763(JP,A) 特開 平2−32537(JP,A) 特開 平5−102076(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/336 H01L 29/78 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-63-299273 (JP, A) JP-A-59-132136 (JP, A) JP-A-3-119763 (JP, A) JP-A-2- 32537 (JP, A) JP-A-5-102076 (JP, A) (58) Fields investigated (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 21/336 H01L 29/78

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】シリコン基板上にゲ−ト絶縁膜を介して金
属窒化物層及び金属層を含む積層構造を有するゲート電
極を形成する工程と、還元性気体、酸化性気体及び窒素
を含む雰囲気中で熱処理することにより前記シリコン基
板表面の酸化を行なう工程と、前記熱処理の工程の前後
において前記雰囲気中で前記シリコン基板の昇降温を行
なう工程とを具備し、前記昇降温の工程は、前記金属窒
化物層及び前記金属層の酸化によりそれぞれ形成される
金属酸化物層の膜厚が前記金属酸化物層及び前記金属層
の膜厚の20%以下となるように、50℃/分以上の速
度で行なうことを特徴とする半導体装置の製造方法。
A step of forming a gate electrode having a laminated structure including a metal nitride layer and a metal layer on a silicon substrate via a gate insulating film, and an atmosphere containing a reducing gas, an oxidizing gas and nitrogen. A step of oxidizing the surface of the silicon substrate by performing a heat treatment in the step; and a step of raising and lowering the temperature of the silicon substrate in the atmosphere before and after the step of performing the heat treatment. 50 ° C./min or more such that the thickness of the metal oxide layer formed by oxidizing the metal nitride layer and the metal layer is 20% or less of the thickness of the metal oxide layer and the metal layer, respectively. A method of manufacturing a semiconductor device, wherein the method is performed at a high speed.
【請求項2】シリコン基板上にゲ−ト絶縁膜を介して金
属窒化物層及び金属層を含む積層構造を有する電極を形
成する工程と、水素、水蒸気及び窒素を含む雰囲気中で
熱処理することにより前記シリコン基板表面の酸化を行
なう工程と、前記熱処理の工程の前後において前記シリ
コン基板の昇降温を行なう工程とを具備し、前記昇降温
の工程に先立ち、或いは該工程中に、シリコンの酸化反
応におけるギブスの自由エネルギーの変化ΔG°
(T)、前記金属層の金属の酸化反応におけるギブスの
自由エネルギーの変化ΔG°(T)、および金属窒化
物の酸化反応におけるギブスの自由エネルギーの変化Δ
°(T)が、下記式(1)〜(3)を満たすよう
に、前記雰囲気中に含まれる気体の分圧を制御すること
を特徴とする半導体装置の製造方法。 ΔG°(T)≧−4.575×T×2log(PH2/PH2O)…(1) ΔG°(T)≦−4.575×T×2log(PH2/PH2O)…(2) ΔG°(T)≦−4.575×T ×{1/2[logPN2+2log(PH2/PH2O)]} …(3)
2. A step of forming an electrode having a laminated structure including a metal nitride layer and a metal layer on a silicon substrate via a gate insulating film, and performing a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen, water vapor and nitrogen. And a step of raising and lowering the temperature of the silicon substrate before and after the step of heat treatment, and oxidizing silicon before or during the step of raising and lowering the temperature. Change in Gibbs free energy in the reaction ΔG 1 °
(T), change in Gibbs free energy in the oxidation reaction of the metal of the metal layer ΔG 2 ° (T), and change in Gibbs free energy in the oxidation reaction of the metal nitride Δ
G 3 ° (T) The method for forming a semiconductor device characterized by so as to satisfy the following formulas (1) to (3), controlling the partial pressure of the gas contained in said atmosphere. ΔG 1 ° (T) ≧ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ) (1) ΔG 2 ° (T) ≦ −4.575 × T × 2 log (P H2 / P H2O ). 2) ΔG 3 ° (T) ≦ −4.575 × T × {1/2 [logP N2 + 2log (P H2 / P H2O )]} (3)
JP23678393A 1993-09-22 1993-09-22 Method for manufacturing semiconductor device Expired - Fee Related JP3277043B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23678393A JP3277043B2 (en) 1993-09-22 1993-09-22 Method for manufacturing semiconductor device

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP23678393A JP3277043B2 (en) 1993-09-22 1993-09-22 Method for manufacturing semiconductor device

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JPH0794716A JPH0794716A (en) 1995-04-07
JP3277043B2 true JP3277043B2 (en) 2002-04-22

Family

ID=17005733

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP23678393A Expired - Fee Related JP3277043B2 (en) 1993-09-22 1993-09-22 Method for manufacturing semiconductor device

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP3277043B2 (en)

Families Citing this family (16)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5907188A (en) * 1995-08-25 1999-05-25 Kabushiki Kaisha Toshiba Semiconductor device with conductive oxidation preventing film and method for manufacturing the same
JPH10335652A (en) 1997-05-30 1998-12-18 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device
JPH11330468A (en) * 1998-05-20 1999-11-30 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device
US6187674B1 (en) * 1998-12-08 2001-02-13 United Microelectronics Corp. Manufacturing method capable of preventing corrosion and contamination of MOS gate
JP2000349285A (en) * 1999-06-04 2000-12-15 Hitachi Ltd Manufacture of semiconductor integrated circuit device and the semiconductor integrated circuit device
US6555407B1 (en) 1999-10-26 2003-04-29 Zarlink Semiconductor Ab Method for the controlled oxidiation of materials
GB2355850A (en) * 1999-10-26 2001-05-02 Mitel Semiconductor Ab Forming oxide layers in semiconductor layers
US7049187B2 (en) 2001-03-12 2006-05-23 Renesas Technology Corp. Manufacturing method of polymetal gate electrode
KR100650467B1 (en) 2001-03-12 2006-11-28 가부시키가이샤 히타치세이사쿠쇼 Semiconductor integrated circuit device and process for producing the same
JP4257055B2 (en) 2001-11-15 2009-04-22 株式会社ルネサステクノロジ Manufacturing method of semiconductor integrated circuit device
JP2004319722A (en) 2003-04-16 2004-11-11 Hitachi Ltd Semiconductor integrated circuit device and its manufacturing method
JP2005101141A (en) 2003-09-24 2005-04-14 Renesas Technology Corp Semiconductor integrated circuit device and its manufacturing method
JP4706260B2 (en) * 2004-02-25 2011-06-22 東京エレクトロン株式会社 Process for oxidizing object, oxidation apparatus and storage medium
JP2007165788A (en) * 2005-12-16 2007-06-28 Tokyo Electron Ltd Decarbonization treatment method of metallic film, deposition method, and method for manufacturing semiconductor device
WO2010026624A1 (en) * 2008-09-02 2010-03-11 株式会社 東芝 Method for fabricating nonvolatile semiconductor memory device
JP5396180B2 (en) * 2009-07-27 2014-01-22 東京エレクトロン株式会社 Selective oxidation treatment method, selective oxidation treatment apparatus, and computer-readable storage medium

Also Published As

Publication number Publication date
JPH0794716A (en) 1995-04-07

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP3277043B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JP5902748B2 (en) Methods and devices for improving salicide resistance on polycrystalline silicon gates
US6198144B1 (en) Passivation of sidewalls of a word line stack
JP3781666B2 (en) Method for forming gate electrode and gate electrode structure
JP2005019943A (en) Nickel alloy salicide process, method for manufacturing semiconductor device using the same, nickel alloy silicide film formed therefrom and semiconductor device manufactured by using the same
JPH10223900A (en) Semiconductor device and its manufacture
WO2007060797A1 (en) Semiconductor device and method for manufacturing same
JP3149406B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
JPH10223889A (en) Mis transistor and its manufacture
JP3350246B2 (en) Method for manufacturing semiconductor device
KR100755121B1 (en) Method for forming electrode structure and method for fabricating semiconductor device
JP2006522481A (en) Gate electrode for MOS transistor
JP4533155B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JPH07254574A (en) Formation of electrode
US8168522B2 (en) Method for fabricating semiconductor device
JPH10270380A (en) Semiconductor device
JP4347479B2 (en) Field effect transistor
JPH11289087A (en) Semiconductor device and its manufacture
JP3976577B2 (en) Method for manufacturing gate electrode
KR100819685B1 (en) Manufacturing method of semiconductor device
JP2918914B2 (en) Semiconductor device and manufacturing method thereof
JPH09283464A (en) Manufacture of semiconductor device
US20040147102A1 (en) Production method for a semiconductor component
JPH061774B2 (en) Semiconductor device
KR20000067046A (en) Method for forming gate of semiconductor device

Legal Events

Date Code Title Description
FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080208

Year of fee payment: 6

FPAY Renewal fee payment (event date is renewal date of database)

Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090208

Year of fee payment: 7

LAPS Cancellation because of no payment of annual fees