JPWO2006016642A1 - 半導体装置の製造方法およびプラズマ酸化処理方法 - Google Patents
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Abstract
Description
しかし、このRLSA方式のプラズマ処理装置を用いて再酸化処理を行なう過程で、タングステンによりチャンバーが汚染されると、その機構は未解明であるものの、ポリシリコンの酸化が妨げられ、酸化膜厚が低下するという現象が確認された。RLSA方式のプラズマ処理装置は、再酸化プロセスへの適用において多くのメリットを有するが、酸化膜厚が低下してしまうと半導体製品においてリーク電流の増大などを招き、再酸化の本来の目的を達成することさえできなくなる。
第2に、再酸化の過程でタングステン等の金属による半導体装置の汚染を極力低減することである。
第3に、RLSA方式のプラズマ処理装置を使用する再酸化プロセスにおいても、ポリシリコン層の酸化膜厚を低下させず、確実に再酸化を行なうことである。
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ポリシリコン層に酸化膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法が提供される。
このゲート絶縁膜上に、少なくとも、ポリシリコン層および高融点金属を主成分とする金属層を含む積層体を形成する工程と、
前記積層体をエッチング処理してゲート電極を形成する工程と、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ゲート電極中のポリシリコン層を選択的に酸化する工程と、
を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法が提供される。
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行なうことを特徴とする、プラズマ酸化処理方法が提供される。
前記制御プログラムは、実行時に、複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いて、少なくともポリシリコン層と高融点金属を主成分とする金属層とを有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法が行なわれるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ記憶媒体が提供される。
複数のスロットを有する平面アンテナにて前記処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記処理室内で、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いて、少なくともポリシリコン層と高融点金属を主成分とする金属層とを有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置が提供される。
処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスと希ガスを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ポリシリコン層に酸化膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法が提供される。
また、前記処理ガス中の希ガスと水素ガスとの流量比が、1.25〜10であることが好ましい。
また、前記プラズマ処理における処理温度は、250℃以上とすることができ、250℃以上900℃以下が好ましい。
さらに、タングステン汚染の低減もしくは抑制によって、チャンバー内をクリーンな状態に維持することができるので、同一チャンバー内で繰り返し再酸化処理を行なっても、RLSA方式のプラズマ処理装置による再酸化プロセスに特異的な現象であった酸化膜厚の低下を抑制することができる。
すなわち、RLSA方式のプラズマ処理装置を用いる場合、高密度で低電子温度のプラズマを形成できるため、他のプラズマ処理装置に比べてダメージの少ない良質な酸化膜を形成することが可能である。従って、ポリシリコン層側壁の酸化膜質が熱酸化処理による酸化膜質に比べ非常に良好であり、例えば400℃前後の低温処理の場合でも熱酸化処理以上のリーク電流特性を得ることが可能である。
図1は、本発明のプラズマ酸化処理方法の実施に適したプラズマ処理装置の一例を模式的に示す断面図である。このプラズマ処理装置は、複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるRLSA(Radial Line Slot Antenna;ラジアルラインスロットアンテナ)プラズマ生成技術を利用することにより、高密度かつ低電子温度のマイクロ波プラズマを発生させ得るものである。
また、H2ガスに対するArガスの流量比Ar/H2は、1〜20の範囲から選択することが好ましく、1.25〜10がより好ましい。
W + 3O* → WO3 ・・・ (1)
WO3 + 3H* → W+3OH* ・・・(2)
タングステン層66の上には、窒化シリコンなどのハードマスク層67を形成し、さらにフォトレジスト膜(図示せず)を形成しておく。
図6には、比較のため、処理ガス流量をAr/O2=1000/10mL/minとした場合の酸化によって酸化膜を形成したゲート電極の断面構造(TEM像)を示す。プラズマ酸化処理におけるSi基板61の温度は250℃、圧力は133.3Pa(1Torr)、プラズマへの供給パワーは3.5kW、処理時間は120秒であった。
図5および図6のゲート電極は、図4Cと同様に、Si基板61上にゲート絶縁膜62、ポリシリコン層63、タングステンナイトライドのバリア層65、タングステン層66(黒色の層)、窒化シリコンのハードマスク層67が順に積層された構造である。なお、図5および図6は実際のTEM像であるため、ゲート絶縁膜62、酸化膜68およびバリア層65は明瞭には描かれていない。
これに対して、H2/O2比1でプラズマ処理をした場合、図5に示すように、タングステン層66の酸化が抑制され、膨張は生じなかった。なお、図示していないが、H2/O2比8でプラズマ処理をした場合、Si基板温度500℃の酸化でも、図5と同様にタングステン層66の酸化と膨張が抑制されていた。従って、H2/O2の流量比が1以上20以下であれば、タングステン層66の側壁を酸化させずにポリシリコン層63を選択的に酸化することが可能であり、好ましくはH2/O2比を4以上、さらに好ましくはH2/O2比を8以上にすることにより、タングステン層66の露出部分の酸化をほぼ完全に抑制しつつ、ポリシリコン層63の露出部を酸化させる良好なプラズマ酸化処理が可能になる。
タングステンの酸化を抑制する上で好ましいH2/O2比は、1.5以上20以下であり、より好ましくは2以上であり、さらに4以上ではWO3の生成を略完全に抑制できることがわかる。また、シリコンの酸化レートを一定レベル以上に維持する観点での好ましいH2/O2比は、1以上15以下であり、好ましくは1.5以上15以下であることがわかる。
以上のことから、プラズマ処理装置100によるポリシリコン層の選択的再酸化において、タングステンの酸化を抑制するためのH2/O2比は、1.5以上20以下に設定することが好ましく、2以上20以下がより好ましい。また、シリコンの酸化レートを考慮した場合は、1以上15以下とすることが好ましい。
なお、比較のため、プラズマ酸化処理を行なっていない未処理の場合の結果も併せて示した。また、プラズマ酸化処理における処理ガスの流量比は、Ar/O2/H2=1000/10/10、またはAr/O2=1000/10とし、Si基板温度250℃、圧力は133.3Pa、プラズマへの供給パワーは3.5kW、処理時間はAr/O2 3.0nmが30秒、Ar/O2 5.0nmが227秒、Ar/H2/O2 3.0nmが21秒、Ar/H2/O2 5.0nmが68秒、Ar/H2/O2 8.0nmが177秒で行なった。
また、タングステン汚染を防止することによって、RLSA方式のプラズマ処理に特有の課題である酸化膜厚の低下も確実に防止できる。
プラズマ処理条件は、処理温度を800℃とし、他は上記選択酸化処理と同様の条件で実施した。すなわち、Ar/O2/H2流量は、1000/100/200mL/minであり、処理圧力は6.7Pa、プラズマへの供給パワーは2.2kWで行なった。
なお、図16において、曲線Aは、0deg、曲線Bは45deg、曲線Cは60degの測定結果をそれぞれ示している。
一方、図17Bは、バーズビーク71が形成された状態であり、ポリシリコン層63とSi基板61の界面に酸素ラジカル(O*)や酸素イオン(O−)等の活性な酸化剤が拡散して酸化が進み、酸化膜(ゲート絶縁膜62)が成長したものである。このようなバーズビーク71は、特に熱酸化処理においては顕著に形成され易い。
例えば、ゲート電極としては、ポリシリコンにタングステンまたはタングステンシリサイドを積層したものに限らず、他の高融点電極材料やそれらのシリサイドを積層した構造のゲート電極にも適用できる。
また、本発明方法は、トランジスタのゲート電極以外に、例えば、メタル材料の酸化を抑制しつつ、シリコンを含む材料を選択的に酸化させる必要のある種々の半導体装置の製造にも適用可能である。
産業上の利用の可能性
本発明は、各種半導体装置の製造において好適に利用可能である。
Claims (33)
- 少なくとも、ポリシリコン層と、高融点金属を主成分とする金属層と、を有する積層体に対し、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ポリシリコン層に酸化膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法。 - 請求項1において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、1.5以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項1において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、2以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項1において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、8以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項1において、前記プラズマ処理における処理温度が250℃以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項5において、前記プラズマ処理における処理温度が900℃以下であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項1において、前記半導体装置はトランジスタであることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項1において、前記金属層は、タングステン層、またはタングステンシリサイド層であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 半導体基板の上にゲート絶縁膜を形成する工程と、
このゲート絶縁膜上に、少なくとも、ポリシリコン層および高融点金属を主成分とする金属層を含む積層体を形成する工程と、
前記積層体をエッチング処理してゲート電極を形成する工程と、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ゲート電極中のポリシリコン層を選択的に酸化する工程と、
を含むことを特徴とする、半導体装置の製造方法。 - 請求項9において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、1.5以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項9において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、2以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項9において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、8以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項9において、前記プラズマ処理における処理温度が250℃以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項13において、前記プラズマ処理における処理温度が900℃以下であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項9において、前記半導体装置はトランジスタであることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項9において、前記金属層は、タングステン層、またはタングステンシリサイド層であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 少なくとも、ポリシリコン層と、高融点金属を主成分とする金属層と、を有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法であって、
複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行なうことを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。 - 請求項17において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、1.5以上であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- 請求項17において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、2以上であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- 請求項17において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、8以上であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- 請求項17において、前記プラズマ処理における処理温度が250℃以上であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- 請求項21において、前記プラズマ処理における処理温度が900℃以下であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- 請求項17において、前記金属層は、タングステン層、またはタングステンシリサイド層であることを特徴とする、プラズマ酸化処理方法。
- コンピュータ上で動作し、実行時に、複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いて、少なくともポリシリコン層と高融点金属を主成分とする金属層とを有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法が行なわれるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、制御プログラム。
- コンピュータ上で動作する制御プログラムが記憶されたコンピュータ記憶媒体であって、
前記制御プログラムは、実行時に、複数のスロットを有する平面アンテナにて処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ処理装置において、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いて、少なくともポリシリコン層と高融点金属を主成分とする金属層とを有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法が行なわれるように、前記プラズマ処理装置を制御するものであることを特徴とする、コンピュータ記憶媒体。 - プラズマにより被処理体を処理するための真空排気可能な処理室と、
複数のスロットを有する平面アンテナにて前記処理室内にマイクロ波を導入することによりプラズマを発生させるプラズマ供給源と、
前記処理室内で、水素ガスと酸素ガスとを含む処理ガスを用いて、少なくともポリシリコン層と高融点金属を主成分とする金属層とを有する積層体中の前記ポリシリコン層をプラズマにより選択的に酸化するプラズマ酸化処理方法が行なわれるように制御する制御部と、
を備えたことを特徴とする、プラズマ処理装置。 - 少なくとも、ポリシリコン層と、高融点金属を主成分とする金属層と、を有する積層体に対し、
処理室内にマイクロ波を導入してプラズマを発生させるプラズマ処理装置により、水素ガスと酸素ガスと希ガスを含む処理ガスを用いてプラズマ処理を行ない、前記ポリシリコン層に酸化膜を形成することを特徴とする、半導体装置の製造方法。 - 請求項27において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、1.5以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項27において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、2以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項27において、前記処理ガス中の水素ガスと酸素ガスとの流量比が、8以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項27において、前記処理ガス中の希ガスと水素ガスとの流量比が、1.25〜10であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項27において、前記プラズマ処理における処理温度が250℃以上であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
- 請求項32において、前記プラズマ処理における処理温度が900℃以下であることを特徴とする、半導体装置の製造方法。
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