JP3437111B2 - Method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for manufacturing semiconductor device

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JP3437111B2
JP3437111B2 JP03549499A JP3549499A JP3437111B2 JP 3437111 B2 JP3437111 B2 JP 3437111B2 JP 03549499 A JP03549499 A JP 03549499A JP 3549499 A JP3549499 A JP 3549499A JP 3437111 B2 JP3437111 B2 JP 3437111B2
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Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】[0001]

【発明の属する技術分野】本発明は、高融点金属シリサ
イド膜とポリシリコンなどの半導体膜からなる積層電極
配線膜を有する半導体装置の製造方法、特にタングステ
ンシリサイド(WSi)膜とポリシリコン(PS)膜と
の積層膜を主体とするゲート電極用積層膜の製造方法に
関わる。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device having a laminated electrode wiring film composed of a refractory metal silicide film and a semiconductor film such as polysilicon, and more particularly to a tungsten silicide (WSi) film and polysilicon (PS). The present invention relates to a method of manufacturing a laminated film for a gate electrode, which mainly includes a laminated film with a film.

【0002】[0002]

【従来の技術】近年、半導体集積回路装置の素子パター
ンの微細化や、素子動作の高速化の要請が高まってお
り、半導体集積回路装置中の配線の低抵抗化が求められ
ている。配線の中でもゲート配線はその一部がMOSト
ランジスタのゲート電極として機能するものであって、
素子特性の機能を左右する重要な部材である。かかるゲ
ート配線の低抵抗化のための1つの手段としてタングス
テンシリサイド(WSi)膜とリンなどの不純物をドー
プしたポリシリコン(DPS)膜との積層膜がゲート電
極として多用されている。
2. Description of the Related Art In recent years, there has been an increasing demand for miniaturization of element patterns of semiconductor integrated circuit devices and speedup of element operation, and there has been a demand for lower resistance of wirings in semiconductor integrated circuit devices. Among the wirings, a part of the gate wiring functions as the gate electrode of the MOS transistor,
It is an important member that affects the function of device characteristics. As one means for reducing the resistance of the gate wiring, a stacked film of a tungsten silicide (WSi) film and a polysilicon (DPS) film doped with impurities such as phosphorus is often used as a gate electrode.

【0003】WSi膜とDPS膜との積層膜をゲート電
極として用いる場合、半導体集積回路装置の製造工程に
おいて電極形成後の熱処理により、(1)WSi膜のD
PS膜からの剥がれ、(2)下地段差部における断線、
(3)DPS膜を単膜で用いた場合に比べた場合のゲー
ト酸化膜の膜厚の増大、(4)フラットバンド電圧や絶
縁破壊電荷量(Qbd)などの電気特性の劣化など、様
々な不都合が生じる。
When a laminated film of a WSi film and a DPS film is used as a gate electrode, (1) D of the WSi film is formed by heat treatment after the electrode formation in the manufacturing process of the semiconductor integrated circuit device.
Peeling from the PS film, (2) disconnection in the stepped portion of the base,
(3) The thickness of the gate oxide film is increased compared to the case where the DPS film is used as a single film, (4) Degradation of electric characteristics such as flat band voltage and dielectric breakdown charge amount (Qbd), etc. Inconvenience occurs.

【0004】このうち、上記問題(1)の原因は熱処理
時にWSi膜に作用する応力の変化である。また、上記
問題(2)は段差部などにおける熱処理によるWSi膜
応力の変化によるクラックの発生により起こる。これら
の2つの問題を解決するために方法として、WSi膜上
にシリコン酸化膜、シリコン窒化膜、あるいはリン・ケ
イ酸ガラス(PSG)膜の層を形成する方法(特開平8
−88198号公報)が提案されている。
Of these, the cause of the problem (1) is a change in stress acting on the WSi film during heat treatment. Further, the above problem (2) is caused by the generation of cracks due to the change in the stress of the WSi film due to the heat treatment in the step portion or the like. As a method for solving these two problems, a method of forming a layer of a silicon oxide film, a silicon nitride film, or a phosphorous silicate glass (PSG) film on a WSi film (Japanese Patent Laid-Open Publication No. Hei 8)
No. 88,198) is proposed.

【0005】[0005]

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記公
報に記載されている従来の積層配線によっては、膜剥が
れ、断線等の不都合は抑制できるかもしれないが、ゲー
ト酸化膜の膜厚増大現象やフラットバンド電圧やQbd
の電気特性の劣化などの不都合を解決することはできな
い。
However, although the problems such as film peeling and wire breakage may be suppressed by the conventional laminated wiring described in the above publication, the phenomenon of increase in the thickness of the gate oxide film and the flatness may be suppressed. Band voltage and Qbd
It is not possible to solve the inconveniences such as the deterioration of the electric characteristics of.

【0006】酸化膜の膜厚増大現象(例えばVivec
Jain and K.C.Saraswat,Sy
mposium on VLSI Technolog
y,Digest of Technocal Pap
ers,9ページ,(1991))は、以下の原因によ
るものと考えられる。WSi膜成膜に使う材料ガスであ
る6フッ化タングステン(WF6)中のフッ素が、DP
S膜─WSi膜間の界面やDPS膜─下地酸化膜間の界
面のシリコン原子のダングリングボンドと結合すると、
その後の熱処理によりこのフッ素が酸素に置換される。
その結果、成膜直後より厚く酸化膜が成長している。
Phenomenon of increasing film thickness of oxide film (for example, Vivec)
Jain and K. C. Saraswat, Sy
mposium on VLSI Technology
y, Digest of Technical Pap
ers, page 9, (1991)) is considered to be due to the following causes. Fluorine in tungsten hexafluoride (WF 6 ) which is a material gas used for forming the WSi film is changed to DP.
When bonded to the dangling bond of silicon atoms at the interface between the S film and the WSi film and the interface between the DPS film and the underlying oxide film,
The subsequent heat treatment replaces this fluorine with oxygen.
As a result, the oxide film grows thicker than immediately after the film formation.

【0007】今後、ますます素子寸法が微細化されてい
くに伴い、トランジスタ特性の精密制御、安定化への要
求は一層強くなることは明らかであり、このためにはゲ
ート酸化膜の膜厚、およびゲート酸化膜の膜質安定化が
最重要課題となる。従って、上記酸化膜の膜厚増大現象
の抑制や電気特性の安定化を行う必要がある。
It is clear that the demand for precise control and stabilization of transistor characteristics will become stronger as the device dimensions are further miniaturized in the future. And the stabilization of the quality of the gate oxide film is the most important issue. Therefore, it is necessary to suppress the phenomenon of increasing the thickness of the oxide film and stabilize the electrical characteristics.

【0008】上記問題に鑑み、本発明の目的は、WSi
膜とDPS膜の積層膜をゲート電極として用いた場合で
も、トランジスタのゲート酸化膜の膜厚増大現象を抑制
した半導体装置、および劣化のない優れた電気特性を有
する半導体装置の製造方法を提供することである。
In view of the above problems, the object of the present invention is to provide WSi.
Provided are a semiconductor device in which a phenomenon of increasing the thickness of a gate oxide film of a transistor is suppressed even when a stacked film of a film and a DPS film is used as a gate electrode, and a method for manufacturing a semiconductor device having excellent electrical characteristics without deterioration. That is.

【0009】[0009]

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体装置
の製造方法は、基板上の酸化膜の上にシリコン膜を形成
する工程(a)と、上記シリコン膜の上に高融点金属シ
リサイド膜を形成する工程(b)と、シリコンと水素と
からなり、熱分解して水素を発生する化合物ガス雰囲気
に曝す工程(c)とを含み、上記工程(a)と上記工程
(b)とを同一チャンバー内で連続的に行い、かつ、そ
の間の基板温度の変化が所定範囲内に収まるように調節
する方法である。
Method of manufacturing a semi-conductor device according to the present invention SUMMARY OF THE INVENTION may, (a) forming a silicon film on the oxide film on the substrate, a refractory metal silicide on said silicon film Step (b) of forming a film , silicon and hydrogen
Consisting of a compound gas atmosphere that thermally decomposes to generate hydrogen
And step (c) in which the substrate temperature is changed within a predetermined range by continuously performing the step (a) and the step (b) in the same chamber. Is the way.

【0010】 これにより、熱ストレスが加わらないの
で、上記酸化膜─上記シリコン膜間の界面に結合した水
素の脱離を防止することができる。よって、フラットバ
ンド電圧やQbdの電気特性の劣化を防止することがで
きる。さらに、積層膜成長後に熱処理を加えても、上記
シリコン膜中にフッ素がほとんど存在しないため、フッ
素と酸素の置換によるゲート酸化膜の膜厚増大現象が抑
制される。また、上記高融点金属シリサイド膜/上記シ
リコン膜に上記高融点金属シリサイド膜の上から水素を
供給することにより、電気特性を改善する効果も発揮す
る。
With this, since thermal stress is not applied, desorption of hydrogen bonded to the interface between the oxide film and the silicon film can be prevented. Therefore, it is possible to prevent deterioration of the flat band voltage and the electrical characteristics of Qbd. Furthermore, even if heat treatment is applied after growing the laminated film,
Since there is almost no fluorine in the silicon film,
The phenomenon of increasing the thickness of the gate oxide film due to the substitution of oxygen for oxygen is suppressed.
Controlled. Further, the refractory metal silicide film / the shield
Hydrogen is applied to the reconstituted film from above the refractory metal silicide film.
By supplying, it also has the effect of improving the electrical characteristics.
It

【0011】[0011]

【0012】[0012]

【0013】[0013]

【0014】 上記半導体装置の製造方法において、上
記工程(c)までの間の基板温度の変化が所定範囲内に
収まるように調節することにより、熱ストレスが加わら
ないので、上記酸化膜─上記シリコン膜間の界面に結合
した水素の脱離をさらに防止することができる。よっ
て、フラットバンド電圧やQbdの電気特性の劣化をさ
らに防止することができる。
[0014] In the method for manufacturing the semi-conductor device, by changing the substrate temperature until the step (c) is adjusted so as to fall within a predetermined range, the heat stress is not applied, the oxide film ─ the It is possible to further prevent desorption of hydrogen bonded to the interface between the silicon films. Therefore, the deterioration of the flat band voltage and the electrical characteristics of Qbd can be further prevented.

【0015】 上記半導体装置の製造方法において、上
基板温度の変化を上記シリコン膜の形成工程時の基板
温度プラスマイナス20℃の範囲内とすることにより、
上記酸化膜─上記シリコン膜間の界面に結合した水素の
脱離をさらに防止することができる。よって、フラット
バンド電圧やQbdの電気特性の劣化をさらに防止する
ことができる。
In the method of manufacturing the semi-conductor device, the change of the substrate temperature by the range of the substrate temperature ± 20 ° C. during the formation process of the silicon film,
It is possible to further prevent desorption of hydrogen bonded to the interface between the oxide film and the silicon film. Therefore, the deterioration of the flat band voltage and the electrical characteristics of Qbd can be further prevented.

【0016】[0016]

【0017】 上記半導体装置の製造方法において、上
記工程(b)において、6フッ化タングステン(WF
6)ガスを用いてタングステンシリサイド(WSi)膜
からなる高融点金属シリサイド膜を形成することができ
る。
[0017] In the method for manufacturing the semi-conductor device, in the step (b), 6 tungsten hexafluoride (WF
6) A refractory metal silicide film made of a tungsten silicide (WSi) film can be formed by using gas.

【0018】 上記半導体装置の製造方法において、上
記基板温度は、450〜700℃であることが好まし
い。
[0018] In the method for manufacturing the semi-conductor device, the substrate temperature is preferably 450-700 ° C..

【0019】[0019]

【発明の実施の形態】最初に、本実施形態に係る製造方
法に従って形成された半導体装置について説明する。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS First, a semiconductor device formed by the manufacturing method according to this embodiment will be described.

【0020】図1は、本実施形態に係る製造方法に従っ
て形成された半導体装置、特にポリサイド構造を有する
MOSトランジスタを示す断面図である。ホウ素等を不
純物として含むP型シリコン基板10上にはゲート酸化
膜11とゲート電極15とが下から順次積み上げられて
いる。このゲート電極15は、リンを含むポリシリコン
膜であるDPS膜12と、WSi膜13と、ポリシリコ
ン膜からなるCAP膜14とが下から順次積み上げられ
た構造となっている。また、下地となるP型シリコン基
板中のゲート電極15の両側方に位置する領域にはソー
ス領域16、およびドレイン領域17が設けられてい
る。このソース領域16、およびドレイン領域17は、
いずれにも、ヒ素、あるいはリン等を高濃度にシリコン
基板に導入することにより形成されたものである。本実
施形態の半導体装置においては、ゲート電極15に電圧
を印加すると、P型シリコン基板10のゲート酸化膜1
1直下に位置する領域(チャネル領域)に反転層が生じ
ることによりソース領域16─ドレイン領域17間に電
流が流れることになる。
FIG. 1 is a sectional view showing a semiconductor device formed by the manufacturing method according to this embodiment, particularly a MOS transistor having a polycide structure. A gate oxide film 11 and a gate electrode 15 are sequentially stacked from the bottom on a P-type silicon substrate 10 containing boron as an impurity. The gate electrode 15 has a structure in which a DPS film 12 that is a polysilicon film containing phosphorus, a WSi film 13, and a CAP film 14 that is a polysilicon film are sequentially stacked from the bottom. Further, a source region 16 and a drain region 17 are provided in regions located on both sides of the gate electrode 15 in the P-type silicon substrate as a base. The source region 16 and the drain region 17 are
Both of them are formed by introducing arsenic, phosphorus, or the like into a silicon substrate at a high concentration. In the semiconductor device of this embodiment, when a voltage is applied to the gate electrode 15, the gate oxide film 1 of the P-type silicon substrate 10 is
A current flows between the source region 16 and the drain region 17 due to the formation of the inversion layer in the region (channel region) located immediately below 1.

【0021】次に、本実施形態に係るMOSトランジス
タの製造工程について説明する。図2(a)〜(e)
は、本実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程を
示す断面図である。
Next, the manufacturing process of the MOS transistor according to this embodiment will be described. 2 (a) to (e)
FIG. 7A is a sectional view showing a manufacturing process of the MOS transistor according to the present embodiment.

【0022】まず、図2(a)に示す工程において、熱
酸化によりP型シリコン基板10上にゲート酸化膜11
を8nm程度の膜厚となるまで成長させる。
First, in the step shown in FIG. 2A, the gate oxide film 11 is formed on the P-type silicon substrate 10 by thermal oxidation.
Is grown to a film thickness of about 8 nm.

【0023】次に、図2(b)に示す工程において、材
料ガスとしてSiH4 (モノシラン)、PH3(フォス
フィン)をCVD処理装置内のチャンバーに圧力100
〜6000Paで導入し、基板温度を450〜700℃
に設定することにより、ゲート酸化膜11の上に、膜厚
100nm程度のDPS膜12を成長させる。
Next, in the step shown in FIG. 2B, SiH 4 (monosilane) and PH 3 (phosphine) are used as material gases in a chamber in the CVD processing apparatus at a pressure of 100.
Introduced at ~ 6000Pa, substrate temperature 450 ~ 700 ℃
By setting the above, the DPS film 12 having a film thickness of about 100 nm is grown on the gate oxide film 11.

【0024】次に、図2(c)に示す工程において、材
料ガスとしてWF6(6弗化タングステン)、Si
4 、SiH2Cl2(ジクロルシラン)をCVD処理装
置内のチャンバーに圧力100〜6000Paで導入
し、基板温度を450〜700℃に維持することによ
り、DPS膜12の上に膜厚100nm程度のWSi膜
13を成長させる。このとき、特にDPS膜12を成長
させてからWSi膜13を成長させるまでの間、基板温
度を、上記DPS膜12の成長時の温度とほぼ同じ値に
維持する。そのために、本実施形態では、所定温度に設
定されたサセプタに基板を設置し、DPS膜12を成長
させた後、基板を別チャンバーに搬送しないで同一チャ
ンバー内の同一サセプタに固定したままで、次の工程で
あるWSi膜13の成長処理を行っている。
Next, in the step shown in FIG. 2C, WF 6 (tungsten hexafluoride) and Si are used as material gases.
By introducing H 4 and SiH 2 Cl 2 (dichlorosilane) into the chamber of the CVD processing apparatus at a pressure of 100 to 6000 Pa and maintaining the substrate temperature at 450 to 700 ° C., a film thickness of about 100 nm is formed on the DPS film 12. The WSi film 13 is grown. At this time, particularly during the period from the growth of the DPS film 12 to the growth of the WSi film 13, the substrate temperature is maintained at substantially the same value as the temperature during the growth of the DPS film 12. Therefore, in the present embodiment, the substrate is placed on the susceptor set to a predetermined temperature, the DPS film 12 is grown, and then the substrate is not transferred to another chamber but fixed to the same susceptor in the same chamber. The WSi film 13 is grown in the next step.

【0025】次に、図2(d)に示す工程において、同
一チャンバー内で同じサセプタ上に基板をおいた状態
で、材料ガスとしてSiH4 をCVD処理装置内のチャ
ンバーに圧力100〜6000Paで導入し、基板温度
を450〜700℃の範囲に維持することにより、WS
i膜13の上に膜厚5nm以上のCAP膜14を成長さ
せる(以下ではこの処理を「CAP膜14の成長」とい
う)。ただし、WSi膜13の成膜後、SiH4 をチャ
ンバー内に流し、基板を10秒以上SiH4雰囲気に曝
してもよい(以下ではこの処理を「SiH4雰囲気の曝
露処理」という)。このときには、SiH4の流量ある
いは圧力が充分大きければCAP膜14が成長すること
と同じになるが、SiH4 を流す条件によってはほとん
どCAP膜14が成長しないこともある。SiH4 雰囲
気の曝露処理もまた、上記DPS膜12成長時からの基
板温度を連続的に同じに維持して行う。
Next, in the step shown in FIG. 2D, SiH 4 is introduced as a material gas into the chamber in the CVD processing apparatus at a pressure of 100 to 6000 Pa while the substrate is placed on the same susceptor in the same chamber. Then, by maintaining the substrate temperature in the range of 450 to 700 ° C., WS
A CAP film 14 having a thickness of 5 nm or more is grown on the i film 13 (hereinafter, this processing is referred to as "growth of the CAP film 14"). However, after the WSi film 13 is formed, SiH 4 may be flown into the chamber and the substrate may be exposed to the SiH 4 atmosphere for 10 seconds or more (hereinafter, this processing is referred to as “SiH 4 atmosphere exposure processing”). At this time, if the flow rate or pressure of SiH 4 is sufficiently large, the CAP film 14 grows. However, depending on the condition of flowing SiH 4 , the CAP film 14 may hardly grow. The exposure treatment in the SiH 4 atmosphere is also performed by continuously maintaining the same substrate temperature from the time of growing the DPS film 12.

【0026】さらに、図2(e)に示す工程において、
ドライエッチングによりゲート電極のパターンを得た
後、砒素イオン(As+)又は燐イオン(P+)のイオン
注入を行う。さらに、この後に熱処理を行うことによ
り、イオン注入で発生した結晶構造の損傷を回復する。
このようにしてMOSトランジスタを完成させる。
Further, in the step shown in FIG.
After obtaining the pattern of the gate electrode by dry etching, arsenic ion (As + ) or phosphorus ion (P + ) is ion-implanted. Further, a heat treatment is performed thereafter to recover the damage of the crystal structure generated by the ion implantation.
In this way, the MOS transistor is completed.

【0027】ただし、WSi膜13成長時の基板温度を
上記のようにDPS膜12成長時の基板温度と全く同じ
とするだけでなく異なる値とすることも可能である。こ
の場合の許容範囲はDPS膜12成長時の基板温度プラ
スマイナス約20℃である。すなわち、DPS膜12成
長時の基板温度を450℃とした場合には、WSi膜1
3成長時の基板温度は470℃までは許容されるのであ
る。このことは、CAP膜14の成長時の基板温度や、
SiH4 雰囲気の曝露処理時の基板温度についてもいえ
ることである。
However, the substrate temperature at the time of growing the WSi film 13 may not be exactly the same as the substrate temperature at the time of growing the DPS film 12, but may be a different value. In this case, the allowable range is the substrate temperature during the growth of the DPS film 12 plus or minus about 20 ° C. That is, when the substrate temperature during the growth of the DPS film 12 is 450 ° C., the WSi film 1
3. The substrate temperature during the growth is allowed up to 470 ° C. This means that the substrate temperature during the growth of the CAP film 14,
The same applies to the substrate temperature during the exposure treatment in the SiH 4 atmosphere.

【0028】本実施形態に係る製造方法によれば、フッ
素によるゲート酸化膜の膜厚増大の防止およびフラット
バンド電圧やQbdの電気特性の劣化などのトランジス
タの電気的特性の改善をすることができる。以下、これ
らについて説明する。
According to the manufacturing method of this embodiment, it is possible to prevent the film thickness of the gate oxide film from increasing due to fluorine and to improve the electrical characteristics of the transistor such as the deterioration of the flat band voltage and the electrical characteristics of Qbd. . These will be described below.

【0029】まず、ゲート酸化膜の膜厚増大の防止の効
果について説明する。
First, the effect of preventing an increase in the thickness of the gate oxide film will be described.

【0030】1回目のWSi膜成長後の処理チャンバー
内には、WF6が分解した残留フッ素が充満し、また、
その一部はチャンバー内壁や治具に付着していると考え
られる。したがって、従来の方法では、WSi膜とDP
S膜を別々の処理チャンバーで成膜していても、残留フ
ッ素が充満した処理チャンバーに、次のDPS膜成膜後
の基板が搬送されるため、特にWSi膜とDPS膜との
間の界面にフッ素が取り込まれる。この後の高温熱処理
によって、フッ素がゲート酸化膜とDPS膜との間の界
面まで移動し、ゲート酸化膜に取り込まれることによ
り、膜厚増大現象が発生しているものと思われる。
The processing chamber after the first WSi film growth is filled with residual fluorine decomposed by WF 6 , and
Part of it is considered to be attached to the inner wall of the chamber and the jig. Therefore, according to the conventional method, the WSi film and the DP are
Even if the S film is formed in different processing chambers, the substrate after the next DPS film formation is transferred to the processing chamber filled with residual fluorine, so that especially the interface between the WSi film and the DPS film is Fluorine is taken into. It is considered that, by the high temperature heat treatment thereafter, fluorine moves to the interface between the gate oxide film and the DPS film and is taken into the gate oxide film, so that the phenomenon of increasing the film thickness occurs.

【0031】しかし、本実施形態においては、WSi膜
13成長後の工程であるCAP膜14の成長、あるいは
SiH4 雰囲気の曝露処理において、SiH4 により処
理チャンバー内の残留フッ素がゲッタリングされ、処理
チャンバー内から除去される。よって、本実施形態にお
いて、次に処理するシリコン基板をCVD処理チャンバ
ーに搬送し、その後DPS膜を成長させても、CVD処
理チャンバー内にフッ素が残留していないため、DPS
膜中にはフッ素がほとんど存在しなくなる。これによ
り、積層膜成長後に熱処理を加えても、DPS膜中にフ
ッ素がほとんど存在しないため、フッ素と酸素の置換に
よるゲート酸化膜の膜厚増大現象が抑制される。
[0031] However, in the present embodiment, the growth of the CAP film 14 is WSi film 13 after growth step, or in exposure treatment of SiH 4 atmosphere, residual fluorine in the process chamber is gettered by SiH 4, processing Removed from inside the chamber. Therefore, in the present embodiment, even if the silicon substrate to be processed next is transferred to the CVD processing chamber and the DPS film is grown thereafter, fluorine does not remain in the CVD processing chamber, so that DPS
Almost no fluorine is present in the film. As a result, even if heat treatment is applied after growth of the laminated film, fluorine hardly exists in the DPS film, so that the phenomenon of increasing the film thickness of the gate oxide film due to the replacement of fluorine with oxygen is suppressed.

【0032】次に、トランジスタの電気的特性劣化の防
止の効果について説明する。
Next, the effect of preventing the deterioration of the electrical characteristics of the transistor will be described.

【0033】発明者らは、様々な実験の結果、WSi膜
/DPS膜二層構造ゲートにおける電気特性の劣化につ
いて次のような知見を得た。すなわち、上記従来の方法
によるのでは、WSi膜とDPS膜は別々のチャンバー
で成膜しているため、DPS膜成膜後にWSi膜を成膜
する際、処理チャンバー間の基板搬送によって基板が冷
却される。しかし、WSi膜を成膜するため再び基板は
加熱される。したがって、基板温度が短時間に急峻に変
化するため基板に対し大きな熱ストレスが加わる。よっ
て、ゲート酸化膜─DPS膜間の界面に存在しているダ
ングリングボンドに本来結合している、水素(DPS膜
成長時にSiH4 から遊離したもの)が、この熱ストレ
スによって脱離している可能性を見い出した。今まで結
合していた水素が界面から離脱すると考えれば、界面準
位が変化することにより、フラットバンド電圧やQbd
のような電気特性が劣化することを理解することができ
る。一方、DPS単層膜(従来のポリシリコンゲートに
対応する)の製造工程の場合は、単層膜ゆえ、WSi膜
/DPS膜二層構造の製造工程において生じるWSi膜
堆積後の熱ストレスによる水素の離脱がほとんど起こら
ない。よって、DPS単層膜においては電気特性の劣化
が生じないと考えられる。
As a result of various experiments, the inventors have obtained the following findings regarding the deterioration of the electrical characteristics of the WSi film / DPS film double-layered gate. That is, according to the above-mentioned conventional method, since the WSi film and the DPS film are formed in different chambers, when the WSi film is formed after the DPS film is formed, the substrate is cooled by the substrate transfer between the processing chambers. To be done. However, the substrate is heated again to form the WSi film. Therefore, since the substrate temperature changes abruptly in a short time, a large thermal stress is applied to the substrate. Therefore, hydrogen (which was liberated from SiH 4 when the DPS film was grown), which was originally bonded to the dangling bond existing at the interface between the gate oxide film and the DPS film, could be desorbed by this thermal stress. I found sex. Assuming that the hydrogen that has been bonded up to now is released from the interface, the change in the interface state causes the flat band voltage and Qbd
It can be understood that such electrical characteristics are deteriorated. On the other hand, in the case of the manufacturing process of the DPS single layer film (corresponding to the conventional polysilicon gate), the hydrogen is caused by the thermal stress after the deposition of the WSi film that occurs in the manufacturing process of the WSi film / DPS film double layer structure because of the single layer film. Withdrawal rarely occurs. Therefore, it is considered that the electrical characteristics of the DPS single layer film do not deteriorate.

【0034】そこで、本実施形態に係る製造方法におい
て、図1のDPS膜12の成長後からWSi膜13の成
長直前までの間、およびWSi膜13の成長工程におい
て、基板温度を上記DPS膜成長時の温度とほぼ等しい
値に維持するようにすれば、熱ストレスを避けることが
できる。したがって、この工程によると、ゲート酸化膜
11─DPS膜12間の界面に結合した水素が脱離する
ことがなくなる。よって、フラットバンド電圧やQbd
の電気特性の劣化を防止することができる。CAP膜1
4の成長あるいはSiH4 雰囲気の曝露処理において
も、WSi膜13の成長工程時における基板温度を維持
するので、同様の効果が得られる。
Therefore, in the manufacturing method according to the present embodiment, the substrate temperature is set to the above-described DPS film growth during the period from after the growth of the DPS film 12 to immediately before the growth of the WSi film 13 and in the growth step of the WSi film 13. Thermal stress can be avoided by keeping the temperature at about the same time. Therefore, according to this step, hydrogen bonded to the interface between the gate oxide film 11 and the DPS film 12 will not be desorbed. Therefore, the flat band voltage and Qbd
It is possible to prevent deterioration of the electrical characteristics of the. CAP film 1
Also in the growth of No. 4 or the exposure treatment in the SiH 4 atmosphere, the same effect can be obtained because the substrate temperature during the growth step of the WSi film 13 is maintained.

【0035】また、CAP膜14の成長あるいはSiH
4 雰囲気の曝露処理は、上記したように残留フッ素を減
少させるだけでなく、図2(b)のDPS膜12の成長
時ほど直接的ではないが、WSi膜/DPS膜ゲート電
極にWSi膜の上から水素を供給することにより、電気
特性を改善する効果も発揮する。この処理中に、SiH
4 は熱分解されて水素を発生し、それがゲート電極に取
り込まれ、DPS膜12─ゲート酸化膜11間の界面に
到達するからである。
The growth of the CAP film 14 or SiH
The 4 atmosphere exposure process not only reduces the residual fluorine as described above, but is not as direct as when growing the DPS film 12 of FIG. By supplying hydrogen from above, an effect of improving electric characteristics is also exhibited. During this process, SiH
This is because 4 is thermally decomposed to generate hydrogen, which is taken into the gate electrode and reaches the interface between the DPS film 12 and the gate oxide film 11.

【0036】本実施形態ではCAP膜14をポリシリコ
ン膜により構成したが、PH3 を添加したDPS膜やア
モルファスシリコン膜により構成してもよい。また、C
VD法によるWSi膜13の成膜時には、配線の低抵抗
化のため、PH3 を材料ガスとして添加してもよい。ま
た、本実施形態ではMOSトランジスタをN型のソース
領域、およびドレイン領域とを有するnチャネルMOS
トランジスタとして説明したが、P型のソース領域、お
よびドレイン領域とを有するpチャネルMOSトランジ
スタでもよい。
Although the CAP film 14 is made of a polysilicon film in the present embodiment, it may be made of a DPS film to which PH 3 is added or an amorphous silicon film. Also, C
When forming the WSi film 13 by the VD method, PH 3 may be added as a material gas in order to reduce the resistance of the wiring. In the present embodiment, the MOS transistor is an n-channel MOS having an N-type source region and a drain region.
Although described as a transistor, a p-channel MOS transistor having a P-type source region and a drain region may be used.

【0037】次に、ゲート酸化膜の膜厚、およびフラッ
トバンド電圧やQbdの電気特性の測定結果結果につい
て説明する。
Next, the result of measurement of the film thickness of the gate oxide film, the flat band voltage, and the electrical characteristics of Qbd will be described.

【0038】ここで用いたサンプルは、まず、ゲート電
極パターンを得るためにエッチングを行った後、ゲート
電極上に保護酸化膜を形成し、さらに800℃以上の熱
処理をすることにより作成したものである。また、この
サンプルにおけるシリコン基板はN型であり、その濃度
は5×1015/cm3である。さらに、ゲート電極の膜厚
は100nmである。そして、構造1は本実施形態に係る
製造方法により形成した図1に示すゲート構造、構造2
は別々の処理チャンバーでWSi膜とDPS膜とをそれ
ぞれ成膜した従来のゲート構造、構造3はDPS膜のみ
のゲート構造、つまり、いわゆる一般のポリシリコンゲ
ートである。構造3のDPS膜は、材料ガスとしてSi
4 を用いてLP−CVD法により成膜されたものであ
るため、ゲート酸化膜に対するフッ素の影響はない。
The sample used here was prepared by first performing etching to obtain a gate electrode pattern, forming a protective oxide film on the gate electrode, and then performing heat treatment at 800 ° C. or higher. is there. The silicon substrate in this sample is N-type and its concentration is 5 × 10 15 / cm 3 . Furthermore, the film thickness of the gate electrode is 100 nm. Structure 1 is the gate structure and structure 2 shown in FIG. 1 formed by the manufacturing method according to the present embodiment.
Is a conventional gate structure in which a WSi film and a DPS film are respectively formed in different processing chambers, and Structure 3 is a gate structure having only the DPS film, that is, a so-called general polysilicon gate. The DPS film of structure 3 uses Si as a material gas.
Since it was formed by LP-CVD method using H 4 , there is no influence of fluorine on the gate oxide film.

【0039】図3は、ゲート酸化膜の膜厚の測定結果で
ある。ゲート酸化膜の膜厚は、高周波CV特性により求
められたものである。図3からわかるように、構造2に
おいてはフッ素によるゲート酸化膜の膜厚増大が見られ
る。しかし、構造1の酸化膜の膜厚は構造3の酸化膜の
膜厚、すなわち、本来の所定のゲート酸化膜の膜厚と同
様である。つまり、構造1においてはフッ素による酸化
膜の膜厚増大がなく、本実施形態に係る製造方法によっ
てゲート酸化膜の膜厚増大が抑制されていることがわか
る。
FIG. 3 shows the measurement result of the film thickness of the gate oxide film. The film thickness of the gate oxide film is obtained by the high frequency CV characteristic. As can be seen from FIG. 3, in Structure 2, an increase in the film thickness of the gate oxide film due to fluorine is observed. However, the film thickness of the oxide film of structure 1 is the same as the film thickness of the oxide film of structure 3, that is, the film thickness of the original predetermined gate oxide film. That is, it can be seen that in Structure 1, there is no increase in the film thickness of the oxide film due to fluorine, and the increase in the film thickness of the gate oxide film is suppressed by the manufacturing method according to the present embodiment.

【0040】次に、図4は、CV特性より求めたフラッ
トバンド電圧を示す図である。図4からわかるように、
構造1のフラットバンド電圧は、やはり、構造3のフラ
ットバンド電圧と同様の値となっており、また、構造2
のフラットバンド電圧より大きい。よって、この点にお
いても、本実施形態に係る製造方法により形成したポリ
サイドゲート構造の電気特性は従来のポリサイドゲート
構造よりも改善され、かつ、優れたものになっているこ
とが明白である。
Next, FIG. 4 is a diagram showing the flat band voltage obtained from the CV characteristic. As you can see from Figure 4,
The flat band voltage of the structure 1 has the same value as the flat band voltage of the structure 3, and the structure 2 has the same value.
Greater than the flat band voltage of. Therefore, also in this respect, it is apparent that the electrical properties of the polycide gate structure formed by the manufacturing method according to the present embodiment are improved and superior to those of the conventional polycide gate structure. .

【0041】また、図5はいわゆるTDDB法により評
価したQbdを示す図である。図5に示すとおり、構造
1のQbdは構造3のQbd、および、構造2のQbd
より大きい。したがって、この点において、本実施形態
に係る製造方法により形成したゲート構造の電気特性
は、さらに改善され、かつ、優れたものになっていると
いえる。
FIG. 5 is a diagram showing Qbd evaluated by the so-called TDDB method. As shown in FIG. 5, Qbd of structure 1 is Qbd of structure 3 and Qbd of structure 2.
Greater than Therefore, in this respect, it can be said that the electrical characteristics of the gate structure formed by the manufacturing method according to the present embodiment are further improved and excellent.

【0042】図3〜図5において示すサンプルのうち、
本実施形態に係る製造方法に従って形成されたサンプル
(構造1)においては、ゲート電極上に保護膜を形成し
た後、サンプルを通常の電気炉中に移して、DPS膜の
形成温度、およびWSi膜の形成温度よりも高い温度下
で、熱処理を行っている。しかし、一旦本実施形態に係
る製造方法によりWSi膜/DPS膜の連続成膜処理を
行えば、高温度下の熱処理をその後に行っても、電気的
特性の劣化は起こらないこともわかった。
Of the samples shown in FIGS. 3 to 5,
In the sample (Structure 1) formed by the manufacturing method according to the present embodiment, after forming the protective film on the gate electrode, the sample was transferred into an ordinary electric furnace to form the DPS film at the formation temperature and the WSi film. The heat treatment is performed at a temperature higher than the formation temperature. However, it has also been found that once the WSi film / DPS film is continuously formed by the manufacturing method according to the present embodiment, the electrical characteristics are not deteriorated even after the heat treatment at a high temperature.

【0043】したがって、上述のように、本実施形態に
よれば、フッ素によるゲート酸化膜の膜厚増大の防止お
よびフラットバンド電圧やQbdの劣化などのトランジ
スタの電気的特性の改善をすることができる。
Therefore, as described above, according to this embodiment, it is possible to prevent an increase in the film thickness of the gate oxide film due to fluorine and to improve the electrical characteristics of the transistor such as the deterioration of the flat band voltage and Qbd. .

【0044】[0044]

【発明の効果】以上述べたように本発明の製造方法によ
れば、WSi膜/DPS膜を基本構造とするゲート電極
を有するトランジスタにおいて、WSi成長時のフッ素
によるゲート酸化膜の膜厚増大を防止できる。さらに、
フラットバンド電圧やQbdの電気特性の劣化を防ぐこ
とが可能になり、優れた特性を有する半導体装置を提供
できる。
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, in a transistor having a gate electrode having a WSi film / DPS film as a basic structure, the film thickness of the gate oxide film is increased by fluorine during WSi growth. It can be prevented. further,
It is possible to prevent the flat band voltage and the electrical characteristics of Qbd from being deteriorated, and it is possible to provide a semiconductor device having excellent characteristics.

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

【図1】実施形態に係る製造方法に従って形成された半
導体装置、特にポリサイド構造を有するMOSトランジ
スタを示す断面図である。
FIG. 1 is a cross-sectional view showing a semiconductor device formed by a manufacturing method according to an embodiment, particularly a MOS transistor having a polycide structure.

【図2】実施形態に係るMOSトランジスタの製造工程
を示す断面図である。
FIG. 2 is a cross-sectional view showing a manufacturing process of the MOS transistor according to the embodiment.

【図3】各種製造方法によるゲート酸化膜の膜厚の測定
結果を示す図である。
FIG. 3 is a diagram showing measurement results of film thickness of a gate oxide film by various manufacturing methods.

【図4】各種製造方法によるゲート構造におけるフラッ
トバンド電圧の測定結果を示す図である。
FIG. 4 is a diagram showing measurement results of a flat band voltage in a gate structure by various manufacturing methods.

【図5】各種製造方法によるゲート構造におけるQbd
の測定結果を示す図である。
FIG. 5: Qbd in gate structure by various manufacturing methods
It is a figure which shows the measurement result of.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

10 シリコン基板 11 ゲート酸化膜 12 DPS膜 13 WSi膜 14 CAP膜 15 ゲート電極 16 ソース領域 17 ドレイン領域 10 Silicon substrate 11 Gate oxide film 12 DPS membrane 13 WSi film 14 CAP membrane 15 Gate electrode 16 Source area 17 Drain region

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/28 H01L 29/78 ─────────────────────────────────────────────────── ─── Continuation of front page (58) Fields surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01L 21/28 H01L 29/78

Claims (5)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【請求項1】 基板上の酸化膜の上にシリコン膜を形成
する工程(a)と、 上記シリコン膜上に高融点金属シリサイド膜を形成する
工程(b)と シリコンと水素との化合物からなり、熱分解して水素を
発生する 化合物ガス雰囲気に曝す工程(c)とを含み、 上記工程(a)と上記工程(b)とは同一チャンバー内
で連続的に行い、かつ、その間の基板温度の変化が所定
範囲内に収まるように調節する ことを特徴とする半導体
装置の製造方法。
1. A process of forming a silicon film on an oxide film on a substrate (a), a process of forming a refractory metal silicide film on the silicon film (b) , and a compound of silicon and hydrogen. And pyrolyzes hydrogen
Look including the step (c) subjecting the compound gas atmosphere occurs, the step (a) and the same chamber and the step (b)
, And the change in substrate temperature during that time is predetermined.
A method for manufacturing a semiconductor device, which comprises adjusting so as to be within a range .
【請求項2】 請求項に記載の半導体装置の製造方法
において、 上記工程(c)までの間の基板温度の変化が所定範囲内
に収まるように調節することを特徴とする半導体装置の
製造方法。
2. The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the change in the substrate temperature up to the step (c) is adjusted to fall within a predetermined range. Method.
【請求項3】 請求項1または2に記載の半導体装置の
製造方法において、 上記基板温度の変化は、上記シリコン膜の形成工程時の
基板温度プラスマイナス20℃の範囲内であることを特
徴とする半導体装置の製造方法。
3. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1 , wherein the change in the substrate temperature is within a range of a substrate temperature of plus or minus 20 ° C. during the step of forming the silicon film. Of manufacturing a semiconductor device.
【請求項4】 請求項1〜3のうちいずれか1つに記載
半導体装置の製造方法において、 上記工程(b)において、6フッ化タングステン(WF
6)ガスを用いてタングステンシリサイド(WSi)膜
からなる高融点金属シリサイド膜を形成する半導体装置
の製造方法。
4. according to any one of claims 1 to 3
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the above, in the step (b), tungsten hexafluoride (WF
6) A method of manufacturing a semiconductor device in which a refractory metal silicide film made of a tungsten silicide (WSi) film is formed using gas.
【請求項5】 請求項1〜4のうちいずれか1つに記載
半導体装置の製造方法において、 上記基板温度は、450〜700℃であることを特徴と
する半導体装置の製造方法。
5. A according to any one of claims 1 to 4
In the method for manufacturing a semiconductor device, the substrate temperature is 450 to 700 ° C.
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