JP4573921B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents

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【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は半導体装置の製造方法に関するものであり、特に、半導体基板と絶縁膜との界面状態及び絶縁膜の膜質を改善するための熱処理方法に特徴のある半導体装置の製造方法に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
近年の半導体集積回路装置の高集積化,微細化の進展に伴い、半導体集積回路装置を構成するMISFET(金属−絶縁体−半導体FET)も微細化が要求され、微細化に伴って低電圧化が要請されるためにゲート絶縁膜の厚さを薄くする必要が生じるが、ゲート絶縁膜として従来のMISFETの様にSiO2 膜を用いた場合、SiO2 膜を4nm程度まで薄膜化すると、膜厚の均一性の保持が難しくなるのに加え、リーク電流の増大やゲート電極にドープする不純物がチャネル領域に突き抜ける現象などが顕在化し、MISFETの特性に深刻な影響を及ぼすようになってきた。
【0003】
この様な問題を解決するために、ゲート絶縁膜として、SiO2 膜の代わりにSiO2 膜より比誘電率の大きなシリコン窒化膜(SiNx 膜、化学量論比的にはSi3 4 膜)や、SiON膜の適用が検討されている。
即ち、SiN膜或いはSiON膜は比誘電率が大きいので、SiO2 膜より厚い膜厚のSiN膜或いはSiON膜を用いても、同等のゲート特性を得ることができるためである。
【0004】
従来のSiON膜の作製方法としては、N2 Oガスを用いたものや、熱酸化膜を形成したのち、高温の窒素雰囲気中に基板をさらす方法が用いられているが、これらのプロセスは、いずれも800℃以上の高温プロセスであるため、この様な高温プロセスによってゲート絶縁膜となるSiON膜を形成した場合には、しきい値電圧Vth調整用にチャネル領域にドープした不純物をSiN膜の堆積工程において再分布させることになり、短チャネル効果の悪化、即ち、ソース−ドレイン領域間のパンチスルーを誘発することになる。
また、この様な高温プロセスは、近年のウェハの大口径化に対しては、ウェハの反りをもたらし、加工精度の低下を引き起こすという問題もある。
【0005】
この様な高温プロセスの問題点に鑑み、低温プロセスであるプラズマCVD(PCVD)法やJVD(Jet Vapor Deposition)法の適用が試みられており、例えばYale大学、Jet Process Corp.、或いは、モトローラ社においては、EOT(Equivalent Oxide Thickness:等価酸化膜厚)換算で、2〜5nmのSiN膜をJVD法で成膜することが研究されており、特に、モトローラ社においては、0.35μmデバイスへの応用研究が行われ、良好な結果を示している。
なお、EOT(等価酸化膜厚)とは、比誘電率をSiO2 膜と同じ3.9であるとして、C−V特性から算出した絶縁膜の膜厚である。
【0006】
また、本発明者の一人である松村等は、低温プロセス化のために触媒CVD法を用いたシリコン系薄膜の堆積方法を提案しており(例えば、特開平8−250438号公報、特開平10−83988号公報、或いは、応用物理,Vol.66,No.10,pp.1094−1097,1997参照)、また、本発明者の一人である和泉は、触媒CVD装置を用いた基板表面の窒化法を提案している(Applied Physics Letters,Vol.71,No.10,pp.1371−1372,September,1997参照)。
【0007】
しかし、この様なPCVD法、JVD法、或いは、触媒CVD法によって成膜したSiN膜或いはSiON膜は、堆積しただけでは膜質が必ずしも良くなく、C−V特性においてヒステリシスループが見られるという問題がある。このC−V特性においてヒステリシスループが見られるということは、Si/SiN界面或いはSi/SiON界面に活性な多数のダングリング・ボンドが存在し、チャネル特性に影響を与えるということを意味する。
【0008】
したがって、この様な低温SiON膜等の低温成長絶縁膜の膜質を改善するためには、800℃程度の高温におけるN2 雰囲気中でアニールを行う必要が生じ、結局は全体としては高温プロセスになってしまうことになる。
【0009】
さらに、低温SiON膜の膜質を改善するために、プラズマプロセスを用いてSiON膜内へ窒素を導入することも検討されているが、プラズマによるSiON膜へのダメージ、或いは、シリコン基板へのダメージが懸念されている。
【0010】
一方、ゲート絶縁膜としてSiO2 膜等の酸化膜を用いた場合にも、しきい値電圧Vth調整用にチャネル領域にドープした不純物の再分布による短チャネル効果の悪化、即ち、ソース−ドレイン領域間のパンチスルーを防止するためには、SiO2 膜等の酸化膜を低温で堆積させる必要があるが、そうすると上述の様にSi/SiO2 膜の界面に多数の活性なダングリング・ボンドが発生し、チャネル特性に影響を与えるという問題が発生する。
【0011】
そこで、本発明者は、この様な事情を前提として、低温成膜したSiN膜の膜質を改善するための低温アニール方法を提案しているので、以下に説明する。
まず、(100)面を主面とするn型シリコン基板の表面をRCA洗浄によって清浄化したのち、触媒CVD装置内において、n型シリコン基板の温度を300℃とした状態で、原料ガスとしてSiH4 を1.1sccm、NH3 を50〜60sccm流して真空容器内のガス圧を0.01Torrとし、n型シリコン基板との間隔が3.7cmとなるように配置したタングステン触媒体に交流電源から680Wの交流電力を投入して1800〜1900℃に加熱し、この加熱されたタングステン触媒体にNH3 及びSiH4 を接触させることによってNH3 及びSiH4 を分解して活性種を生成し、この活性種をn型シリコン基板の表面で反応させることによってSiN膜を堆積させる。
【0012】
引き続いて、同じ真空容器内で(in−situ)、SiH4 の供給を停止し、NH3 のみを50〜60sccm供給してガス圧を0.013Torrとした以外は成膜工程と同じ条件で、活性種を生成し、この活性種を含む雰囲気中でSiN膜を、例えば、1時間熱処理することによって改質されたSiN膜を形成する。
なお、この場合の活性種は、NH3 が分解して形成された各種のラジカル等から構成されており、その中でも、Nラジカルが最も多く、次いで、N2 ラジカルが多いものである。
【0013】
この場合、NH3 による触媒アニール処理を行わない前のSiN膜のEOTは4.06nmと見積もられ、また、界面準位密度Du は8.63×1011cm-2eV-1であるのに対して、NH3 による触媒アニール処理を行った後のSiN膜のEOTは3.80nmと見積もられ、履歴特性も改善されており、また、界面準位密度Du は3.53×1011cm-2eV-1と処理前の1/2以下に低減していた。
【0014】
また、NH3 が分解されて生成した活性種中での低温アニール処理の前のEOTが2.97nmのSiN膜のリーク電流に比べて、低温アニール処理後のEOTが2.78nmのSiN膜においては、2桁以上電流密度が小さくなっており、また、絶縁耐圧も向上している。
【0015】
一方、この様な高温プロセスやプラズマのダメージを伴わない絶縁膜の他の形成方法として、低温プロセスで絶縁膜を成膜したのち触媒で活性化したガス雰囲気中で400〜700℃の温度でアニールすることが提案されている(例えば、特開平8−78695号公報参照)。
【0016】
この提案においては、熱処理を行う反応室内、或いは、それとは独立の反応室内にメッシュ状の触媒を配置し、原料ガスをメッシュ状の触媒を透過させることによって活性化し、活性化した活性種、即ち、ラジカルにより結晶性Si膜/酸化珪素膜界面のシリコン−水素結合(Si−H)をシリコン−窒素結合(Si≡N)に置き換えることによって、酸化膜の膜質を改善しようとするものであり、全体を700℃以下の低温プロセスで行うことができる。
【0017】
例えば、上記提案においては、TFTを構成する結晶性Si膜の表面にプラズマCVD法によってゲート絶縁膜となる厚さ20〜150nm、例えば、100nmの酸化珪素膜を堆積させたのち、反応室内に水素を導入し、350℃で2時間アニールしたのち、200〜600℃の温度において触媒となる還元ニッケル網によって活性化したN2 Oを反応室内に導入し、400〜700℃において1時間熱処理を行うことによって、酸化珪素膜中、及び、酸化珪素膜と結晶性Si膜の界面における水素を酸化或いは窒化によって減少させて酸化珪素膜の膜質及び界面の特性を向上することが開示されている。
【0018】
また、上記提案においては、TFTを構成する結晶性Si膜の表面にスパッタリング法によってゲート絶縁膜となる厚さ20〜150nm、例えば、100nmの酸化珪素膜を堆積させたのち、触媒となる白金網によって活性化したN2 Oを用いて500〜650℃において1時間熱処理を行うことによって、酸化珪素膜中、及び、酸化珪素膜と結晶性Si膜の界面における水素を酸化或いは窒化によって減少させて酸化珪素膜の膜質及び界面の特性を向上することが開示されている。
【0019】
さらに、上記提案においては、TFTを構成する結晶性Si膜の表面にECR−CVD法によってゲート絶縁膜となる厚さ120nmの酸化珪素膜を堆積させたのち、触媒となるTiを吸着させた粒状或いは粉状のシリカゲルによって、Arによって1〜5%に希釈されたNH3 を活性化し、1時間のアニールを施すことによって酸化珪素膜を窒化し、次いで、触媒によって活性化したN2 Oを用いて500〜650℃において1時間熱処理を行うことによって、窒化された酸化珪素膜と結晶性Si膜の界面の特性を向上することが開示されている。
【0020】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述の触媒CVD装置を用いたNH3 の活性種による低温熱処理の場合には、SiN膜の膜質の改善或いは界面状態の改善についてしか開示されておらず、SiO2 膜等の他の絶縁膜の膜質或いは界面状態の改善については示唆されていないものである。
【0021】
また、特開平8−78695号公報に記載されている触媒で活性化したガスを用いて低温アニールする方法の場合には、基本的には窒化による膜質或いは界面状態の改善を前提としているが、PCVD法やECR−CVD法によって堆積した酸化珪素膜を、メッシュ状或いは粒状の触媒を備えた別の反応室内で400〜700℃の温度で熱処理するものであり、製造装置系の構成が複雑化するとともに、低温プロセスといっても400℃以上の温度を必要とするという問題がある。
【0022】
したがって、本発明は、低温で成膜した絶縁膜を低温アニールによって改質し、また、製造装置系の構成を簡素化することを目的とする。
【0023】
【課題を解決するための手段】
図1は本発明の原理的構成の説明図であり、この図1を参照して本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図1参照
(1)本発明は、半導体装置の製造方法において、シリコンからなる基体1上に堆積したゲート酸化膜上にゲート電極を形成したのち、触媒からなる抵抗発熱体3に窒素含有ガスを吹きつけ、抵抗発熱体3と窒素含有ガスとの接触反応によって窒素含有ガスの少なくとも一部を分解し、分解によって生成された活性種4の雰囲気中にゲート酸化膜を晒すことを特徴とする。
【0027】
)また、本発明は、上記()において、酸化膜が、SiO2 膜、SiON膜、或いは、CeO2 膜の内のいずれかであることを特徴とする。
【0028】
この様に、触媒からなる抵抗発熱体3により活性化した活性種4を用いてSiO2 膜、SiON膜、或いは、CeO2 膜等の酸化膜をアニールすることによって、例えば、300℃以下の低温プロセスのみで、基体1−酸化膜の界面にNを導入することができ、それによって、界面のダングリング・ボンドをNによって終端させて界面特性を改善することができる。
また、触媒を抵抗発熱体3によって構成することによって、触媒をアニール処理装置内に設けることができ、それによって、製造装置系を簡素化することができる。
なお、本発明における基体1とは、シリコン基板、基板上に成膜したシリコン堆積層、或いは、金属を意味するものである。
【0029】
特に、活性種4の雰囲気中における低温アニール処理をゲート電極の形成後に行うことによって、PMA(ポスト・メタル・アニール)工程を兼ねることができ、それによって、製造工程数を低減することができる。
【0030】
)また、本発明は、上記(または(2)において、ゲート電極の側壁に側壁酸化膜を形成した後に、再び分解によって生成された活性種4の雰囲気中に前記側壁酸化膜を晒すことを特徴とする。
【0031】
この様に、活性種4の雰囲気中における界面の窒化処理を、ゲート電極の側壁に側壁酸化膜、即ち、サイドウォールを形成した後に行うことによって、ゲート電極の両側のサイドウォールとシリコン基板との界面の特性を改善することができ、それによって、耐圧を改善することができる。
【0032】
)また、本発明は、上記()において、側壁酸化膜が、SiO膜、SiON膜、或いは、TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)−NSG(Non Doped Silicate Glass)膜の内のいずれかであることを特徴とする。
【0033】
)また、本発明は、上記()乃至()のいずれかにおいて、窒素含有ガスが、アンモニア、アジ化水素、窒素、窒素ハロゲン化物、或いは、窒素酸化物の内のいずれかであることを特徴とする。
【0034】
この様に、界面に窒素を導入する触媒アニール工程に用いる窒素含有ガスとしては、アンモニア(NH)、アジ化水素(HN3 )、窒素、NHCl等の窒素ハロゲン化物、或いは、NO、NO、NO等の窒素酸化物のいずれを用いても良い。
【0036】
【発明の実施の形態】
ここで、本発明の各実施の形態を説明するが、各実施の形態の製造工程を説明する前に、図2を参照して、本発明の実施の形態に用いる触媒CVD装置を説明する。
図2参照
図2は、本発明の各実施の形態に用いる触媒CVD装置の概念的構成図であり、反応室となる真空容器11には弁12を介して拡散ポンプ13が接続されており、この拡散ポンプ13によって反応生成物或いは未反応の原料ガス19が排気される。
【0037】
また、真空容器11の上部中央には、基板ホルダー14が設けられており、この基板ホルダー14にはサセプタ等によって保持された試料15が固着されており、また、基板ホルダー14の凹部には試料を加熱するためにヒーター16が設けられており、試料15の温度は熱電対17によって監視される。
【0038】
また、試料15に対向するように、原料ガス19を吹き出すためのノズルを有するガス供給管18及びタングステン触媒体20を配置し、両者の間にシャッター23を設けておき、タングステン触媒体20には交流電源21から、700W程度、例えば、680Wの交流電力が供給され、タングステン触媒体20の抵抗発熱体線温度は1800〜1900℃程度の高温になる。
なお、タングステン触媒体20の抵抗発熱体線温度は、コイル状のタングステン触媒体20の電気抵抗の温度依存性からまず見積もられるが、真空容器11に設けた石英窓(図示せず)を介して電子式の赤外放射温度計22によって見積もられる。
【0039】
この高温のタングステン触媒体20に原料ガス19が吹きつけられて、原料ガス19とタングステン触媒体20とが接触することによって、原料ガス19が分解してラジカル等の活性種が形成され、シャッター23を開きこの活性種を含む雰囲気中に試料15が晒されることによって、成膜或いはアニール処理が行われる。
なお、この場合、タングステン触媒体20からの熱輻射による基板温度の上昇が危惧されるが、試料15とタングステン触媒体20との間の距離を5cm程度とした場合には、熱輻射による温度上昇は数10℃以内であるので、低温化の観点からは問題とならない(必要ならば、応用物理,Vol.66,No.10,pp.1094−1097,1997参照)。
【0040】
次に、図3及び図4を参照して、本発明の前提となる参考例1を説明するが、まず、図3を参照して、本発明の前提となる参考例1の製造工程を説明する。
図3(a)参照
まず、(100)面を主面とするn型シリコン基板31の表面をRCA洗浄によって清浄化したのち、図2に示した触媒CVD装置内において、n型シリコン基板31の温度を300℃とした状態で、原料ガス19としてSiH33を1.1sccm、NH32を50〜60sccm流して真空容器11内のガス圧を0.01Torrとし、n型シリコン基板31との間隔が3.7cmとなるように配置したタングステン触媒体20に交流電源21から680Wの交流電力を投入して1800〜1900℃に加熱し、この加熱されたタングステン触媒体20にNH3 32及びSiH33を接触させることによってNH3 32及びSiH33を分解して活性種34,35を生成し、この活性種34,35をn型シリコン基板31の表面で反応させることによって、厚さが、例えば、5nmのNリッチのSiON膜36が堆積される。
なお、この場合、SiN膜ではなくSiON膜36が形成される理由は必ずしも明らかではないが、配管ガス等に混入したOが原因であると推測される。
【0041】
図3(b)参照
引き続いて、同じ真空容器11内で(in−situ)、NH3 32及びSiH4 33の供給を停止し、H2 37を50sccm供給してガス圧を0.01Torrとした以外は成膜工程と同じ条件で、活性種38を生成し、この活性種38を含む雰囲気中でSiON膜36を、例えば、10分間熱処理することによって改質されたSiON膜39を形成する。
なお、この場合の活性種38は、H2 37が分解して形成されたラジカル等から構成されている。
【0042】
次に、図4を参照して、本発明の前提となる参考例1のH2 処理による界面状態の改善効果を説明する。
図4(a)参照
図4(a)は、Hによる触媒アニール処理を行わない前のSiON膜36のC−V特性を示す図であり、C−V特性にヒステリシスループが見られるので、n型シリコン基板31とSiON膜36との界面に活性なダングリング・ボンド等が発生し、界面準位密度が高密度になっていることが理解される。
【0043】
図4(b)参照
図4(b)は、H2 による触媒アニール処理を行った後のSiON膜39のC−V特性を示す図であり、このC−V特性にヒステリシスループがほとんど見られないので、ダングリング・ボンドが活性化した水素によって終端され、界面準位密度が大幅に低減していることが理解される。
なお、これらのC−V特性の測定に際しては、Al電極を形成するだけで、PMA処理は行っていない。
【0044】
この様に、H2 を触媒からなる抵抗発熱体によって分解して生成した活性種中での低温アニール処理によって、n型シリコン基板/SiON膜界面のダングリング・ボンドがHによって終端されるので界面準位密度を大幅に低減することができ、それによって、リーク電流が減少し、且つ、絶縁耐圧も向上するので、特性の優れたMISFETを製造することができる。
【0045】
また、参考例1の場合には、この様な触媒アニール処理を400℃未満の低温で、特に、300℃以下の低温において行うことができるので、しきい値電圧制御のためにチャネル領域に注入した不純物の再分布を抑制することができ、短チャネル効果の悪化を防止することができる。
【0046】
なお、この様な400℃未満でのアニール処理によってもSiON膜の界面状態の改質が可能になる理由は、必ずしも明らかでないが、従来例のような単なるメッシュ状の触媒ではなく、1800〜1900℃の高温になった抵抗発熱体のタングステン触媒体20を用いたことにより、H2 が効率的に分解されるためと考えられる。
【0047】
また、参考例1においては、触媒アニール処理を行うSiON膜を触媒CVD法によって成膜し、且つ、同じ装置内で引き続いて(in−situ)触媒アニール処理を行っているので、成膜装置とアニール装置を共通化することができ、さらに、触媒として抵抗発熱体を用いているので、触媒をアニール装置内に設けることができ、それによって、製造装置系の構成を簡素化することができる。
【0048】
次に、図5を参照して本発明の前提となる参考例2を説明するが、H処理の条件は上記の参考例1と同様であるので、製造工程の図示は省略する。
まず、(100)面を主面とするn型シリコン基板の表面をRCA洗浄によって清浄化したのち、n型シリコン基板の温度を50℃とした状態で、スパッタリング法によって厚さが10nmのSiO膜を堆積させる。
【0049】
次いで、図2に示した触媒CVD装置を用いて、n型シリコン基板の温度を300℃とした状態で、原料ガスとしてH2 を50sccm供給して真空容器内のガス圧を0.01Torrとし、n型シリコン基板との間隔が3.7cmとなるように配置したタングステン触媒体に交流電源から680Wの交流電力を投入して1800〜1900℃に加熱し、この加熱されたタングステン触媒体にH2 を接触させて活性種を生成し、この活性種を含む雰囲気中でSiO2 膜を、例えば、10分間熱処理することによって改質されたSiO2 膜を形成する。
【0050】
図5(a)参照
図5(a)は、H2 による触媒アニール処理を行わない前のSiO2 膜のC−V特性を示す図であり、C−V特性にヒステリシスループが見られるので、n型シリコン基板とSiO2 膜との界面に活性なダングリング・ボンド等は発生し、界面準位密度が高密度になっていることが理解される。
【0051】
図5(b)参照
図5(b)は、H2 による触媒アニール処理を行った後の改質されたSiO2 膜のC−V特性を示す図であり、このC−V特性にヒステリシスループがほとんど見られないので、ダングリング・ボンドが活性化した水素によって終端され、界面準位密度が大幅に低減していることが理解され、また、C−V特性の形状自体からは、膜質も改善されていることが理解される。
なお、これらのC−V特性の測定に際しては、Al電極を形成するだけで、PMA処理は行っていない。
【0052】
この様に、H2 処理の効果は、SiO2 膜に対しても効果的であることが理解され、したがって、ゲート酸化膜としてSiO2 膜を用いた場合にも、触媒によって活性化したH2 による低温処理によって、チャネルドープした不純物を再分布させることなく界面準位密度を大幅に低減することができ、それによって、リーク電流が減少し、且つ、絶縁耐圧も向上するので、特性の優れたMOSFETを製造することができる。
【0053】
次に、図6を参照して本発明の前提となる参考例3を説明するが、H処理の条件は上記の参考例1と同様であるので、製造工程の図示は省略する。
まず、(111)面を主面とするp型シリコン基板の表面をRCA洗浄によって清浄化したのち、p型シリコン基板の温度を600℃とした状態で、スパッタリング法によって厚さが20nmのCeO膜を堆積させる。
【0054】
次いで、図2に示した触媒CVD装置を用いて、p型シリコン基板の温度を300℃とした状態で、原料ガスとしてH2 を50sccm供給して真空容器内のガス圧を0.01Torrとし、p型シリコン基板との間隔が3.7cmとなるように配置したタングステン触媒体に交流電源から680Wの交流電力を投入して1800〜1900℃に加熱し、この加熱されたタングステン触媒体にH2 を接触させて活性種を生成し、この活性種を含む雰囲気中でCeO2 膜を、例えば、10分間熱処理することによって改質されたCeO2 膜を形成する。
【0055】
図6(a)参照
図6(a)は、H2 による触媒アニール処理を行わない前のCeO2 膜のC−V特性を示す図であり、C−V特性にヒステリシスループが見られるので、p型シリコン基板とCeO2 膜との界面に活性なダングリング・ボンド等は発生し、界面準位密度が高密度になっていることが理解される。
【0056】
図6(b)参照
図6(b)は、H2 による触媒アニール処理を行った後の改質されたCeO2 膜のC−V特性を示す図であり、このC−V特性にヒステリシスループがほとんど見られないので、ダングリング・ボンドが活性化した水素によって終端され、界面準位密度が大幅に低減していることが理解され、また、C−V特性の曲線形状自体からは、膜質も改善されていることが理解される。
なお、これらのC−V特性の測定に際しては、Al電極を形成するだけで、PMA処理は行っていない。
【0057】
この様に、H2 処理の効果は、CeO2 膜に対しても効果的であることが理解され、したがって、ゲート酸化膜として比誘電率(≒12)の高いCeO2 膜を用いた場合にも、触媒によって活性化したH2 による低温処理によって、チャネルドープした不純物を再分布させることなく界面準位密度を大幅に低減することができ、それによって、リーク電流が減少し、且つ、絶縁耐圧も向上する。したがって、膜厚の比較的厚いCeO2 膜をゲート絶縁膜として用いることによって、微細で特性の優れたMOSFETを再現性良く製造することができる。
【0058】
以上、参考例1乃至参考例3を説明してきたが、Hによる触媒アニール処理は、SiN膜とシリコン基板との界面状態の改善にも適用されるものであり、また、Hの代わりに、NH,HN,NO等の窒素含有ガスを用いても良いものであり、窒素含有ガスを用いた場合には、SiON膜、SiO膜、或いは、CeO膜の界面状態を改善することができるとともに、膜質も改善することが可能になる。
【0059】
以上を前提として、次に、図7を参照して、触媒アニールを行う時期に特徴のある第及び第の実施の形態を簡単に説明するが、まず、図7(a)を参照して、触媒アニールをゲート電極の形成後に行う本発明の第の実施の形態を説明する。
図7(a)参照
まず、p型シリコン基板41をパッド酸化膜を介して設けた窒化膜パターン(いずれも図示せず)をマスクとして選択酸化することによって素子分離酸化膜42を形成したのち、窒化膜パターン及びパッド酸化膜を除去し、次いで、上記の第1の実施の形態と同様に触媒CVD法を用いてゲート絶縁膜となる厚さが、例えば、5nmのSiON膜及び、ゲート電極となるドープトポリシリコン膜を順次堆積させ、次いで、ドープトポリシリコン膜及びSiON膜をパターニングすることによってゲート電極44及びゲート絶縁膜43を形成する。
【0060】
次いで、上記の参考例1と同じ条件において、H46を交流電源から680Wの交流電力を投入して1800〜1900℃に加熱したタングステン触媒体45に接触させて活性種47を生成し、この活性種47を含む雰囲気中でゲート絶縁膜43及びゲート電極44を、例えば、10分間熱処理することによって改質されたSiON膜からなるゲート絶縁膜43とするとともに、ゲート電極44のPMA処理とする。
【0061】
この様に、本発明の第の実施の形態においては、ゲート電極44に対するPMA処理を兼ねるH処理によってp型シリコン基板41/ゲート絶縁膜43の界面準位密度を低減しているので、少ない製造工程数で短チャネル効果の悪化のないMISFETを製造することができる。
【0062】
この第の実施の形態においてはゲート絶縁膜としてSiON膜を用いているが、ゲート絶縁膜として、SiO膜、CeO膜、或いは、SiN膜を用いても良く、これらのSiO膜、CeO膜、或いは、SiN膜をHによる触媒アニールすることによって界面特性を改善することができる。
【0063】
また、この場合の触媒アニールは、H2 に限られるものではなく、アンモニア(NH3 )、アジ化水素(HN3 )、窒素、NHCl2 等の窒素ハロゲン化物、或いは、N2 O、NO、NO2 等の窒素酸化物等の窒素含有ガスを用いても良いものであり、この様な窒素含有ガスを用いることによって、界面のダングリング・ボンドをNで終端することができ、且つ、ゲート絶縁膜43の誘電率も高めることができる。
【0064】
次に、図7(b)を参照して、触媒アニールをサイドウォールの形成後に行う本発明の第の実施の形態を説明する。
図7(b)参照
まず、p型シリコン基板41をパッド酸化膜を介して設けた窒化膜パターン(いずれも図示せず)をマスクとして選択酸化することによって素子分離酸化膜42を形成したのち、窒化膜パターン及びパッド酸化膜を除去し、次いで、上記の参考例と同様に触媒CVD法を用いてゲート絶縁膜となる厚さが、例えば、5nmのSiON膜及び、ゲート電極となるドープトポリシリコン膜を順次堆積させ、次いで、ドープトポリシリコン膜及びSiON膜をパターニングすることによってゲート電極44及びゲート絶縁膜43を形成する。
【0065】
次いで、ゲート電極44をマスクとしてAsイオンを注入することによって浅いn- 型のLDD(Lightly Doped Drain)領域48を形成したのち、低温CVD法を用いて全面にSiO2 膜を堆積させ、次いで、異方性エッチングを施すことによってゲート電極44の側壁にサイドウォール49を形成する。
【0066】
次いで、サイドウォール49をマスクとしてAsイオンを深く注入することによってn+ 型ソース・ドレイン領域50を形成したのち、NH51を50〜60sccm供給してガス圧を0.013Torrとした以外は上記の参考例1と同様の条件で1800〜1900℃に加熱したタングステン触媒体45にNH51を接触させて活性種52を生成し、この活性種52を含む雰囲気中でサイドウォール49を、例えば、1時間熱処理することによってサイドウォール49とp型シリコン基板41との界面のダングリング・ボンドをNによって終端させ、界面準位密度を低減するとともに、サイドウォール49の膜質も改善することができ、それによって、リーク電流を低減し、絶縁耐圧を高めることができる。
【0067】
なお、この場合、ゲート絶縁膜43の触媒アニールについては、上記の参考例1乃至参考例3の様にゲート絶縁膜43の堆積直後に行っても良いし、或いは、上記の第の実施の形態の様にゲート電極44のパターニング直後に行っても良いものであり、いずれの時点にも行わない場合には、サイドウォール49に対する触媒アニール工程がゲート絶縁膜43に対する触媒アニール工程を兼ねることになる。
【0068】
また、この第の実施の形態においては、触媒アニールの原料ガスとしてNHを用いているがNHに限られるものではなく、HN、窒素、NHCl等の窒素ハロゲン化物、或いは、NO、NO、NO等の窒素酸化物等の窒素含有ガスを用いても良いものである。
【0069】
また、この第の実施の形態においては、サイドウォール49をSiO膜によって形成しているが、SiO膜に限られるものではなく、触媒CVD法等によって形成されたSiON膜、或いは、O−TEOS(Tetra−Ethyl−Ortho−Silicate)ガスを用いたTEOS−NSG(Non Doped Silicate Glass)膜を用いても良いものである。
【0070】
また、この第の実施の形態においてもゲート絶縁膜としてSiON膜を用いているが、ゲート絶縁膜として、SiO膜、CeO膜、或いは、SiN膜を用いても良く、これらのSiO膜、CeO膜、或いは、SiN膜に窒素含有ガスによる触媒アニールを施すことによって、界面特性及び膜質を改善することができる。
【0071】
以上、本発明の各実施の形態を説明してきたが、本発明においては、高温に加熱される抵抗発熱体を触媒として用いているので、より低温におけるアニール処理が可能となり、それによって、不純物の再分布を問題にすることなく絶縁膜の膜質改善或いは界面状態の改善が可能になる。
また、触媒として抵抗発熱体を用いることによって触媒をアニール処理を行う真空容器内に設けることができるので、装置構成が簡素化される。
【0072】
なお、本発明は実施の形態に記載した構成・条件に限られるものではなく、各種の変更が可能である。
例えば、本発明の主要な特徴点は触媒アニール工程にあるものであり、触媒アニール処理の対象となる絶縁膜の堆積方法は、上記の各実施の形態に記載した方法に限られるものではない。
【0073】
また、上記の各実施の形態の説明においては、触媒作用のある抵抗発熱体をタングステン触媒体によって構成しているが、タングステン(W)に限られるものではなく、トリア含有タングステン、Pt,Pa,Mo,Si,Ta,Ti,Va,SiC、或いは、Ti酸化物を用いても良いものである。
【0074】
また、図2に示した触媒CVD装置において、タングステン触媒体20は、コイル状になっているが、インダクタンス特性を利用している訳ではないので、コイル状に限られるものではなく、また、印加電力も交流電力に限られるものではなく、直流電力でも良い。
【0075】
また、上記の各実施の形態の説明においては、n型シリコン基板或いはp型シリコン基板等のバルクシリコン基板を用いているが、バルクシリコン基板に限られるものではなく、シリコン基板等の基板上にエピタキシャル成長させた単結晶シリコン膜、或いは、絶縁基板上に堆積させた多結晶シリコン膜或いはアモルファスシリコン膜をレーザアニールによって結晶化した結晶性シリコン膜にも適用されるものであり、したがって、TFTのゲート絶縁膜の形成工程等に適用されるものである。
【0076】
また、本発明の触媒アニール処理は、300℃以下の温度で行えるので、低温プロセス化により寄与するものであるが、必ずしも、300℃以下に限られるものではなく、不純物の再分布等に関する条件が緩和される場合には、300℃以上の温度で触媒アニール処理を行っても良いものであり、例えば、PMA処理を兼ねる場合には、400℃未満の温度で行えば良い。
【0077】
【発明の効果】
本発明によれば、高温に加熱される抵抗発熱体からなる触媒によってH2 等の原料ガスを分解し、分解によって生成した活性種の雰囲気中で低温アニール処理することによって界面状態及び膜質を改善しているので、不純物の再分布を抑制することができ、それによって特性の優れたMISFETをバラツキなく製造することが可能になり、高集積度半導体集積回路装置の微細化・高性能化に寄与するところが大きい。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の原理的構成の説明図である。
【図2】本発明の各実施の形態に用いる触媒CVD装置の概念的構成図である。
【図3】 本発明の前提となる参考例1の製造工程の説明図である。
【図4】 本発明の前提となる参考例1のH処理による界面特性の改善効果の説明図である。
【図5】 本発明の前提となる参考例2のH処理による界面特性の改善効果の説明図である。
【図6】 本発明の前提となる参考例3のH処理による界面特性の改善効果の説明図である。
【図7】 本発明の第及び第の実施の形態の製造工程の説明図である。
【符号の説明】
1 基体
2 水素ガス
3 抵抗発熱体
4 活性種
5 絶縁膜
11 真空容器
12 弁
13 拡散ポンプ
14 基板ホルダー
15 試料
16 ヒーター
17 熱電対
18 ガス供給管
19 原料ガス
20 タングステン触媒体
21 交流電源
22 赤外放射温度計
23 シャッター
31 n型シリコン基板
32 NH3
33 SiH4
34 活性種
35 活性種
36 SiON膜
37 H2
38 活性種
39 SiON膜
41 p型シリコン基板
42 素子分離酸化膜
43 ゲート絶縁膜
44 ゲート電極
45 タングステン触媒体
46 H2
47 活性種
48 LDD領域
49 サイドウォール
50 n+ 型ソース・ドレイン領域
51 NH3
52 活性種
[0001]
BACKGROUND 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 characterized by a heat treatment method for improving the interface state between a semiconductor substrate and an insulating film and the film quality of the insulating film.
[0002]
[Prior art]
With the progress of high integration and miniaturization of semiconductor integrated circuit devices in recent years, miniaturization is also required for MISFETs (metal-insulator-semiconductor FETs) constituting the semiconductor integrated circuit device, and the voltage is lowered with miniaturization. Therefore, it is necessary to reduce the thickness of the gate insulating film, but the gate insulating film is made of SiO as in the conventional MISFET.2When a film is used, SiO2When the film thickness is reduced to about 4 nm, it becomes difficult to maintain the uniformity of the film thickness, and in addition to the increase in leakage current and the phenomenon that impurities doped into the gate electrode penetrate into the channel region, the characteristics of MISFET are serious. Has come to have an impact.
[0003]
In order to solve such a problem, as a gate insulating film, SiO2SiO instead of film2Silicon nitride film (SiN) having a relative dielectric constant larger than that of the filmxFilm, stoichiometrically SiThreeNFourFilm) and SiON films are being studied.
That is, since the relative dielectric constant of the SiN film or SiON film is large, SiO2This is because equivalent gate characteristics can be obtained even if a SiN film or a SiON film having a thickness greater than that of the film is used.
[0004]
As a conventional method for producing a SiON film, N2A method using an O gas or a method of exposing a substrate in a high-temperature nitrogen atmosphere after forming a thermal oxide film is used, but these processes are both high-temperature processes at 800 ° C. or higher. When the SiON film to be the gate insulating film is formed by such a high temperature process, the threshold voltage VthImpurities doped in the channel region for adjustment will be redistributed in the SiN film deposition process, and the short channel effect will be deteriorated, that is, punch-through between the source and drain regions will be induced.
In addition, such a high temperature process has a problem in that the wafer diameter is warped and the processing accuracy is lowered when the wafer diameter is increased in recent years.
[0005]
In view of the problems of such a high temperature process, application of a plasma CVD (PCVD) method and a JVD (Jet Vapor Deposition) method, which are low temperature processes, has been attempted. For example, see Yale University, Jet Process Corp. Alternatively, in Motorola, it has been studied to form a SiN film of 2 to 5 nm by JVD method in terms of EOT (Equivalent Oxide Thickness), and in particular, in Motorola, 0 Application studies on .35 μm devices have been conducted and have shown good results.
Note that EOT (equivalent oxide film thickness) means that the relative dielectric constant is SiO.2It is the film thickness of the insulating film calculated from the CV characteristics assuming that it is 3.9, the same as the film.
[0006]
Matsumura et al., One of the present inventors, has proposed a silicon-based thin film deposition method using a catalytic CVD method for low temperature processing (for example, Japanese Patent Laid-Open Nos. 8-250438 and 10). No. 83988, or Applied Physics, Vol. 66, No. 10, pp. 1094-1097, 1997), and Izumi, one of the inventors of the present invention, nitrided the surface of a substrate using a catalytic CVD apparatus. A method has been proposed (see Applied Physics Letters, Vol. 71, No. 10, pp. 1371- 1372, September, 1997).
[0007]
However, the SiN film or the SiON film formed by such a PCVD method, JVD method, or catalytic CVD method is not necessarily good in quality only by being deposited, and there is a problem that a hysteresis loop is seen in the CV characteristics. is there. The presence of a hysteresis loop in this CV characteristic means that there are a large number of active dangling bonds at the Si / SiN interface or Si / SiON interface, affecting the channel characteristics.
[0008]
Therefore, in order to improve the film quality of such a low temperature growth insulating film such as a low temperature SiON film, N at a high temperature of about 800 ° C.2It is necessary to perform annealing in an atmosphere, and as a result, the process becomes a high temperature process as a whole.
[0009]
Furthermore, in order to improve the film quality of the low-temperature SiON film, introduction of nitrogen into the SiON film using a plasma process is also being studied. However, damage to the SiON film due to plasma or damage to the silicon substrate may occur. There are concerns.
[0010]
On the other hand, as a gate insulating film, SiO2Even when an oxide film such as a film is used, the threshold voltage VthIn order to prevent deterioration of the short channel effect due to redistribution of impurities doped in the channel region for adjustment, that is, punch-through between the source and drain regions, SiO 22It is necessary to deposit an oxide film such as a film at a low temperature. Then, as described above, Si / SiO2A large number of active dangling bonds are generated at the interface of the film, which causes a problem of affecting channel characteristics.
[0011]
Accordingly, the present inventor has proposed a low temperature annealing method for improving the film quality of a SiN film formed at a low temperature on the premise of such circumstances, and will be described below.
First, after cleaning the surface of an n-type silicon substrate having a (100) plane as a main surface by RCA cleaning, SiH as a source gas in a state where the temperature of the n-type silicon substrate is 300 ° C. in a catalytic CVD apparatus.Four1.1 sccm, NHThreeThe AC pressure of 680 W is supplied from the AC power source to the tungsten catalyst body arranged so that the gas pressure in the vacuum vessel is 0.01 Torr and the distance from the n-type silicon substrate is 3.7 cm. Heat to 1800 to 1900 ° C., and the heated tungsten catalyst bodyThreeAnd SiHFourNH by contactingThreeAnd SiHFourIs decomposed to generate active species, and this active species is reacted on the surface of the n-type silicon substrate to deposit a SiN film.
[0012]
Subsequently, in the same vacuum vessel (in-situ), SiHFourThe supply of NHThreeThe active species are generated under the same conditions as the film forming process except that only 50-60 sccm is supplied and the gas pressure is 0.013 Torr, and the SiN film is heat-treated in an atmosphere containing the active species, for example, for 1 hour. Thus, a modified SiN film is formed.
In this case, the active species is NH.ThreeIs composed of various radicals formed by decomposition of N, among which N radicals are the most, followed by N2There are many radicals.
[0013]
In this case, NHThreeThe EOT of the SiN film before performing the catalyst annealing treatment by the process is estimated to be 4.06 nm, and the interface state density DuIs 8.63 × 1011cm-2eV-1Whereas NHThreeThe EOT of the SiN film after performing the catalyst annealing treatment by using the above is estimated to be 3.80 nm, the hysteresis characteristics are improved, and the interface state density DuIs 3.53 × 1011cm-2eV-1It was reduced to 1/2 or less before the treatment.
[0014]
NHThreeCompared to the leakage current of the SiN film having an EOT of 2.97 nm before the low temperature annealing treatment in the active species generated by decomposition of the silicon, the SiN film having the EOT of 2.78 nm after the low temperature annealing has two digits. As described above, the current density is reduced, and the withstand voltage is also improved.
[0015]
On the other hand, as another method for forming such an insulating film without high temperature process and plasma damage, annealing is performed at a temperature of 400 to 700 ° C. in a gas atmosphere activated by a catalyst after forming the insulating film by a low temperature process. It has been proposed (see, for example, JP-A-8-78695).
[0016]
In this proposal, a mesh-like catalyst is arranged in a reaction chamber in which heat treatment is performed or in a reaction chamber independent of the heat treatment, and activated by allowing the raw material gas to permeate the mesh-like catalyst. The silicon-hydrogen bond (Si-H) at the crystalline Si film / silicon oxide film interface is replaced with a silicon-nitrogen bond (Si≡N) by radicals to improve the film quality of the oxide film. The whole can be performed by a low temperature process of 700 ° C. or less.
[0017]
For example, in the above proposal, after depositing a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, for example, 100 nm as a gate insulating film on the surface of the crystalline Si film constituting the TFT by a plasma CVD method, After annealing at 350 ° C. for 2 hours, N activated by a reduced nickel network as a catalyst at a temperature of 200 to 600 ° C.2O is introduced into the reaction chamber, and heat treatment is performed at 400 to 700 ° C. for 1 hour, thereby reducing hydrogen in the silicon oxide film and at the interface between the silicon oxide film and the crystalline Si film by oxidation or nitridation. It is disclosed to improve the film quality and interface properties of the film.
[0018]
In the above proposal, a silicon oxide film having a thickness of 20 to 150 nm, for example, 100 nm, serving as a gate insulating film is deposited on the surface of the crystalline Si film constituting the TFT by a sputtering method, and then a platinum network serving as a catalyst. N activated by2By performing heat treatment at 500 to 650 ° C. for 1 hour using O, hydrogen in the silicon oxide film and at the interface between the silicon oxide film and the crystalline Si film is reduced by oxidation or nitridation, so that the film quality of the silicon oxide film and It is disclosed to improve the properties of the interface.
[0019]
Furthermore, in the above proposal, a 120-nm-thick silicon oxide film serving as a gate insulating film is deposited on the surface of the crystalline Si film constituting the TFT by an ECR-CVD method, and then the particulates in which Ti serving as a catalyst is adsorbed. Alternatively, NH diluted with Ar to 1-5% by powdered silica gelThreeAnd the silicon oxide film is nitrided by annealing for 1 hour, and then activated by the catalyst.2It is disclosed that the characteristics of the interface between the nitrided silicon oxide film and the crystalline Si film are improved by performing a heat treatment at 500 to 650 ° C. for 1 hour using O.
[0020]
[Problems to be solved by the invention]
However, NH using the above-mentioned catalytic CVD apparatusThreeIn the case of low-temperature heat treatment with active species, only the improvement of the quality of the SiN film or the improvement of the interface state is disclosed.2There is no suggestion of improving the film quality or interface state of other insulating films such as films.
[0021]
In addition, in the case of the low temperature annealing method using the gas activated by the catalyst described in JP-A-8-78695, it is basically assumed that the film quality or interface state is improved by nitriding. The silicon oxide film deposited by the PCVD method or ECR-CVD method is heat-treated at a temperature of 400 to 700 ° C. in a separate reaction chamber equipped with a mesh-like or granular catalyst. In addition, there is a problem that a temperature of 400 ° C. or higher is required even if it is a low temperature process.
[0022]
Therefore, an object of the present invention is to modify an insulating film formed at a low temperature by low-temperature annealing, and to simplify the configuration of a manufacturing apparatus system.
[0023]
[Means for Solving the Problems]
  FIG. 1 is an explanatory view of the principle configuration of the present invention, and means for solving the problems in the present invention will be described with reference to FIG.
  See Figure 1
  (1) The present invention provides a method for manufacturing a semiconductor device,Made of siliconDeposited on substrate 1GateAfter forming the gate electrode on the oxide film, a nitrogen-containing gas is blown onto the resistance heating element 3 made of a catalyst, and at least a part of the nitrogen-containing gas is decomposed by a contact reaction between the resistance heating element 3 and the nitrogen-containing gas. In the atmosphere of active species 4 produced by decompositionGateIt is characterized by exposing an oxide film.
[0027]
  (2In addition, the present invention provides the above (1), The oxide film is made of SiO.2Film, SiON film, or CeO2It is one of the membranes.
[0028]
  Thus, using the active species 4 activated by the resistance heating element 3 made of a catalyst, SiO 2 is used.2Film, SiON film, or CeO2By annealing an oxide film such as a film, N can be introduced into the interface between the substrate 1 and the oxide film only by a low-temperature process of, for example, 300 ° C. or less. Termination can improve the interface characteristics.
  Further, by configuring the catalyst with the resistance heating element 3, the catalyst can be provided in the annealing treatment apparatus, thereby simplifying the manufacturing apparatus system.
  The substrate 1 in the present invention means a silicon substrate, a silicon deposited layer formed on the substrate, or a metal.
[0029]
  In particularBy performing the low-temperature annealing treatment in the atmosphere of the active species 4 after the formation of the gate electrode, it can also serve as a PMA (post metal annealing) step, thereby reducing the number of manufacturing steps.
[0030]
  (3In addition, the present invention provides the above (1)Or (2)InAfter the side wall oxide film is formed on the side wall of the gate electrode, the side wall oxide film is exposed to the atmosphere of the active species 4 generated again by decomposition.It is characterized by that.
[0031]
  In this way, the nitriding treatment of the interface in the atmosphere of the active species 4 is performed after the sidewall oxide film, that is, the sidewall is formed on the sidewall of the gate electrode, whereby the sidewalls on both sides of the gate electrode and the silicon substrate are formed. The characteristics of the interface can be improved, whereby the breakdown voltage can be improved.
[0032]
  (4In addition, the present invention provides the above (3), The sidewall oxide film is made of SiO.2It is one of a film, a SiON film, or a TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) -NSG (Non Doped Silicate Glass) film.
[0033]
  (5In addition, the present invention provides the above (1) To (5), The nitrogen-containing gas is any one of ammonia, hydrogen azide, nitrogen, nitrogen halide, and nitrogen oxide.
[0034]
  As described above, the nitrogen-containing gas used in the catalyst annealing step for introducing nitrogen into the interface is ammonia (NH3), Hydrogen azide (HN3), nitrogen, NHCl2Nitrogen halides such as N or N2O, NO, NO2Any of nitrogen oxides such as these may be used.
[0036]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Here, each embodiment of the present invention will be described. Before describing the manufacturing process of each embodiment, a catalytic CVD apparatus used in the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
See Figure 2
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a catalytic CVD apparatus used in each embodiment of the present invention. A diffusion pump 13 is connected to a vacuum vessel 11 serving as a reaction chamber via a valve 12. 13, the reaction product or the unreacted raw material gas 19 is exhausted.
[0037]
A substrate holder 14 is provided at the upper center of the vacuum vessel 11, and a sample 15 held by a susceptor or the like is fixed to the substrate holder 14, and a sample is held in a recess of the substrate holder 14. A heater 16 is provided to heat the sample 15, and the temperature of the sample 15 is monitored by a thermocouple 17.
[0038]
Further, a gas supply pipe 18 having a nozzle for blowing out the source gas 19 and a tungsten catalyst body 20 are arranged so as to face the sample 15, and a shutter 23 is provided between them, AC power of about 700 W, for example, 680 W, is supplied from the AC power source 21, and the resistance heating element line temperature of the tungsten catalyst body 20 becomes a high temperature of about 1800 to 1900 ° C.
Note that the resistance heating element line temperature of the tungsten catalyst body 20 is first estimated from the temperature dependence of the electrical resistance of the coiled tungsten catalyst body 20, but through a quartz window (not shown) provided in the vacuum vessel 11. It is estimated by an electronic infrared radiation thermometer 22.
[0039]
The source gas 19 is blown onto the high-temperature tungsten catalyst body 20, and the source gas 19 and the tungsten catalyst body 20 come into contact with each other, whereby the source gas 19 is decomposed to form active species such as radicals, and the shutter 23 When the sample 15 is exposed to an atmosphere containing this active species, film formation or annealing is performed.
In this case, the substrate temperature may be increased due to heat radiation from the tungsten catalyst body 20, but when the distance between the sample 15 and the tungsten catalyst body 20 is about 5 cm, the temperature increase due to heat radiation is Since it is within several tens of degrees Celsius, there is no problem from the viewpoint of lowering the temperature (see Applied Physics, Vol. 66, No. 10, pp. 1094-1097, 1997 if necessary).
[0040]
  Next, referring to FIG. 3 and FIG.Reference example 1First, referring to FIG. 3, the present invention will be described.Reference example 1The manufacturing process will be described.
  See Fig. 3 (a)
  First, after cleaning the surface of the n-type silicon substrate 31 having the (100) plane as the main surface by RCA cleaning, the temperature of the n-type silicon substrate 31 is set to 300 ° C. in the catalytic CVD apparatus shown in FIG. In the state, SiH as the source gas 19433 is 1.1 sccm, NH332 is flowed at 50 to 60 sccm, the gas pressure in the vacuum vessel 11 is set to 0.01 Torr, and the alternating current of 680 W from the AC power source 21 is applied to the tungsten catalyst body 20 arranged so that the distance from the n-type silicon substrate 31 is 3.7 cm. Electric power was applied to heat to 1800 to 1900 ° C., and NH 3 32 and SiH were added to the heated tungsten catalyst body 20.4NH3 32 and SiH by contacting 33433 is decomposed to generate active species 34 and 35, and the active species 34 and 35 are reacted on the surface of the n-type silicon substrate 31, thereby depositing an N-rich SiON film 36 having a thickness of, for example, 5 nm. Is done.
  In this case, the reason why the SiON film 36 is formed instead of the SiN film is not necessarily clear, but the O gas mixed in the piping gas or the like is not clear.2Is presumed to be the cause.
[0041]
Refer to FIG.
Subsequently, in the same vacuum vessel 11 (in-situ), NHThree32 and SiHFourStop the supply of 33, H2An active species 38 is generated under the same conditions as the film forming process except that 50 sccm of 37 is supplied and the gas pressure is 0.01 Torr, and the SiON film 36 is heat-treated, for example, for 10 minutes in an atmosphere containing the active species 38. Thus, a modified SiON film 39 is formed.
In this case, the active species 38 is H237 is composed of radicals formed by decomposition.
[0042]
  Next, referring to FIG.Reference example 1The effect of improving the interface state by the H2 treatment will be described.
  See Fig. 4 (a)
  FIG. 4 (a) shows H2FIG. 5 is a diagram showing the CV characteristics of the SiON film 36 before the catalyst annealing treatment by the step S is performed, and since a hysteresis loop is seen in the CV characteristics, it is active at the interface between the n-type silicon substrate 31 and the SiON film 36. It is understood that dangling bonds and the like are generated and the interface state density is high.
[0043]
Refer to FIG.
FIG. 4B shows H2FIG. 5 is a diagram showing the CV characteristics of the SiON film 39 after performing the catalyst annealing treatment by the GaN, and since the hysteresis loop is hardly seen in the CV characteristics, the dangling bonds are terminated by the activated hydrogen. It is understood that the interface state density is greatly reduced.
When measuring these CV characteristics, only an Al electrode is formed, and no PMA treatment is performed.
[0044]
Like this, H2The dangling bonds at the n-type silicon substrate / SiON film interface are terminated by H by the low-temperature annealing treatment in the active species generated by decomposing the catalyst with a resistance heating element comprising a catalyst, thereby greatly increasing the interface state density. As a result, the leakage current is reduced and the withstand voltage is also improved, so that a MISFET having excellent characteristics can be manufactured.
[0045]
  Also,Reference example 1In this case, since such a catalyst annealing treatment can be performed at a low temperature of less than 400 ° C., particularly at a low temperature of 300 ° C. or less, the redistribution of impurities implanted into the channel region for threshold voltage control And the deterioration of the short channel effect can be prevented.
[0046]
The reason why the interface state of the SiON film can be modified even by such an annealing process at less than 400 ° C. is not necessarily clear, but it is not a mere mesh-like catalyst as in the conventional example, but 1800 to 1900. By using the tungsten catalyst body 20 of the resistance heating element having a high temperature of ° C,2Is considered to be efficiently decomposed.
[0047]
  Also,Reference example 1In, the SiON film to be subjected to the catalyst annealing process is formed by the catalytic CVD method, and the catalyst annealing process is subsequently performed in the same apparatus, so the film forming apparatus and the annealing apparatus are made common. Furthermore, since the resistance heating element is used as the catalyst, the catalyst can be provided in the annealing apparatus, thereby simplifying the configuration of the manufacturing apparatus system.
[0048]
  Next, referring to FIG.Reference example 2H2The processing conditions are as described above.Reference example 1Therefore, the illustration of the manufacturing process is omitted.
  First, after cleaning the surface of an n-type silicon substrate having a (100) plane as a main surface by RCA cleaning, SiO 2 having a thickness of 10 nm is formed by sputtering with the temperature of the n-type silicon substrate being 50 ° C.2Deposit film.
[0049]
Next, using the catalytic CVD apparatus shown in FIG. 2, the temperature of the n-type silicon substrate is set to 300 ° C., and the source gas is H.21800 by supplying AC power of 680 W from an AC power source to a tungsten catalyst body arranged so that the gas pressure in the vacuum vessel is 0.01 Torr and the distance from the n-type silicon substrate is 3.7 cm. It is heated to ˜1900 ° C., and the heated tungsten catalyst body is added with H2To generate active species, and in an atmosphere containing the active species, SiO2SiO film modified by heat treating the film, for example for 10 minutes2A film is formed.
[0050]
Refer to FIG.
FIG. 5 (a) shows H2SiO before catalyst annealing by2It is a figure which shows the CV characteristic of a film | membrane, Since a hysteresis loop is seen in a CV characteristic, an n-type silicon substrate and SiO2It is understood that active dangling bonds and the like are generated at the interface with the film, and the interface state density is high.
[0051]
Refer to FIG.
FIG. 5B shows H2Modified SiO after catalyst annealing with2It is a figure which shows the CV characteristic of a film | membrane, Since a hysteresis loop is hardly seen in this CV characteristic, a dangling bond is terminated by the activated hydrogen and an interface state density reduces significantly. It is understood that the film quality is also improved from the shape of the CV characteristic itself.
When measuring these CV characteristics, only an Al electrode is formed, and no PMA treatment is performed.
[0052]
Like this, H2The effect of the treatment is SiO2It is understood that it is also effective for the film, and therefore SiO2Even when a membrane is used, H activated by a catalyst is used.2Due to the low temperature treatment, the interface state density can be greatly reduced without redistributing the channel-doped impurities, thereby reducing the leakage current and improving the withstand voltage. MOSFETs can be manufactured.
[0053]
  Next, referring to FIG.Reference example 3H2The processing conditions are as described above.Reference example 1Therefore, the illustration of the manufacturing process is omitted.
  First, after cleaning the surface of a p-type silicon substrate having a (111) plane as a main surface by RCA cleaning, CeO having a thickness of 20 nm is formed by sputtering with the temperature of the p-type silicon substrate being 600 ° C.2Deposit film.
[0054]
Next, using the catalytic CVD apparatus shown in FIG. 2, the temperature of the p-type silicon substrate is set to 300 ° C., and the source gas is H.21800 by supplying AC power of 680 W from an AC power source to a tungsten catalyst body disposed so that the gas pressure in the vacuum vessel is 0.01 Torr and the distance from the p-type silicon substrate is 3.7 cm. Heated to ˜1900 ° C., and this heated tungsten catalyst body was2To generate active species, and CeO in an atmosphere containing the active species2CeO modified by, for example, heat treating the membrane for 10 minutes2A film is formed.
[0055]
See Fig. 6 (a)
FIG. 6A shows H2CeO before catalyst annealing by2It is a figure which shows the CV characteristic of a film | membrane, Since a hysteresis loop is seen in a CV characteristic, p-type silicon substrate and CeO2It is understood that active dangling bonds and the like are generated at the interface with the film, and the interface state density is high.
[0056]
See Fig. 6 (b)
FIG. 6B shows H2Modified CeO after catalytic annealing with2It is a figure which shows the CV characteristic of a film | membrane, Since a hysteresis loop is hardly seen in this CV characteristic, a dangling bond is terminated by the activated hydrogen and an interface state density reduces significantly. It is understood that the film quality is also improved from the curve shape itself of the CV characteristic.
When measuring these CV characteristics, only an Al electrode is formed, and no PMA treatment is performed.
[0057]
Like this, H2The effect of treatment is CeO2It is understood that the present invention is also effective for a film, and therefore, CeO having a high relative dielectric constant (≈12) as a gate oxide film.2Even when a membrane is used, H activated by a catalyst is used.2By the low temperature treatment, the interface state density can be significantly reduced without redistributing the channel-doped impurities, thereby reducing the leakage current and improving the withstand voltage. Therefore, the relatively thick CeO film2By using the film as a gate insulating film, a fine MOSFET having excellent characteristics can be manufactured with good reproducibility.
[0058]
  more than,Reference Example 1 to Reference Example 3Has been explained, but H2The catalyst annealing treatment by is applied to the improvement of the interface state between the SiN film and the silicon substrate, and H2Instead of NH3, HN3, N2Nitrogen-containing gas such as O may be used. When nitrogen-containing gas is used, SiON film, SiO2Membrane or CeO2The interface state of the film can be improved, and the film quality can also be improved.
[0059]
  Given the above,Next, referring to FIG. 7, the characteristic feature of the catalyst annealing time is1And the second2The embodiment of the present invention will be briefly described. First, referring to FIG. 7A, the catalyst annealing is performed after the formation of the gate electrode.1The embodiment will be described.
  See Fig. 7 (a)
  First, an element isolation oxide film 42 is formed by selectively oxidizing a p-type silicon substrate 41 with a nitride film pattern (both not shown) provided via a pad oxide film as a mask, and then the nitride film pattern and the pad oxidation are formed. The film is removed, and then a SiON film having a thickness of, for example, 5 nm, which becomes a gate insulating film using a catalytic CVD method, as in the first embodiment, and a doped polysilicon film which becomes a gate electrode Are sequentially deposited, and then a gate electrode 44 and a gate insulating film 43 are formed by patterning the doped polysilicon film and the SiON film.
[0060]
  Then aboveReference example 1Under the same conditions as246 is brought into contact with a tungsten catalyst body 45 heated to 1800 to 1900 ° C. by supplying AC power of 680 W from an AC power source to generate active species 47, and the gate insulating film 43 and the gate are formed in an atmosphere containing the active species 47. For example, the electrode 44 is a gate insulating film 43 made of a SiON film modified by heat treatment for 10 minutes, and the gate electrode 44 is subjected to PMA treatment.
[0061]
  In this way, the first of the present invention1In the present embodiment, H which also serves as PMA processing for the gate electrode 442Since the interface state density of the p-type silicon substrate 41 / gate insulating film 43 is reduced by the process, a MISFET with no deterioration of the short channel effect can be manufactured with a small number of manufacturing steps.
[0062]
  This first1In this embodiment, a SiON film is used as the gate insulating film.2Membrane, CeO2A film or SiN film may be used.2Membrane, CeO2Film or SiN film is H2Interfacial properties can be improved by annealing the catalyst.
[0063]
Moreover, the catalyst annealing in this case is H2It is not limited to ammonia (NHThree), Hydrogen azide (HNThree), Nitrogen, NHCl2Nitrogen halides such as N or N2O, NO, NO2Nitrogen-containing gas such as nitrogen oxide may be used, and by using such nitrogen-containing gas, dangling bonds at the interface can be terminated with N, and the gate insulating film The dielectric constant of 43 can also be increased.
[0064]
  Next, referring to FIG. 7B, the first step of the present invention in which the catalyst annealing is performed after the sidewalls are formed.2The embodiment will be described.
  Refer to FIG.
  First, an element isolation oxide film 42 is formed by selectively oxidizing a p-type silicon substrate 41 with a nitride film pattern (both not shown) provided via a pad oxide film as a mask, and then the nitride film pattern and the pad oxidation are formed. Remove the membrane, thenReference exampleIn the same manner as in Example 1, a 5 nm thick SiON film and a doped polysilicon film serving as a gate electrode are sequentially deposited using a catalytic CVD method, and then a doped polysilicon film and an SiON film are deposited. Then, the gate electrode 44 and the gate insulating film 43 are formed.
[0065]
Next, by implanting As ions using the gate electrode 44 as a mask, shallow n-After forming a type LDD (Lightly Doped Drain) region 48, SiO 2 is formed on the entire surface using a low temperature CVD method.2A side wall 49 is formed on the side wall of the gate electrode 44 by depositing a film and then performing anisotropic etching.
[0066]
  Next, as ions are deeply implanted using the side wall 49 as a mask,+ After forming the source / drain regions 50, the NH351 is supplied except 50-60 sccm and the gas pressure is 0.013 Torr.Reference example 1The tungsten catalyst body 45 heated to 1800-1900 ° C. under the same conditions as in351 is brought into contact with each other to generate active species 52, and the side wall 49 is heat-treated in an atmosphere containing the active species 52, for example, for 1 hour, thereby dangling the interface between the side wall 49 and the p-type silicon substrate 41. The bond is terminated with N, the interface state density can be reduced, and the film quality of the sidewall 49 can be improved, whereby the leakage current can be reduced and the withstand voltage can be increased.
[0067]
  In this case, the catalyst annealing of the gate insulating film 43 is performed as described above.Reference Example 1 to Reference Example 3Or may be performed immediately after the gate insulating film 43 is deposited, or1As in the above embodiment, it may be performed immediately after the patterning of the gate electrode 44, and if not performed at any time, the catalyst annealing step for the sidewall 49 is replaced with the catalyst annealing step for the gate insulating film 43. I will also serve.
[0068]
  This second2In this embodiment, NH is used as a raw material gas for catalyst annealing.3Is used but NH3Is not limited to HN3, Nitrogen, NHCl2Nitrogen halides such as N or N2O, NO, NO2Nitrogen-containing gases such as nitrogen oxides may be used.
[0069]
  This second2In this embodiment, the sidewall 49 is made of SiO.2Although it is formed by a film, SiO2The film is not limited to a film, but a SiON film formed by catalytic CVD or the like, or O3A TEOS-NSG (Non Doped Silicate Glass) film using a TEOS (Tetra-Ethyl-Ortho-Silicate) gas may be used.
[0070]
  This second2In this embodiment, the SiON film is used as the gate insulating film, but the SiON film is used as the gate insulating film.2Membrane, CeO2A film or SiN film may be used.2Membrane, CeO2Interfacial characteristics and film quality can be improved by subjecting the film or SiN film to catalytic annealing with a nitrogen-containing gas.
[0071]
As described above, each embodiment of the present invention has been described. However, in the present invention, since a resistance heating element heated to a high temperature is used as a catalyst, an annealing process at a lower temperature can be performed. It is possible to improve the quality of the insulating film or the interface state without causing redistribution.
Further, by using a resistance heating element as the catalyst, the catalyst can be provided in a vacuum vessel that performs the annealing treatment, so that the apparatus configuration is simplified.
[0072]
The present invention is not limited to the configurations and conditions described in the embodiments, and various modifications can be made.
For example, the main feature of the present invention resides in the catalyst annealing step, and the method for depositing the insulating film to be subjected to the catalyst annealing treatment is not limited to the method described in each of the above embodiments.
[0073]
Further, in the description of each of the above embodiments, the resistance heating element having a catalytic action is constituted by a tungsten catalyst body, but is not limited to tungsten (W), and tria-containing tungsten, Pt, Pa, Mo, Si, Ta, Ti, Va, SiC, or Ti oxide may be used.
[0074]
In the catalytic CVD apparatus shown in FIG. 2, the tungsten catalyst body 20 has a coil shape, but is not limited to the coil shape because the inductance characteristic is not used. The power is not limited to AC power, and may be DC power.
[0075]
In the description of each of the above embodiments, a bulk silicon substrate such as an n-type silicon substrate or a p-type silicon substrate is used. However, the present invention is not limited to a bulk silicon substrate. It is also applicable to a single crystal silicon film grown epitaxially, or a crystalline silicon film obtained by crystallizing a polycrystalline silicon film or an amorphous silicon film deposited on an insulating substrate by laser annealing. The present invention is applied to an insulating film forming process or the like.
[0076]
In addition, since the catalyst annealing treatment of the present invention can be performed at a temperature of 300 ° C. or lower, it contributes to low-temperature processing, but is not necessarily limited to 300 ° C. or lower. When mitigated, the catalyst annealing process may be performed at a temperature of 300 ° C. or higher. For example, when the PMA process is also performed, it may be performed at a temperature of less than 400 ° C.
[0077]
【The invention's effect】
According to the present invention, the catalyst comprising the resistance heating element heated to a high temperature can be2Since the interface state and film quality are improved by decomposing the raw material gas, etc. and performing low-temperature annealing treatment in the atmosphere of the active species generated by the decomposition, the redistribution of impurities can be suppressed, thereby It becomes possible to manufacture excellent MISFETs without variations and greatly contributes to miniaturization and high performance of highly integrated semiconductor integrated circuit devices.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory diagram of a basic configuration of the present invention.
FIG. 2 is a conceptual configuration diagram of a catalytic CVD apparatus used in each embodiment of the present invention.
FIG. 3 of the present inventionReference example 1It is explanatory drawing of this manufacturing process.
FIG. 4 of the present inventionReference example 1H2It is explanatory drawing of the improvement effect of the interface characteristic by a process.
FIG. 5 shows the present invention.Reference example 2H2It is explanatory drawing of the improvement effect of the interface characteristic by a process.
FIG. 6 of the present inventionReference example 3H2It is explanatory drawing of the improvement effect of the interface characteristic by a process.
FIG. 7 shows the first of the present invention.1And the second2It is explanatory drawing of the manufacturing process of this embodiment.
[Explanation of symbols]
1 Base
2 Hydrogen gas
3 resistance heating elements
4 active species
5 Insulating film
11 Vacuum container
12 valves
13 Diffusion pump
14 Substrate holder
15 samples
16 Heater
17 Thermocouple
18 Gas supply pipe
19 Source gas
20 Tungsten catalyst body
21 AC power supply
22 Infrared radiation thermometer
23 Shutter
31 n-type silicon substrate
32 NHThree
33 SiHFour
34 Active species
35 active species
36 SiON film
37 H2
38 Active species
39 SiON film
41 p-type silicon substrate
42 Device isolation oxide film
43 Gate insulation film
44 Gate electrode
45 Tungsten catalyst body
46H2
47 Active species
48 LDD region
49 Sidewall
50 n+Type source / drain region
51 NHThree
52 active species

Claims (5)

シリコンからなる基体上に堆積したゲート酸化膜上にゲート電極を形成したのち、触媒からなる抵抗発熱体に窒素含有ガスを吹きつけ、前記抵抗発熱体と窒素含有ガスとの接触反応によって窒素含有ガスの少なくとも一部を分解し、分解によって生成された活性種の雰囲気中に前記ゲート酸化膜を晒すことを特徴とする半導体装置の製造方法。After forming the gate electrode on the gate oxide film deposited on the substrate made of silicon , the nitrogen-containing gas is blown to the resistance heating element made of the catalyst, and the nitrogen-containing gas is brought into contact with the resistance heating element by the nitrogen-containing gas. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: decomposing at least a part of the gate oxide film and exposing the gate oxide film to an atmosphere of active species generated by the decomposition. 前記酸化膜が、SiO膜、SiON膜、或いは、CeO膜の内のいずれかであることを特徴とする請求項1記載の半導体装置の製造方法。 The method for manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the oxide film is one of a SiO 2 film, a SiON film, and a CeO 2 film. 前記ゲート電極の側壁に側壁酸化膜を形成した後に、再び前記分解によって生成された活性種の雰囲気中に前記側壁酸化膜を晒すことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の半導体装置の製造方法。3. The semiconductor device according to claim 1, wherein after the sidewall oxide film is formed on the sidewall of the gate electrode, the sidewall oxide film is exposed again to an atmosphere of active species generated by the decomposition. Manufacturing method. 前記側壁酸化膜が、SiO膜、SiON膜、或いは、TEOS−NSG膜の内のいずれかであることを特徴とする請求項記載の半導体装置の製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3 , wherein the sidewall oxide film is one of a SiO 2 film, a SiON film, or a TEOS-NSG film. 前記窒素含有ガスが、アンモニア、アジ化水素、窒素、窒素ハロゲン化物、或いは、窒素酸化物の内のいずれかであることを特徴とする請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造方法。 The nitrogen-containing gas is any one of ammonia, hydrogen azide, nitrogen, nitrogen halide, or nitrogen oxide, according to any one of claims 1 to 4 . A method for manufacturing a semiconductor device.
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