JP3660474B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP3660474B2 JP3660474B2 JP20909497A JP20909497A JP3660474B2 JP 3660474 B2 JP3660474 B2 JP 3660474B2 JP 20909497 A JP20909497 A JP 20909497A JP 20909497 A JP20909497 A JP 20909497A JP 3660474 B2 JP3660474 B2 JP 3660474B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- tungsten
- oxide
- semiconductor device
- oxide layer
- 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 - Lifetime
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
- H01L2924/00—Indexing scheme for arrangements or methods for connecting or disconnecting semiconductor or solid-state bodies as covered by H01L24/00
- H01L2924/0001—Technical content checked by a classifier
- H01L2924/0002—Not covered by any one of groups H01L24/00, H01L24/00 and H01L2224/00
Landscapes
- Electrodes Of Semiconductors (AREA)
- Internal Circuitry In Semiconductor Integrated Circuit Devices (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高融点金属を用いた配線或いは電極を有する半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体デバイスの高集積化及び高速化に対する要求が高まりつつある。これらの要求を実現するために、素子間および素子寸法の縮小化、微細化が進められる一方、内部配線材料の低抵抗化などが検討されている。
【0003】
とりわけRC遅延が顕著に現れるワード線では、低抵抗化が大きな課題となっている。そこで、最近ではワード線の低抵抗化を図るため、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との2層構造からなるポリサイドゲートが広く採用されている。高融点金属シリサイド膜は、多結晶シリコン膜に比べ抵抗が約1桁低いので、低抵抗配線の材料として有望である。なお、高融点金属シリサイド膜としては、タングステンンリサイド(WSi)が最も広く使われている。
【0004】
しかしながら、0.25μm以下の微細な配線に対応するためには、さらに配線の低抵抗化を図って遅延時間を短縮することが求められている。ポリサイド構造を用いてシート抵抗1Ω/□以下の抵抗を有するゲート電極を実現するためには、シリサイド層の膜厚を厚くしなけれはならない。ゲート電極を厚くすると、加工や電極上の層間絶縁膜の形成が困難になるため、電極のアスペクト比を大きくすることなく、低いシート抵抗を達成することが要求されている。
【0005】
そのためには、金属シリサイドよりも比抵抗値の低い高融点金属を直接ゲート酸化膜上に形成するメタルゲート電極の開発が必須である。
しかし、高融点金属膜は非常に酸化されやすく、450℃程度の温度で酸化物となる。そのため、例えば層間絶縁膜の成膜に際し酸化性雰囲気を用いるシリコン酸化膜を高融点金属膜上に成膜すると、高融点金属膜表面或いは全てが酸化され、絶縁体となる。また、高融点金属の酸化は体積膨張を伴い、高融点金属表面の凹凸が激しくなる。シリコン酸化膜の表面は、金属膜表面の凹凸を反映し、モフォロジ荒れという形で顕在化する。従って、高融点金属膜上の層間絶縁膜は、非酸化性雰囲気で成膜が可能なシリコン窒化膜が良く用いられる。
【0006】
しかしながら、層間絶縁膜の成膜以前に高融点金属膜表面に酸化物が存在する場合、非酸化性雰囲気でシリコン窒化膜の成膜を行っても、表面荒れが生じることがある。具体的には、タングステン膜上に酸化物層が存在すると、シリコン窒化膜形成後に表面荒れが起きる。
【0007】
タングステンの酸化物は、600〜700℃付近で相転移が起こり針状結晶となる。シリコン窒化膜は700〜800℃程度の基板温度で成膜されるため、成膜前の加熱段階でタングステン表面に針結晶が形成され、その上に成膜を行うことによりシリコン窒化膜の表面荒れが起きる。このような表面荒れは救μm単位の大ささで起こるため、0.1μm世代のデバイスでは無視できない問題であり、高融点金属膜を用いた配線あるいは電極の実現にあたり致命的な課題と言える。
【0008】
また、この問題は成膜時に限らず、600℃以上に加熱すると相転移が起こるため、成膜以外の窒素雰囲気中のアニール処理に際しても数μm単位の針状の酸化物が発生してしまう。
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記したように、高融点金属の表面に酸化物がある状態で加熱すると、該酸化物が相転移を起こし、配線或いは電極の形状が変化するという問題があった。
本発明の目的は、高融点金属からなる配線或いは電極の形状変化を防ぎ、信頼性の高い半導体装置を形成し得る半導体装置の製造方法を提供することにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
[構成]
本発明は、上記目的を達成するために以下のように構成されている。
(1) 本発明(請求項1)は、高融点金属膜を600℃以上に加熱処理する工程を含む半導体装置の製造方法において、前記高融点金属膜表面に形成された酸化物層を除去した後、前記加熱処理を非酸化性雰囲気で行うことを特徴とする。
(2) 本発明(請求項2)の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に高融点金属膜の表面に形成された酸化物層を除去する除去工程と、前記半導体基板を600℃以上に加熱し、前記高融点金属膜上に成膜を行う工程とを含むことを特徴とする。
【0011】
本発明の好ましい実施態様を以下に示す。
ポリシリコン,TiN,Al,或いはWのような導電性被膜、又はシリコン窒化膜のような絶縁性被膜が成膜される。
【0012】
前記酸化物を除去する工程として、該酸化物層の水和物を形成する溶液に浸す。
前記溶液が、硫化水素酸,フッ化水素酸,塩化水素酸,アンモニア或いはコリンを含む溶液である。
【0013】
前記酸化物を除去する工程は、該酸化物層と反応して水和物を形成する研磨液を用いた化学的機械研磨法による。
前記研磨液が、希硫酸,希フッ酸或いは希硝酸を含む溶液である。
【0014】
また、前記酸化物層の除去を行った後、前記高融点金属膜上に非酸化性雰囲気をソースガスとして用いた化学気相成長法によって成膜を行う。
またさらには、イオン注入を行って拡散層を形成し、前記酸化物層を除去した後、非酸化性雰囲気中で拡散層の活性化のためのアニールを行う。
【0015】
[作用]
本発明は、上記構成によって以下の作用・効果を有する。
高融点金属の酸化物は、600〜700℃で相転移を起こし、針状結晶となる。そこで、600℃以上に過熱する前に針状結晶を形成する酸化物を除去することによって、加熱してもシリコン窒化膜の表面荒れが起こることがない。
【0016】
また、ウエットエッチング法を用いて高融点金属の酸化物を除去する際、該酸化物は直接溶液に溶けるのではないことが発明者の研究に判明した。高融点金属の酸化物は、溶液と反応し水和物が生成され、この水和物が溶けて除去される。従って、酸化物の除去には、該酸化物と反応し水和物を生成する溶液を用い、且つ該溶液の水溶液を用いることが好ましい。
【0017】
また、化学的機械研磨法による前記酸化物の除去においても、該酸化物と反応し水和物を形成する研磨液を用いることによって、効率よく該酸化物を除去することができる。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を以下に図面を参照して説明する。
[第1実施形態]
本実施形態では、20%に希釈した硫化水素酸水溶液と硫化水素酸(99%)とのタングステン酸化物の除去効果を比較結果について述べる。
【0019】
タングステン膜を90秒間程度酸素プラズマにさらすことによって、その表面に約10nmのタングステン酸化物を形成した試料を、それぞれの溶液に浸してエッチングを行った。
【0020】
図1に二つの溶液のエッチング効果を示す。図から分かるように、タングステン表面の酸化物は、処理時間とともにエッチングされその膜厚が減少していくが、20%に希釈した硫酸の方がそのエッチング効果が大きいことが分かる。
【0021】
この実験結果から、硫酸自体が酸化物除去に関わっているのではないということが導き出される。つまり、酸化物の除去は、硫酸を仲介して水溶性のタングステン酸水和物(WO3 ・H2 O)が形成され、タングステン酸水和物が水に溶けることによって行われていると考えられる。
【0022】
なお、このような除去作用は、希択した硫化水素酸水溶液に限らず、フッ化水素酸や塩化水素酸にも起こっていることが確認された。また、酸系の薬品に限らずアルカリ系の薬品でも同様な除去作用が起こっており、アンモニアやコリン(TMAH)等でも希釈することで、酸化物の除去効果が高くなることが確認された。 なお、好ましい硫酸の希釈率は、10〜80%の範囲である。
【0023】
また、タングステン以外の高融点金属でも同様に、溶液を希釈することでよりエッチング効果が高まることが確認された。
[第2実施形態]
次いで、高融点金属膜上の酸化物を除去した後にシリコン窒化物を成膜し、該シリコン窒化膜の表面荒れを観察した。
【0024】
図2は本発明の第2実施形態に係わる配線の製造工程を示す工程断面図である。
先ず、図2(a)に示すように、単結晶シリコン基板11上に薄い酸化膜12(膜厚5nm)を形成する。次いで、タングステン・ターゲット及びArとN2 との混合ガスをスパッタリングガスとして用いた反応性スパッタリング法によって窒化タングステン膜13(膜厚5nm)を全面に堆積し、さらにスパッタリング法によってタングステン膜14(膜厚100nm)を全面に堆積する。
【0025】
タングステン膜14の堆積後、反応容器から大気中に取り出すと、タングステン膜14と大気中の酸素とが反応し、図2(b)に示すように、タングステン膜14上にタングステン酸化物層15が形成される。
【0026】
次いで、図2(c)に示すように、例えば20%に希釈した硫化水素酸水溶液に浸すことにより、選択的に酸化物層15を除去する。
そして、図2(d)に示すように、水素のような非酸化性雰囲気中で、シリコン基板11を700〜800℃の温度に加熱し、シランとアンモニアガスを流し、タングステン膜14上にCVD法によりシリコン窒化膜16を堆積する。
【0027】
シリコン窒化膜16の表面を観察した結果、表面荒れが起きておらず、均一に成膜されていることが確認された。
[第3実施形態]
次に、本先明をMOS型トランジスタのゲート電極の形成に適用した例について説明する。
【0028】
図3〜5は本発明の第2実施形態に関わるトランジスタの製造工程を示す工程断面図である。
先ず、第2実施形態と同様に、P型の単結晶シリコンからなる基板11上に薄い酸化膜11(膜厚5nm),窒化タングステン膜13(膜厚5nm)及びタングステン膜14(膜厚100nm)を全面に順次堆積する。そして、反応容器から取り出し大気中にさらすと、図3(a)に示すように、表面のタングステン膜14と大気中の酸素と反応し、タングステン膜14上にタングステン酸化物層15が形成される。
【0029】
次いで、10%に希釈した硫化水素酸水溶液に浸すことにより、酸化物層15を除去した後、図3(b)に示すように、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板11を700〜800℃の温度に加熱し、シランとアンモニアガスを流し、タングステン膜14上にCVD法を用いてシリコン窒化膜16(膜厚200nm)を700〜800℃の基板温度で堆積する。シリコン窒化膜16の成膜に先立ち、酸化物層を選択的に除去することによってシリコン窒化膜16は表面荒れを起こすことなく均一に成膜される。
【0030】
次いで、シリコン窒化膜16上にスピンコート法により約1μmの膜厚でフォトレジストを塗布し、露光・現像処理して例えば0.15μm幅のレジストパターンを形成する。次いで、レジストパターンをマスクとし、シリコン窒化膜16をエッチングした後、レジストパターンを酸素プラズマアッシングを用いて除去する。そして、シリコン窒化膜をマスクとして、タングステン膜14及び窒化タングステン膜13をエッチングし、図3(c)に示すように、配線を形成する。
【0031】
次いで、所定領域をレジストマスクで被覆した後、例えば加速エネルギー30keV、ドーズ量5×1014cm-2程度でAsをイオン注入し、N- 型拡散層17を形成する。そして、レジストパターンを酸素プラズマアッシングを用いて除去する。
【0032】
この酸素プラズマアッシングによって、タングステンが酸化されるため、図4(d)に示すように、タングステン膜の側面にタングステン酸化物層18が形成される。
【0033】
タングステン酸化物層18が形成された状態でN- 型拡散層17を活性化させるためアニールを行うと、相転移を起こし針状結晶が形成される。そこで、図4(e)に示すように、タングステン膜表面の酸化物層15の除去と同様に、希硫酸に浸しタングステン膜14側面のタングステン酸化物層18を選択的に除去する。そして、窒素や水素のような非酸化性雰囲気中で950℃30秒の短時間加熱処理(RTP)を施し、N- 型拡散層17を活性化させる。
【0034】
次いで、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板11を700〜800℃に加熱し、シランとアンモニアガスを流し、シリコン窒化膜16を含むシリコン基板11の表面にシリコン窒化膜20を堆積した後(図4(f))、シリコン窒化膜20をエッチングすることによって、タングステン膜14および窒化タングステン膜13からなるゲート電極がシリコン窒化膜16,20で囲まれた構造を形成する(図5(g))。
【0035】
次いで、図5(h)に示すように、加速電圧60KeV,ドーズ量7×1016cm-2程度でAsのイオン注入を行い、N+ 型拡散層21を形成する。そして最後に、アニールしてN+ 型領域21を活性化させることによって、LDD構造のトランジスタが形成される。
【0036】
次いで、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板11を700〜800℃に加熱し、シランとアンモニアガスを流し、全面にシリコン窒化膜22を堆積する。そして、タングステン膜14上に開口部を有するレジストパターンを形成し、シリコン窒化膜22をRIE法を用いてエッチングすることによって、タングステン膜14に接続するコンタクトホール23を形成する。そして、レジストパターンをプラズマアッシングによって除去する。このプラズマアッシングの際、タングステン膜14が酸化され、タングステン膜14上にタングステン酸化物層24が形成される(図5(i))。
【0037】
次いで、希釈硫酸に浸すことによって、タングステン酸化物層24を除去する。そして、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板11を700〜800℃に加熱し、シランガスを流し、ポリシリコン膜25をCVD法によって全面に堆積した後、CMP法を用いてシリコン窒化膜22上のポリシリコン膜25を除去し、コンタクトホール23中にポリシリコン膜25を埋め込み形成する( 図5(j)) 。
【0038】
以上説明したように、ゲート電極表面,側面の酸化物層を除去した後、成膜,アニールを行うことによって、針状の酸化物が形成されず、ゲート電極の形状変化が起こらない。
【0039】
なお、本実施形態では、N- 型拡散層17を形成した直後にRTPを行って電気的に活性化させているが、イオン注入後すぐに活性化を行わず、N+ 型拡散層形成後に両方の拡散層を活性化させても良い。但し、N- 型拡散層17形成後、ゲート電極側壁のシリコン窒化膜を成膜する際に基板が600℃以上に加熱されるので、この場合もタングステン膜14側面の酸化物層18を予め除去する必要がある。
【0040】
[第4実施形態]
次いで、本発明を相補型MOSFET(CMOSFET)の形成に適用した例について説明する。
【0041】
図6〜10は、本発明の第4実施形態に係るCMOSFETの製造方法を示す工程断面図である。
先ず、シリコン基板30表面の所定領域に、フォトリソグラフィ技術を用いてレジストパターンを形成する。そして、レジストパターンをマスクとしてシリコン基板30にB,Ga或いはInをイオン注入し、Pウェル領域31を形成する。そして、所定領域のシリコン基板30の表面にレジストパターンを形成し、該レジストパターンをマスクとしてシリコン基板30にAs,P或いはSbをイオン注入し、Nウェル領域32を形成する。その後、アニールを行い、図6(a)に示すように、基板30表面に深さ1μm程度のPウェル領域31とNウェル領域32を活性化させる。
【0042】
次いで、図6(b)に示すように、シリコン基板30のPウェル領域31とNウェル領域32の境界部に膜厚600nm程度の酸化膜33を形成し、素子分離領域を形成する。
【0043】
次いで、10nm程度の膜厚の保護酸化膜を、Pウェル領域31及びNウェル領域32の表面に形成する。そして、トランジスタのしきい値に合わせるためのイオン注入を行う。次いで、保護酸化膜を剥離し、図6(c)に示すように、Pウェル領域31及びNウェル領域32の表面に数10nm程度の膜厚のゲート酸化膜34を形成する。
【0044】
次いで、図7(d)に示すように、全面に多結晶シリコン膜35を形成する。そして、フォトリソグラフィ法を用いてNウェル領域32上にレジストパターンを形成し、このレジストパターンをマスクとしてPウェル領域31の多結晶シリコン膜35にB,Ga又はInを注入する。同様にPウェル領域31上にレジストパターンを形成し、Nウェル領域32の多結晶シリコン35にAs,PまたはSbをイオン注入する。
【0045】
次いで、図7(e)に示すように、WSix ターゲット及びAr+N2 雰囲気を用いた反応性スパッタリングを行うことにより、多結晶シリコン膜35上に膜厚1nm程度のWSix Ny 膜36を堆積する。WSix Ny 膜36は、Pウェル及びNウェル領域31,32にドープされている不純物が後に形成するW膜中に拡散することを抑制する効果がある。なお、WSix Ny 膜36は上記のスパッタリングによる成膜以外に、CVD法等を用いて形成する事も可能である。
【0046】
次いで、WSix Ny 膜36上に、Wターゲット及びAr雰囲気を用いたスパッタリング法、若しくはCVD法等により膜厚100nm程度のW膜37を形成する。タングステン膜37成膜後、成膜装置から取り出し大気にさらすことによって、図7(f)に示すように、タングステン膜37が大気中の酸素と反応し、1nm程度のタングステン酸化物層38が形成される。
【0047】
次いで、図8(g)に示すように、化学的機械研磨法を用いて、タングステン酸化物層38を選択的に除去する。ここで、化学的機械研磨で用いる研磨液(スラリー)には、タングステン酸化物と反応してタングステン酸水和物(WO3 ・H2 O)を生成する薬液を含む研磨液を用いる。こめような薬液には例えば硫酸、フッ酸等がある。又タングステン酸化物層の除去は、CMP法以外にも、CDE(Chemical Dry Etching)やRIE(Reactive Ion Etching)のようなエッチングを用いることも可能である。また、1,2,第3実施形態と同様に希硫酸を用いて除去するようなウエットエッチングを用いることも可能である。
【0048】
酸化物層38の除去後24時間以上放置すると、タングステン膜37上に再び十分な量の自然酸化膜が形成される。そのため酸化物層38除去後数時間以内に、図8(h)に示すように、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板30を約800℃程度に加熱し、シランとアンモニアガスを流して、タングステン膜37上にCVD法により膜厚250nm程度のシリコン窒化膜39を堆積する。シリコン窒化膜39の成膜温度はおよそ800℃程度であるが、タングステン膜37上のタングステン酸化物層が除去されているため針状結晶が成長することはない。
【0049】
次いで、図8(i)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いて所望のゲート電極或いはゲート配線の形状にレジストパターン40を形成する。次いで、レジストパターンパターン40をマスクとしてシリコン窒化膜39をRIE法を用いてパターニングする。次にレジストパターン40をアッシャーを用いて除去し、シリコン窒化膜39をマスクとしてタングステン膜37,WSix Ny 膜36及び多結晶シリコン膜35をRIE法を用いてエッチングし、図9(j)に示すようなゲート電極あるいは配線を形成する。ここで、タングステン膜37の側面には自然酸化膜41が存在する。
【0050】
次いで、図9(k)に示すように、希硫酸に浸すことによって自然酸化膜41を選択的に除去する。自然酸化膜の除去後直ちに、N2 ,H2 ,H2 Oで、H2 とH2 Oとの分圧比を制御した雰囲気で800℃60分程度のアニールを行うことで多結晶シリコン膜35を選択的に酸化して、酸化シリコン42を形成する。この選択酸化工程は、タングステン膜37を酸化せず多結晶シリコン膜35のみ酸化することによって、ゲート端での電界集中やダメージを緩和して信頼性を向上させるためのものである。
【0051】
次いで、フォトリソグラフイ技術を用いてPウェル領域31上にレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてNウェル領域32に加速電圧20KeV,ドーズ量5×10-2cm-2程度でAsをイオン注入し、図9(l)に示すように、P- 型拡散層43を形成する。Pウェル領域31のレジストパターンを酸素アッシャーを用いて除去した後、同様にNウェル領域32にレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてPウェル領域31に加速電圧20KeV,ドーズ量5×1014cm-2程度でBF2 のイオン注入を行い、N- 型領域44を形成する。そして、Nウェル領域32上のレジストパターンを酸素アッシャーを用いて除去する。酸素アッシャーによるレジストの除去の際、タングステン膜の側面にタングステン酸化物層が形成されるので、希硫酸に浸すことによって、タングステン酸化物層を選択的に除去する。
【0052】
次いで、水素のような非酸化性雰囲気中でシリコン基板を800℃に加熱し、シランとアンモニアガスを流して、膜厚6nm程度のシリコン窒化膜をシリコン基板の全面にCVD法により堆積した後、RIE法を用いてエッチングを行うことで、図10(m)に示すようにゲート側壁にシリコン窒化膜45が形成された構造を得る。次いで、図10(n)に示すように、フォトリソグラフィ技術を用いてPウェル領域31上にレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとして、Nウェル領域32に加速電圧60KeV,ドーズ量7×1016cm-2程度でAsのイオン注入を行い、P+ 型領域46を形成する。同様にNウェル領域32にレジストパターンを形成し、レジストパターンをマスクとしてPウェル領域31にBF2 60KeV,6×1015cm-2程度のイオン注入を行い、N+ 型領域47を形成する。そして、最後に、アニールすることによって、P- 型領域43,N- 型領域44,P+ 型領域46及びN+ 型領域47を活性化させる。
【0053】
その後、通常の方法により層間絶縁膜及び配線を形成し、CMOSFETが形成される。
以上説明したように、高温熱処理中に針状生成物が発生することがなく、ゲート電極が加工当初の形態を保つので、高信頼性の低抵抗ゲート電極を有するCMOSFETを得ることができる。
【0054】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、高融点金属は、タングステン以外にも、モリブデン(Mo)、チタン(Ti)、白金(Pt)もしくはそれら金属の合金を用いることができる。また酸化物以下にも、それらの金属の炭化物或いはホウ化物に対しても除去することができる。
【0055】
また、ゲート電極以外の金属配線層に対しても用いることかできる。
また、高融点金属膜上の成膜としてCVD法によるシリコン窒化膜を例に挙げたが、シリコン膜,窒化チタン膜或いはタングステン膜を成膜しても良い。
その他、本発明は、その要旨を逸脱しない範囲で、種々変形して実施することが可能である。
【0056】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、高融点金属膜の表面に形成されている酸化膜を予め除去した後に、加熱することによって表面モフォロジの悪化等が起こらず、信頼性の高い半導体装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】第1実施形態に係わるエッチングの効果を説明する特性図。
【図2】第2実施形態に係わる製造工程を示す工程断面図。
【図3】第3実施形態に関わるMOSトランジスタの製造工程を示す工程断面図。
【図4】第3実施形態に関わるMOSトランジスタの製造工程を示す工程断面図。
【図5】第3実施形態に関わるMOSトランジスタの製造工程を示す工程断面図。
【図6】第4実施形態に関わるCMOSFETの製造工程を示す工程断面図。
【図7】第4実施形態に関わるCMOSFETの製造工程を示す工程断面図。
【図8】第4実施形態に関わるCMOSFETの製造工程を示す工程断面図。
【図9】第4実施形態に関わるCMOSFETの製造工程を示す工程断面図。
【図10】第4実施形態に関わるCMOSFETの製造工程を示す工程断面図。
【符号の説明】
11…単結晶シリコン基板
12…酸化膜
13…窒化タングステン膜
14…タングステン膜(高融点金属膜)
15…タングステン酸化物層
16…シリコン窒化膜
17…N- 型拡散層
18…タングステン酸化物層
20…シリコン窒化膜
21…N+ 型拡散層
22…シリコン窒化膜
23…コンタクトホール
24…タングステン酸化物層
25…ポリシリコン膜
30…シリコン基板
31…Pウェル領域
32…Nウェル領域
33…酸化膜
34…ゲート酸化膜
35…多結晶シリコン膜
36…WSix Ny 膜
37…タングステン膜
38…タングステン酸化物層
39…シリコン窒化膜
40…レジストパターン
41…タングステン酸化物層
42…酸化シリコン
43…P- 型領域
44…N- 型領域
45…シリコン窒化膜
46…P+ 型領域
47…N+ 型領域[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device having wirings or electrodes using a refractory metal.
[0002]
[Prior art]
In recent years, demands for higher integration and higher speed of semiconductor devices are increasing. In order to realize these requirements, reduction in the size and miniaturization between elements and element dimensions have been promoted, and reduction in resistance of internal wiring materials has been studied.
[0003]
In particular, in a word line in which RC delay appears remarkably, a reduction in resistance is a major issue. Therefore, recently, in order to reduce the resistance of the word line, a polycide gate having a two-layer structure of a polycrystalline silicon film and a metal silicide film has been widely adopted. A refractory metal silicide film is promising as a material for a low resistance wiring because its resistance is about one digit lower than that of a polycrystalline silicon film. As the refractory metal silicide film, tungsten reside (WSi) is most widely used.
[0004]
However, in order to cope with fine wiring of 0.25 μm or less, it is required to further reduce the resistance by reducing the delay time. In order to realize a gate electrode having a sheet resistance of 1Ω / □ or less using the polycide structure, the thickness of the silicide layer must be increased. When the gate electrode is thickened, it becomes difficult to process and form an interlayer insulating film on the electrode. Therefore, it is required to achieve a low sheet resistance without increasing the aspect ratio of the electrode.
[0005]
For this purpose, it is essential to develop a metal gate electrode that directly forms a refractory metal having a specific resistance lower than that of metal silicide on the gate oxide film.
However, the refractory metal film is very easily oxidized and becomes an oxide at a temperature of about 450 ° C. Therefore, for example, when a silicon oxide film using an oxidizing atmosphere is formed on the refractory metal film when forming the interlayer insulating film, the surface or all of the refractory metal film is oxidized to become an insulator. Further, the oxidation of the refractory metal is accompanied by volume expansion, and the unevenness of the surface of the refractory metal becomes severe. The surface of the silicon oxide film reflects the irregularities on the surface of the metal film and becomes apparent in the form of morphological roughness. Therefore, a silicon nitride film that can be formed in a non-oxidizing atmosphere is often used as the interlayer insulating film on the refractory metal film.
[0006]
However, when an oxide exists on the surface of the refractory metal film before the formation of the interlayer insulating film, surface roughness may occur even when the silicon nitride film is formed in a non-oxidizing atmosphere. Specifically, when an oxide layer is present on the tungsten film, surface roughness occurs after the formation of the silicon nitride film.
[0007]
Tungsten oxide undergoes a phase transition around 600 to 700 ° C. to form needle crystals. Since the silicon nitride film is formed at a substrate temperature of about 700 to 800 ° C., needle crystals are formed on the tungsten surface in the heating stage before film formation, and the surface of the silicon nitride film is roughened by forming a film thereon. Happens. Such surface roughness occurs on the order of a micron of salvation, and is therefore a problem that cannot be ignored in devices of the 0.1 μm generation, and can be said to be a critical issue in the realization of wiring or electrodes using a refractory metal film.
[0008]
In addition, this problem is not limited to the time of film formation, and phase transition occurs when heated to 600 ° C. or higher. Therefore, needle-like oxides in units of several μm are generated during annealing treatment in a nitrogen atmosphere other than film formation.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, when heating is performed in a state where an oxide is present on the surface of the refractory metal, there is a problem in that the oxide causes a phase transition and the shape of the wiring or the electrode changes.
An object of the present invention is to provide a semiconductor device manufacturing method capable of preventing a change in the shape of a wiring or electrode made of a refractory metal and forming a highly reliable semiconductor device.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
[Constitution]
The present invention is configured as follows to achieve the above object.
(1) The present invention (Claim 1) removes the oxide layer formed on the surface of the refractory metal film in a method of manufacturing a semiconductor device including a step of heat-treating the refractory metal film to 600 ° C. or higher. Thereafter, the heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere.
(2) A method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (Claim 2) includes a removal step of removing an oxide layer formed on a surface of a refractory metal film on a semiconductor substrate, and the semiconductor substrate at 600 ° C. or higher. And heating to form a film on the refractory metal film.
[0011]
Preferred embodiments of the present invention are shown below.
A conductive film such as polysilicon, TiN, Al, or W, or an insulating film such as a silicon nitride film is formed.
[0012]
As the step of removing the oxide, it is immersed in a solution that forms a hydrate of the oxide layer.
The solution is a solution containing hydrosulfuric acid, hydrofluoric acid, hydrochloric acid, ammonia or choline.
[0013]
The step of removing the oxide is performed by a chemical mechanical polishing method using a polishing liquid that reacts with the oxide layer to form a hydrate.
The polishing liquid is a solution containing dilute sulfuric acid, dilute hydrofluoric acid or dilute nitric acid.
[0014]
Further, after removing the oxide layer, a film is formed on the refractory metal film by a chemical vapor deposition method using a non-oxidizing atmosphere as a source gas.
Furthermore, ion implantation is performed to form a diffusion layer, and after removing the oxide layer, annealing for activating the diffusion layer is performed in a non-oxidizing atmosphere.
[0015]
[Action]
The present invention has the following operations and effects by the above configuration.
The refractory metal oxide undergoes a phase transition at 600 to 700 ° C. to form needle crystals. Therefore, the surface of the silicon nitride film is not roughened even by heating by removing the oxide that forms the needle-like crystals before overheating to 600 ° C. or higher.
[0016]
In addition, when the high-melting-point metal oxide is removed using the wet etching method, the inventors have found that the oxide does not directly dissolve in the solution. The refractory metal oxide reacts with the solution to form a hydrate, which is dissolved and removed. Therefore, for removing the oxide, it is preferable to use a solution that reacts with the oxide to form a hydrate, and an aqueous solution of the solution.
[0017]
Also, in the removal of the oxide by a chemical mechanical polishing method, the oxide can be efficiently removed by using a polishing liquid that reacts with the oxide to form a hydrate.
[0018]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
[First Embodiment]
In the present embodiment, a comparison result of the removal effect of tungsten oxide between a hydrosulfuric acid aqueous solution diluted to 20% and hydrosulfuric acid (99%) will be described.
[0019]
The tungsten film was exposed to oxygen plasma for about 90 seconds, and a sample in which about 10 nm of tungsten oxide was formed on the surface thereof was immersed in each solution and etched.
[0020]
FIG. 1 shows the etching effect of the two solutions. As can be seen from the figure, the oxide on the tungsten surface is etched with the treatment time and the film thickness decreases, but it can be seen that sulfuric acid diluted to 20% has a larger etching effect.
[0021]
From this experimental result, it is derived that sulfuric acid itself is not involved in oxide removal. That is, it is considered that the removal of the oxide is carried out by forming a water-soluble tungstic acid hydrate (WO 3 .H 2 O) via sulfuric acid and dissolving the tungstic acid hydrate in water. It is done.
[0022]
In addition, it was confirmed that such a removing action occurs not only in the selected hydrosulfuric acid aqueous solution but also in hydrofluoric acid and hydrochloric acid. Further, not only acid chemicals but also alkaline chemicals have the same removal effect, and it has been confirmed that the effect of removing oxides is enhanced by diluting with ammonia, choline (TMAH) or the like. In addition, the preferable dilution rate of a sulfuric acid is 10 to 80% of range.
[0023]
Similarly, it was confirmed that the etching effect was enhanced by diluting the solution with a refractory metal other than tungsten.
[Second Embodiment]
Next, after removing the oxide on the refractory metal film, a silicon nitride film was formed, and the surface roughness of the silicon nitride film was observed.
[0024]
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a wiring manufacturing process according to the second embodiment of the present invention.
First, as shown in FIG. 2A, a thin oxide film 12 (
[0025]
When the
[0026]
Next, as shown in FIG. 2C, the
Then, as shown in FIG. 2D, the silicon substrate 11 is heated to a temperature of 700 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as hydrogen, and silane and ammonia gas are allowed to flow, and CVD is performed on the
[0027]
As a result of observing the surface of the
[Third Embodiment]
Next, an example in which the present invention is applied to formation of a gate electrode of a MOS transistor will be described.
[0028]
3 to 5 are process cross-sectional views illustrating the manufacturing process of the transistor according to the second embodiment of the present invention.
First, as in the second embodiment, a thin oxide film 11 (
[0029]
Next, after the
[0030]
Next, a photoresist is applied on the
[0031]
Next, after a predetermined region is covered with a resist mask, As is ion-implanted with an acceleration energy of 30 keV and a dose of about 5 × 10 14 cm −2 , for example, to form an N −
[0032]
Since this oxygen plasma ashing oxidizes tungsten, a
[0033]
When annealing is performed to activate the N − -
[0034]
Next, the silicon substrate 11 is heated to 700 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as hydrogen, and silane and ammonia gas are flowed to deposit the
[0035]
Next, as shown in FIG. 5H, As ions are implanted at an acceleration voltage of 60 KeV and a dose of about 7 × 10 16 cm −2 to form an N + -
[0036]
Next, the silicon substrate 11 is heated to 700 to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as hydrogen, and silane and ammonia gas are flowed to deposit a
[0037]
Next, the
[0038]
As described above, by removing the oxide layer on the surface and side surfaces of the gate electrode and then performing film formation and annealing, no acicular oxide is formed and the shape of the gate electrode does not change.
[0039]
In the present embodiment, RTP is performed immediately after forming the N −
[0040]
[Fourth Embodiment]
Next, an example in which the present invention is applied to the formation of a complementary MOSFET (CMOSFET) will be described.
[0041]
6 to 10 are process cross-sectional views illustrating a method of manufacturing a CMOSFET according to the fourth embodiment of the present invention.
First, a resist pattern is formed in a predetermined region on the surface of the
[0042]
Next, as shown in FIG. 6B, an
[0043]
Next, a protective oxide film having a thickness of about 10 nm is formed on the surface of the
[0044]
Next, as shown in FIG. 7D, a
[0045]
Next, as shown in FIG. 7E, a WSi x N y film 36 having a thickness of about 1 nm is deposited on the
[0046]
Next, a
[0047]
Next, as shown in FIG. 8G, the
[0048]
When left for 24 hours or longer after the removal of the
[0049]
Next, as shown in FIG. 8I, a resist
[0050]
Next, as shown in FIG. 9K, the natural oxide film 41 is selectively removed by immersing in dilute sulfuric acid. Immediately after removal of the native oxide film, N 2, H 2, H at 2 O, H 2 and H
[0051]
Next, a resist pattern is formed on the P-
[0052]
Next, after heating the silicon substrate to 800 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as hydrogen and flowing silane and ammonia gas, a silicon nitride film having a thickness of about 6 nm is deposited on the entire surface of the silicon substrate by the CVD method. Etching is performed using the RIE method to obtain a structure in which a
[0053]
Thereafter, an interlayer insulating film and wiring are formed by a normal method, and a CMOSFET is formed.
As described above, no acicular product is generated during the high-temperature heat treatment, and the gate electrode maintains its original form, so that a CMOSFET having a highly reliable low-resistance gate electrode can be obtained.
[0054]
The present invention is not limited to the above embodiment. For example, as the refractory metal, molybdenum (Mo), titanium (Ti), platinum (Pt), or an alloy of these metals can be used in addition to tungsten. In addition to oxides, these metals can be removed from carbides or borides.
[0055]
It can also be used for metal wiring layers other than the gate electrode.
In addition, the silicon nitride film formed by CVD is exemplified as the film formation on the refractory metal film, but a silicon film, a titanium nitride film, or a tungsten film may be formed.
In addition, the present invention can be variously modified and implemented without departing from the scope of the invention.
[0056]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, after removing the oxide film formed on the surface of the refractory metal film in advance, the surface morphology is not deteriorated by heating, and a highly reliable semiconductor device is obtained. Can be provided.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a characteristic diagram illustrating the effect of etching according to a first embodiment.
FIG. 2 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process according to a second embodiment.
FIG. 3 is a process cross-sectional view showing a manufacturing process of a MOS transistor according to a third embodiment.
FIG. 4 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a MOS transistor according to a third embodiment.
FIG. 5 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a MOS transistor according to a third embodiment.
FIG. 6 is a process sectional view showing a manufacturing process of a CMOSFET according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a process cross-sectional view illustrating a manufacturing process of a CMOSFET according to a fourth embodiment.
FIG. 8 is a process sectional view showing a manufacturing process of a CMOSFET according to a fourth embodiment.
FIG. 9 is a process sectional view showing a manufacturing process of the CMOSFET according to the fourth embodiment.
FIG. 10 is a process sectional view showing a manufacturing process of a CMOSFET according to a fourth embodiment.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 ... Single
15 ...
Claims (7)
前記高融点金属膜表面に形成された酸化物層を除去した後、前記加熱処理を非酸化性雰囲気で行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。In a method for manufacturing a semiconductor device including a step of heat-treating a refractory metal film to 600 ° C. or higher,
A method of manufacturing a semiconductor device, wherein after the oxide layer formed on the surface of the refractory metal film is removed, the heat treatment is performed in a non-oxidizing atmosphere.
前記半導体基板を600℃以上に加熱し、前記高融点金属膜上に成膜を行う工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。A removal step of removing the oxide layer formed on the surface of the refractory metal film on the semiconductor substrate;
And heating the semiconductor substrate to 600 ° C. or higher to form a film on the refractory metal film.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20909497A JP3660474B2 (en) | 1997-08-04 | 1997-08-04 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP20909497A JP3660474B2 (en) | 1997-08-04 | 1997-08-04 | Manufacturing method of semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH1154510A JPH1154510A (en) | 1999-02-26 |
JP3660474B2 true JP3660474B2 (en) | 2005-06-15 |
Family
ID=16567195
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP20909497A Expired - Lifetime JP3660474B2 (en) | 1997-08-04 | 1997-08-04 | Manufacturing method of semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3660474B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP5057605B2 (en) * | 1999-03-17 | 2012-10-24 | 株式会社半導体エネルギー研究所 | Method for manufacturing semiconductor device |
KR100441999B1 (en) | 2002-08-23 | 2004-07-30 | 삼성전자주식회사 | Method for forming an electric layer and an electric pattern in semiconductor device |
TW202307272A (en) * | 2021-03-23 | 2023-02-16 | 日商三菱瓦斯化學股份有限公司 | Method for producing semiconductor substrate for memory elements |
-
1997
- 1997-08-04 JP JP20909497A patent/JP3660474B2/en not_active Expired - Lifetime
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JPH1154510A (en) | 1999-02-26 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
JP4197607B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device including insulated gate field effect transistor | |
KR100530401B1 (en) | Semiconductor device having a low-resistance gate electrode | |
US5989988A (en) | Semiconductor device and method of manufacturing the same | |
JP3604018B2 (en) | Method for forming silicon dioxide film on silicon substrate surface, method for forming oxide film on semiconductor substrate surface, and method for manufacturing semiconductor device | |
JP3394927B2 (en) | Method for forming metal silicide layer | |
JP3232043B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH07153717A (en) | Formation of silicide layer | |
JP7007745B2 (en) | Etching of Platinum-Containing Thin Films with Protective Cap Layer | |
JPH10173179A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
JP4283904B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP3228230B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH11261063A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
JP3660474B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP4307544B2 (en) | Method for forming metal pattern of semiconductor device | |
JP2004356610A (en) | Semiconductor device having low resistance and fabricating method therefor | |
JP2738371B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH10335265A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
JP4730993B2 (en) | Method for forming conductive line of semiconductor element | |
JP2000307060A (en) | Manufacture of resistor element | |
JPH11238697A (en) | Semiconductor device and manufacture thereof | |
JP3067433B2 (en) | Method for manufacturing semiconductor device | |
JPH01220824A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
JPH09266178A (en) | Semiconductor device and its manufacture | |
JPS62200747A (en) | Manufacture of semiconductor device | |
KR100190061B1 (en) | Method for forming a silicide |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20041115 |
|
TRDD | Decision of grant or rejection written | ||
A01 | Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01 Effective date: 20050315 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20050317 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20080325 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20090325 Year of fee payment: 4 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100325 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20100325 Year of fee payment: 5 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110325 Year of fee payment: 6 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20120325 Year of fee payment: 7 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20130325 Year of fee payment: 8 |