KR20000006527A - 반도체장치의제조방법과제조장치 - Google Patents

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Abstract

얇은 산화 질화막을 양산성이 좋게 제조할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 또는 제조 장치를 제공한다.
(a) 제 1 및 제 2 가스 도입구를 구비한 반응 챔버 내로 실리콘 웨이퍼를 반송하는 공정과, (b) 제 1 가스 도입구에서 산화성 분위기를 도입하고 실리콘 웨이퍼를 산화 온도까지 승온하는 공정과, (c) 제 1 가스 도입구에서 습식 산화성 분위기를 도입하여 실리콘 웨이퍼 표면에 열산화막을 형성하는 공정과, (d) 반응 챔버 내를 불활성 가스로 세정하고 잔류 수분을 약 1000ppm 이하로 하는 공정과, (e) 700℃ 이상 또한 산화 온도보다 높은 어닐 온도를 유지하면서 제 2 가스 도입구로부터 챔버 내로 NO 또는 N20을 함유하는 분위기를 도입하여 열 산화막 중에 질소를 도입시켜 산화 질화막으로 변환하는 공정을 포함한다.

Description

반도체 장치의 제조 방법과 제조 장치{METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING SEMICONDUCTOR DEVICE}
본 발명은 반도체 장치의 제조 기술에 관한 것이며, 특히 얇은 산화 질화막을 실리콘 웨이퍼 표면에 형성할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 및 제조 장치에 관한 것이다.
CMOS 반도체 장치에 있어서, 보다 집적도를 높이고, 또한 보다 동작 속도를 빨리하는 요구가 강하다. 이 때문에, CM0S 장치의 구성 요소인 트랜지스터를 더욱 미세화함과 동시에, 구동 능력을 높이는 것이 요구된다. p 채널 MOS 트랜지스터에서는 표면 채널형이 되도록 보론 도프의 게이트 전극을 사용하고, 또한 게이트 절연막을 박막화하는 것이 요청된다.
게이트 절연막을 박막화하면, 게이트 전극에 도프한 보론이 게이트 절연막을 뚫고 나가 기판의 채널 영역에 도달하는 현상이 생기기 쉽다. 채널 영역에 보론이 확산하면 트랜지스터 특성이 변화하여 버린다. 이 현상을 방지하기 위해서는 게이트 절연막을 산화 질화막으로 형성하는 것이 효과가 있다고 알려져 있다.
고집적도의 반도체 장치를 제작하기 위해서, LOCOS 분리 대신에 얕은 트렌치분리(STI)를 채용하는 것이 제안되고 있다. 얕은 트렌치 분리를 사용하면, 반도체소자의 작성에 앞서서 웨이퍼 표면에 얕은 홈(트렌치)를 형성하고 토렌치 내를 절연물로 매립하는 공정이 행해진다. 결과적으로 분리 영역으로 둘러싸인 활성 영역은 볼록 형상의 단면 구조를 갖게 된다.
그런데, 볼록 형상의 표면상에 열산화막을 형성하고져 하면, 볼록부에 응력이 작용하여 절연막이 성장하기 어렵게 되는 박막화(THINNING) 현상이 생긴다. 박막화 현상이 생기면 활성영역에 형성되는 게이트 절연막의 막두께를 안정하게 일정한 값으로 유지하는 것이 곤란하게 된다. 박막화의 방지를 위해서는 습식 산화를 행하는 것이 유효하다고 알려져 있다.
습식 산화는 건식 산화에 비해 산화 속도가 빠르고, 보다 저온에서 산화막을 형성할 수 있는 이점도 갖는다. 습식 산화를 채용하여, 산화 질화막을 형성하기 위해서는, 먼저 기초 산화를 행하여, 얇은 산화막을 형성한 후, 이 산화막에 질소를 도입하는 처리가 행해진다.
예컨대, 종형 배치(batch)식 확산로를 사용하여 다수개의 웨이퍼에 동시에 습식 산화막을 형성하고, 그 후 리프(leaf)식 어닐 장치를 사용하여 1개씩 웨이퍼의 산화막에 질소를 도입하는 처리를 행한다.
이상 설명한 바와 같이, 고구동 능력의 미세 p채널 MOS 트랜지스터를 제작하기 위해서는 게이트 절연막으로서 산화 질화막을 사용하는 것이 유효하다. 그렇지만, 얇은 산화 질화막에 의해 게이트 절연막을 형성하고져 하면 제조공정이 복잡해지고 생산량(throughput)이 저하하여 양산에는 부적당하게 된다.
산화막 중에 질소를 도입하기 위해서는 질소 함유 가스로서 NO나 N20를 사용하는 것이 요망된다. 그러나 현재 입수가능한 장치에서, 이러한 가스를 사용하여 얻는 것은 알려져 있지 않다.
본 발명의 목적은 얇은 산화 질화막을 양산성 좋게 제조할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 또는 제조 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 질소 도입을 위해 NO 또는 N20을 사용할 수 있는 반도체 장치의 제조 방법 또는 제조 장치를 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 장치를 개략적으로 나타낸 단면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 의한 산화 질화막 형성 공정을 나타내는 흐름도.
도 3은 N2세정에 의한 수분 농도의 변화를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 설명하기 위한 개략 단면도.
도 5는 도 1에 나타낸 제조 장치를 사용하여 다수의 웨이퍼 상에 형성한 산화 질화막의 균일성을 측정한 측정 결과를 나타내는 그래프.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 장치 및 산화질화 공정을 나타내는 단면도 및 플로 챠트.
[부호의 설명]
1 … 반응 챔버
2, 3 … 배관
6, 7 … 가스 도입구
8 … 외부 연소관
9 … 배관
10 … 석영제 캡
15 … 0링
18, 19 … 가스 도입구
V … 밸브
CV … 가스 역류 방지 밸브
B … 가스원
MFC … 질량 유량 조정기
20 … 실리콘 웨이퍼
21 … n형 웰(well)
22 … 버퍼 산화막
23 … SiN막
24 … 레지스트 패턴
25 … 트렌치(trench)
26 … STI 산화막
27 … 게이트 절연막
28 … 게이트 전극
29 … LDD 영역
30 … 측벽 산화물 스페이서
31 … 소스/드레인 영역
32, 33 … Co 실리사이드막
35 … 층간 절연막
36, 37 … 콘택트 구멍
38, 39 … 금속 플럭
본 발명의 한 관점에 의하면, (a) 적어도 제 1 및 제 2 가스 도입구를 구비한 반응 챔버 내에 실리콘 웨이퍼를 반송하고, O링을 사용하여 반응 챔버를 밀봉하는 공정과, (b) 상기 공정(a) 후, 상기 제 1 가스 도입구에서 산화성 분위기를 도입하여 상기 반응 챔버 내를 산화성 분위기로 유지하면서 상기 실리콘 웨이퍼를 산화 온도까지 승온하는 공정과, (c) 상기 공정(b) 후, 상기 산화 온도를 유지하면서 상기 반응 챔버 내에 상기 제 1 가스 도입구에서 습식 산화성 분위기를 도입하여 상기 실리콘 웨이퍼 표면에 열산화막을 형성하는 공정과, (d) 상기 공정(c) 후, 상기 반응 챔버 내를 불활성 가스로 세정하고 잔류 수분을 약 1000ppm 이하로 하는 공정과, (e) 상기 공정(d) 후, 상기 실리콘 웨이퍼를 700℃ 이상 또한 상기 산화 온도보다 높은 어닐 온도를 유지하면서 상기 제 2 가스 도입구로부터 챔버 내에 NO또는 N20을 포함하는분위기를 도입시켜 상기 열산화막 중에 질소를 도입하여 산화 질화막으로 변환하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 관점에 의하면, 반응 챔버와 반응 챔버의 내부공간에 연통한 제 1 가스 도입로와 상기 제 1 가스 도입로와는 별도의 위치에서 반응 챔버의 내부간에 연통한 제 2 가스 도입로와 상기 제 1 및 제 2 가스 도입로의 각각에 설치된 가스 역류 방지 밸브를 갖는 반도체 장치의 제조 장치가 제공된다.
양산성 좋게 얇은 산화 질화막을 작성하려 하면, 동일 챔버 내에서 습식 산화와 질소 도입을 행하는 것이 요망된다. 그렇지만, 동일챔버 내에서 습식 산화와 질소도입을 행하고져 하면, 수분 및 02와 질소를 함유한 가스가 혼합하는 가능성이 생긴다.
질소를 함유하는 가스로서 NO나 N20를 사용하면, 가스 혼합에 의해 초산이 발생할 가능성이 높아진다. 챔버 내에 초산이 발생하고 역류하여 가스 배관 중에 확산하면, 가스 배관의 금속 부분이 부식할 가능성이 있다.
습식 산화성 분위기와 질소 도입용 분위기가 혼합하지 않도록 공정을 분리하고 중간에서 불활성 가스로 충분히 세정함으로써 가스의 혼합을 방지하고 양질의 산화 질화막을 형성할 수 있게 된다.
[실시예]
본 발명자 등은 동일챔버 내에서 습식 산화를 행하고, 그 후 NO 또는 N20을 사용하여 습식 산화막 중에 질소를 도입하는 것을 제안한다. 이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 장치를 나타낸다. 본 장치는 기밀한 구성을 갖지만, 상압에서 산화,질소도입을 행하는 것을 주된 기능으로 한다. 반응 챔버(1)는 2중 석영관 구조를 갖고, 그 외관(1a)은 진공 배기 가능한 공간을 획정한다. 외관(1a) 내에 배치된 내관(1b)은 상부에 가스 유통 가능한 부분을 갖는 반개방 구조를 갖는다.
내관(1b) 내의 공간은 그 하부에서 배기구(11)에 접속되어 있다. 외관(1a)과 내관(1b) 사이 중간의 공간에는 NO나 N20를 도입하기 위한 질소 함유 가스 도입용 배관(2) 및 습식 산화성 분위기를 도입하기 위한 습식 산화성 분위기 도입용 배관(3)이 교호로, 또한 내관(1b) 외주상을 나선 형상으로 둘러싸도록 배치되어 있다.
질소 함유가스 도입용 배관(2)은 외관(1a)에 기밀하게 접속된 질소 함유가스 도입구(6)에 접속되어 있다. 습식 산화성 분위기 도입용 배관(3)은 외관(1a)에 기밀하게 접속된 습식 산화성 분위기 도입구(7)에 접속되어 있다. 습식 산화성 분위기 도입구(7)는 산수소염에 의해 수분을 형성하는 외부 연소관(8)에 접속되어 있다. 외부 연소관(8)에는 H2, 02, N2를 공급할 수 있는 배관(9)이 접속되어 있다.
2중관 구성의 반응 챔버(1)의 외측에는 히터(H1, H2)가 배치되어 있다. 히터 (H1)는 반응 챔버(1)의 측벽 외측을 둘러싸고, 히타(H2)는 반응 챔버(1)의 상벽 상부에 배치되어 있다.
또 2중관 구성 대신에 단(單)관을 사용할 수도 있다. 이 경우 2종류의 가스 도입용 배관은 단관의 반응 챔버의 외측에 도 2와 같이 교호로 나선 형상으로 배치하고, 반응 챔버 정상부에서 반응 챔버 내에 도입하여도 좋고, 반응 챔버 내에서 하방보다 상방으로 연재하여도 좋다.
반응 챔버(1)의 하면은 O링(15)을 개재하여 석영제 캡(10)과 결합한다. 석영제 캡(10)은 그 위에 웨이퍼 캐리어를 수납할 수 있고, 반응 챔버(1)와 결합/분리 가능한 구성을 갖는다. 석영제 캡(10)에 결합된 웨이퍼 캐리어(17)의 위에는 복수개(예컨대, 100개)의 실리콘 웨이퍼(W)가 동시에 재치된다.
또 반응 챔버(1)내를 세정하기 위해서 소망수의 N2배관(18,19)이 소망 개소에 설치된다. 이들 N2배관(18,19)은 배관(23)으로부터 도입되어 배기구(11)로 배기되는 활성가스가 반응 챔버 내에 잔류하지 않도록 적당한 위치에 배치된다.
가스 도입구(9,6)에 소망하는 가스를 공급하기 위해서 도면중 하부에 나타낸것 같은 가스 배관이 설치된다.
외부 연소관(8)에 접속하는 배관(9)은 도면 중 하방에 나타낸 바와 같이, 밸브(V1, V2)에 접속된다. 밸브(V1)는 밸브(V4), 질량 유량 조정기(MFC1), 밸브(14) 를 개재하여 02발생원(B1)에 접속됨과 동시에, 가스 역류 방지 밸브(CV1), 밸브(V5 ), 질량 유량 조정기(MFC2), 밸브(V15)를 개재하여 N2원(B2)에 접속된다.
밸브(V2)는 밸브(V7), 질량 유량 조정기(MFC4), 밸브(V16)를 개재하여 H2원 (B2)에 접속됨과 동시에, 가스 역류 방지 밸브(CV2), 밸브(V6), 질량 유량 조정기(MFC3), 밸브(V15)를 개재하여 N2원(B3)에 접속된다.
이러한 가스 배관에 의해, 배관(9)에는 H2, 02, N2의 임의의 혼합가스를 공급할 수 있다. H2원(B3)으로부터 H2를 공급하고,02원(B1)으로부터 02를 공급하여, 외부연소관(8)에서 산수소염을 형성함으로써 파이로 산화를 행하기 위한 분위기를 작성할 수 있다. 필요에 따라서 N2로 희석할 수도 있다.
또, 파이로 산화를 행하는 기간 외에서는 H2배관 및 02배관을 밸브(V7, V4)를 닫음으로써 폐쇄하고, N2원(B2)으로부터 N2를 흘릴 수 있다. 이 유로에는 가스 역류 방지 밸브(CV1, CV2)가 접속되어 있어 반응 챔버(1) 내에서의 가스의 역류를 방지할 수 있다.
질소 함유가스 도입용 배관(6)은 도면중 하방에 나타낸 바와 같이 밸브(V3), 가스 역류 방지 밸브(CV3)에 접속되어 있다. 가스 역류 방지 밸브(CV3)는 밸브(V9), 질량 유량 조정기(MFC6), 밸브(V12)를 개재하여 NO원(B4)에 접속됨과 동시에, 가스 역류 방지 밸브(CV4), 밸브(V8), 질량 유량 조정기(MFC5), 밸브(V15)를 개재하여 N2원(B2)에 접속되어 있다. N0 대신에 N20를 가스원(B4)으로 할 수도 있다.
또한 N2원(B2)은 밸브(V15), 유량계(flow meter)(FM), 밸브(V13), 가스 역류 방지 밸브(CV5), 밸브(V11)를 개재하여 질량 유량 조정기(MFC6)에도 접속되어 있다.
질량 유량 조정기(MFC6)의 출구는 밸브(V9)에 접속되어 있음과 동시에, 밸브 (V10)를 개재하여 외부로 도출되어 있다. 밸브(V9, V10)는 연동하여, 한쪽이 닫힐시에 다른쪽이 개방하는 구성이다. 밸브(V11, V12)도 연동하여 제어된다.
반응 챔버(1)에 NO를 공급하지 않을 시에는 N2원(B2)으로부터 N2를 흘린다. 이 유로에는 가스 역류 방지 밸브(CV4, CV5, CV3)가 설치되어 있어 반응 챔버(1) 내의 분위기가 역류하는 것을 방지하고 있다. 이러한 구성에 의해, 배관(6)에 N2희석의 NO 또는 N2를 공급한다.
또 도시한 가스 발생원 외에, 임의의 가스원 및 그들의 배관을 또한 접속할 수도 있다. 예를 들면, 염산 산화를 행하기 위해서 HCl원 및 그 배관을 설치하여도 좋다. 목적에 따라서 여러가지의 가스 배관을 접속할 수 있는 것은 당업자에 자명할 것이다.
도 2는 도 1이 나타내는 반응 챔버를 사용하여 습식 산화 및 질소도입을 행하기 위한 공정도를 나타낸다. 도면중 횡축은 시간을 나타내고, 종축은 반응 챔버 (1)내의 온도를 나타낸다. 온도는 반응 챔버(1) 외부에 설치한 히터(H1, H2)를 제어함으로써 제어된다.
반응 챔버(1) 내에 다수개의 실리콘 웨이퍼(W)를 수납한 후, N2를 10리터/분, 02를 333cc/분 흘리고, 반응 챔버(1) 내를 300℃로 승온한다. 300℃의 상태를 소정시간 유지한 후, N2+02의 건식 산화성 분위기를 유지하면서 100℃/분의 속도로반응 챔버(1) 내를 승온하여, 750℃까지 가열한다.
건식 산화성 분위기, 750℃의 상태를 10분간 유지한 후, 분위기를 O2가스 10 리터/분, H21리터/분으로 변경하여 디클로로 에틸렌(DCE) 또는 HCl을 1분 정도 첨가하여 금속 오염을 수집(gathering)한다. 또 금속오염의 가능성이 없는 경우는 이 스텝을 생략하여도 좋다. 1분간 경과후, 외부 연소관(8) 내에서 H2를 연소시킨다. 외부 연소관(8) 내에서의 산수소염에 의해 수분이 발생한다. 이렇게 하여 H20와 02를 함유하는 습식 산화성 분위기가 반응 챔버(1) 내로 공급된다.
750℃ 습식 산화성 분위기에서 5분의 습식 산화를 행한 후, 분위기 가스를 질소로 바꾼다. 예컨대, N2를 10리터/분 흘리고 1분간 750℃의 상태를 유지한다. 그 후, N2유량을 30리터/분으로 증가시켜 20℃/분의 승온속도로 900℃까지 승온시킨다 . 900℃에 도달한 후, N2유량을 10리터/분으로 저하시켜 5분간 유지한다.
그 후, 습식 산화성 분위기 도입구(7)에는 N2를 흘린채로 질소 함유가스 도입구(6)에 N0(유량 500cc/분)을 N2(유량 10리터/분)로 희석한 질소도입 분위기를 공급하여 900℃로 15분간 어닐 처리를 행한다. 이 어닐 처리는 NO를 습식 산화막 중에 도입하는 처리이다. NO 어닐 처리가 종료한 후, 질소 도입구(6)에 흐르는 가스를 N210리터/분으로 변경하고 10℃/분∼ 20℃/분의 강온 속도로 반응 챔버(1)내를 강온한다.
이러한 공정에 의해, 실리콘 웨이퍼(W) 표면 상에 먼저 습식 산화막을 형성하고, 그 후 N2로 반응 챔버(1) 내를 세정하여, 어닐 온도로 승온한 후, N0가스에 의해 어닐을 행하여, 습식 산화막 중으로 질소를 도입한다.
상술한 실시예에서는 반응 챔버(1) 내에서 습식 산화를 행한 후, 즉시 습식 산화막 중으로 질소를 도입하는 처리를 행하지 않고 N2가스로 세정을 행하고 있다. 이 N2가스 세정에 의한 영향을 이하와 같은 방법으로 검증하였다.
N2가스 세정은 습식 산화성 분위기를 완전히 반응 챔버 내에서 배출하기 위한 처리이다. 특히 습식 산화성 분위기 중의 수분이 그 후에 행해지는 NO를 사용한 질소도입 처리에 의해 초산으로 변환되는 것을 방지한다. 그래서, 반응 챔버( 1) 내의 잔류 수분의 농도를 조사하였다.
도 3은 세정 시간에 대한 반응 챔버(1) 내의 수분 농도를 측정한 결과를 나타낸다. 또 수분 농도는 배기측에서 가스 분석을 행함으로써 측정하였다.
습식 산화는 상술한 H2유량 1리터/분 + 02유량 10리터/분의 조건(1)과 H20 량을 증가시킨 H2유량 2.133리터/분 + 02유량 6.4리터/분의 조건(2)의 2개의 조건으로행하고, 그 후 N2로 바꿔 세정을 행하였다. 도면중, 곡선(w1)이 조건(1)의 습식 산화에 이어지는 N2세정에 의한 수분 농도의 변화를 나타내고 곡선(w2)이 조건(2)에 의한 습식 산화에 이어지는 N2세정에 의한 수분 농도의 변화를 나타낸다.
곡선(w1)의 경우는 습식 산화에 이어서 약 6분의 세정을 행함으로써 수분 농도는 약 1000ppm 이하로 되고, 약 8분의 세정을 행함으로써 수분 농도는 거의 0으로 되었다. 곡선(w2)의 경우는 수분 농도의 저하가 비교적 완만하고 약 16분의 세정에 의해 수분 농도는 약 1000ppm 이하로 도달하였다.
이것들의 결과로부터, 습식 산화에서 분위기 중의 수분 농도가 비교적 낮은 조건(1)의 경우에는 6분 정도 이상의 세정 시간을 설치하는 것이 바람직하고 습식 산화 분위기 중의 수분 농도가 매우 높은 조건(2)의 경우에는 약 16분 정도 이상의 세정 시간을 설치하는 것이 바람직하다고 추정된다. 도 2의 공정은 조건(1)으로 습식 산화를 행하고 8분 이상의 질소 세정을 행하고 있기 때문에, 잔류 수분 농도는 약 1000ppm을 확실히 하회하고 있는 것으로 생각된다.
또한 습식 산화, N2세정, NO 어닐의 처리에 의해 웨이퍼의 오염이 어떻게 변화하는가를 조사하였다. 반응 챔버를 특히 처리하지 않고 그 내부에 웨이퍼를 방치하여, 조건(2)의 습식 산화, N2세정, NO 어닐을 10회 되풀이하였다. 그 후 얻어진 웨이퍼 중의 금속종류를 Fe 및 Ca로 측정하였다. 세정 시간은 15분 및 5분으로 설정하였다. 결과를 이하의 표로 나타내었다.
금속종류 수분을 15분 세정한 때 수분을 5분 세정한 때
Fe 5.8×1010atoms/cm2 2.1×1011atoms/cm2
Ca 4.2×1010atoms/cm2 3.5×1011atoms/cm2
Fe의 측정 결과는 습식 산화 후 5분 세정한 때보다도 15분 세정한 때의 쪽이 현저히 감소하고 있는 것으로 판단된다. 즉, 수분 농도를 약 1000ppm이하로 하는데 충분한 시간의 N2세정을 행하였어도 Fe 오염은 발생하지 않고, 반대로 Fe 농도가 감소하는 것이 기대된다. Ca는 세정 시간에 의하지 않고 거의 일정한 값을 나타내고 있다고 생각할 수 있다.
따라서, 습식 산화에 이어서 N2가스로 잔류 수분 농도가 약 1000ppm 이하로 될 때까지 세정하는 것이 바람직하다고 생각된다.
또 N2로 세정하는 경우를 설명하였지만, N2대신에 Ar 등의 다른 불활성 가스를 사용할 수도 있다. 본 명세서에서는 N2및 Ar 등의 불활성 가스를 포함해서 불활성 가스라고 부른다.
도 4는 본 발명의 실시예에 의한 반도체 장치의 제조 방법을 개략적으로 나타내었다.
도 4a에 나타낸 바와 같이, n형 웰(21)을 갖는 p형 실리콘 웨이퍼(20)의 표면상에, 열산화에 의해 얇은 버퍼 산화막(22)을 형성한 후, 그 위에 CVD에 의해 SiN막(23)을 퇴적한다. SiN막(23)의 위에 레지스트 패턴(24)을 형성하고 그 개구에 의해 분리 영역을 획정한다.
레지스트 패턴(24)을 식각 마스크로 하여 SiN막(23), 버퍼 산화막(22), 실리콘(21)을 이방성 식각함으로써 분리용 트렌치(25)를 형성한다. 그 후 레지스트 패턴(24)은 제거한다.
트렌치(25) 내의 노출 Si 표면에 라이너 산화로 열산화막을 형성한 후, 웨이퍼 표면상에 CVD에 의해 실리콘 산화막을 퇴적하고, 트렌치(25) 매립하는 매립 산화막을 형성한다. 그 후, 화학 기계 연마(CMP)를 행한 표면을 평탄화하고 노출한 Si N막(23)을 제거한다. 그 후, 버퍼 산화막(22)을 제거하고, 노출한 실리콘 표면을 희생 산화하고 희생산화막을 제거하여 깨끗한 Si표면을 노출한다. 그 후, 게이트 산화 질화막을 작성한다. 이 게이트 산화 질화막의 형성은 도 1에 나타낸 것 같은 제조 장치를 사용하여 도 2에 나타낸 것 같은 공정에 의해 행해진다.
도 4b는 실리콘 표면에 STI 산화막(26), 게이트 절연용의 산화 질화막(27)을 형성한 상태를 개략적으로 나타내었다. 상술한 바와 같은 습식 산화, N2세정, NO 어닐을 행함으로써 활성영역 표면 상에 균일하고 양호한 품질을 갖는 실리콘 산화 질화막(27)을 형성할 수 있다. 그 후, 통상의 공정에 따라서 MOS 트랜지스터를 작성한다. 또 도면에는 p채널 MOS 트랜지스터를 작성하는 부분을 나타내었지만, 웨이퍼의 다른 부분에서 n채널 MOS 트랜지스터를 작성한다. 이러한 CMOS 회로의 제조 공정에 대해서는 공지의 기술을 채용할 수 있고, 예컨대 「98' 최신 반도체 공정 기술 300mm/0.18 시대의 시스템 LSI 제조공정」pp37- 46 후지다 가즈요시저를 참조하기 바란다.
도 4c에 나타낸 바와 같이, 게이트 절연막(27) 상에 다결정 실리콘층을 CVD로 퇴적하고, 레지스트 패턴을 사용한 이방성 식각에 의해 게이트 전극(28)을 작성한다. 게이트 전극(28)의 패터닝 후, 보론 이온을 가볍게 이온 주입하여, LDD영역(29)을 형성한다. 또 게이트 전극(28)에도 보론이 이온 주입된다. 이 이온 주입 공정은 레지스트 마스크를 사용하여 p채널 영역, n채널 영역에 대하여 별개로 행해진다.
그 후, 웨이퍼 표면 상에 CVD에 의해 산화막을 퇴적하고 이방성 식각을 행하는것에 의해 게이트 전극(28) 측벽 상에만 측벽 산화물 스페이서(spacer)(30)를 남긴다. 이 측벽 산화물 스페이서(30) 및 게이트 전극(28)을 마스크로 하여 보론을 이온주입함으로써 고농도의 소스/드레인 영역(31)을 작성한다. 이 이온 주입도 p채널 영역에서만 행하고, n채널 영역은 별도의 이온 주입을 행한다.
게이트 폴리 실리콘 상과 소스/드레인 영역 상의 산화막을 제거한 후, 표면에 Co막을 형성하고, 열처리를 행함으로써 실리콘이 노출하고 있는 영역 상에 Co 실리사이드막을 형성하는 실리사이드 처리를 행한다. 이렇게 하여, 게이트 전극(28) 상면 상에 Co 실리사이드막(32)이 형성되고, 노출한 소스/드레인 영역(31) 표면 상에 Co 실리사이드막(33)이 형성된다. 그 후, 층간 절연막(35)을 CVD 등에 의해 퇴적하고 CMP처리를 행함으로써 표면을 평탄화한다.
도 4에 나타낸 바와 같이, 층간 절연막(35) 상에 레지스트 패턴을 형성하여 콘택트 구멍(36, 37)을 개구한다. 콘택트 구멍을 개구한 후, 전극용 금속을 퇴적하고 콘택트 구멍 내를 재매립한다. 그 후 CMP처리를 행함으로써 콘택트 구멍 내에 플럭 형상의 전극(38, 39)을 남긴다. 그 후 소결(sintering)을 행함으로써 전극의 특성을 개량한다.
이렇게 하여, 전극을 구비한 p채널 MOS 트랜지스터를 작성할 수 있다. 또 웨이퍼 내의 다른 부분에서는 같은 공정에 의해 n채널 M0S 트랜지스터가 형성되어 전체로서 CM0S LSI가 형성된다.
도 5는 도 1에 나타낸 바와 같은 제조 장치를 사용하여 도 2에 나타낸 바와같은 공정에 의해 실리콘 웨이퍼 상에 산화 질화막을 형성한 후, 복수개의 웨이퍼 배치(batch) 내의 분포 및 단일 웨이퍼면 내의 분포를 측정한 결과를 나타낸다. 측정은 SIMS에 의해 행하였다.
도 15a는 배치 내의 SIMS 측정 결과를 나타낸다. 횡축은 웨이퍼 표면에서의 식각 시간을 나타내고, 종축은 각 원소의 검출 신호의 계수를 나타낸다. 검출한 Si, 0, N의 분포는 배치 내의 웨이퍼에서 균일한 것으로 나타나 있다.
도 5b는 단일 웨이퍼면 내의 SIMS 측정 결과를 나타낸다. 도 5a와 같이, 횡축은 식각 시간을 나타내고, 종축은 검출신호의 계수를 나타낸다. Si, 0, N의 분포는 각각 매우 좁은 폭 내로 들어가 있으며, 균일한 품질의 산화 질화막이 웨이퍼면 내에서 거의 동일 두께로 형성되어 있는 것으로 판단된다.
또 습식 산화에 의한 산화막도 밀도가 부족한 경우가 있는 것이 알려져 있다. 이러한 산화막에 대하여 오존 처리를 행하면 산화막의 밀도를 개선할 수 있다.
도 6은 오존 처리를 행할 수 있는 제조 장치 및 오존 처리를 채용한 산화 질화처리의 흐름(flow)을 나타낸다.
도 6a에서 외부 연소관(8)에 접속되는 배관(9)에는 H2, 02, N2외에, 03(03를 포함하는 02)를 공급할 수 있다. 또 03를 공급할 때는 03의 분해를 저감하기 위해서, 외부 연소관(8)의 온도를 강온하여 놓는 것이 바람직하다. 또 배기관(11)에는 오존 킬러(16)가 접속된다. 배기중에 오존이 포함되는 경우에도 오존 킬러(16)에의해 오존을 소멸시킬 수 있다.
도 6b는 오존처리를 포함한 산화 질화처리의 플로 챠트를 나타낸다. 스텝( S1)은 오존 베이크(bake)의 공정을 나타낸다. 오존 베이크는, 예컨대 도2의 플로서 300℃의 예비 가열의 단계에서 행해지면 좋다. 이러한 오존 베이크 처리는 웨이퍼 표면상 등의 유기물을 제거하는데 유효하다.
스텝(S2)은 습식 산화 처리를 나타낸다. 습식 산화 처리는 도 2의 플로에 나타낸 바와 같이, 예컨대 750℃의 습식 산화성 분위기 중에서 행할 수 있다.
스텝(S3)은 습식 산화에 이어지는 오존 어닐 처리를 나타낸다. 오존 어닐 처리는 습식 산화성 분위기 대신에 오존을 포함하는 산화성 분위기를 공급하여 산화 온도와 동일 온도에서 행하면 좋다. 또 오존이 고온의 벽에 접촉하면, 소멸하는 가능성이 증대하기 때문에, 외부 연소관(8)을 개재하지 않고 별도의 배관에 의해 반응 챔버 내에 오존을 공급하여도 좋다.
스텝(S4)은 오존 어닐 후의 N2세정 처리를 나타낸다. N2세정 처리는 도 2의 공정에서의 N2세정과 같은 처리이다. 산화 온도에서 분위기를 N2로 치환하고 서서히 승온하여 어닐 온도까지 승온한다. 이 사이, 반응 챔버 내에는 N2를 흘리는 것을 계속한다.
스텝(S5)은 어닐 온도에서의 NO 어닐 처리를 나타낸다. 이 어닐 처리도 도 2에 나타낸 NO 어닐과 같은 조건으로 행할 수 있다. 그 후, 반응 챔버 내에 N2를 흘리고 강온함과 동시에 N2세정을 계속한다.
이와 같이, 습식 산화와 오존 어닐을 조합시킴으로써 불순물이 적고 밀도가 높은 치밀한산화막을 작성하고, 계속해서 NO 어닐을 행함으로써 양질의 산화 질화막을 작성한다.
이상 실시예에 따라서 본 발명을 설명하였지만 본 발명은 이것들에 제한되는 것이 아니다. 예컨대 여러가지의 변경, 개량, 조합 등이 가능한 것은 당업자에게 자명할 것이다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, 고품질의 얇은 산화 질화막을 효율적으로 제조할 수 있다.

Claims (16)

  1. (a) 적어도 제 1 및 제 2 가스 도입구를 구비한 반응 챔버 내에 실리콘 웨이퍼를 반송하고, O링을 사용하여 반응 챔버를 밀봉하는 공정과,
    (b) 상기 공정(a) 후, 상기 제 1 가스 도입구로부터 산화성 분위기를 도입하여 상기 반응 챔버 내를 산화성 분위기로 유지하면서, 상기 실리콘 웨이퍼를 산화 온도까지 승온하는 공정과,
    (c) 상기 공정(b) 후, 상기 산화 온도를 유지하면서, 상기 반응 챔버 내에 상기 제 1 가스 도입구로부터 습식 산화성 분위기를 도입하여 상기 실리콘 웨이퍼 표면에 열산화막을 형성하는 공정과,
    (d) 상기 공정(c) 후, 상기 반응 챔버 내를 불활성 가스로 세정하여, 잔류 수분을 약 1000ppm 이하로 하는 공정과,
    (e) 상기 공정(d) 후, 상기 실리콘 웨이퍼를 700℃ 이상, 또한 상기 산화 온도보다 높은 어닐 온도를 유지하면서, 상기 제 2 가스 도입구로부터 챔버 내로 NO 또는 N20을 함유하는 분위기를 도입하여 상기 열산화막 중에 질소를 도입시켜 산화 질화막으로 변환하는 공정
    을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정 (b)∼ (e)가 상압에서 행해지는 반도체 장치의 제조 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(e) 후, 상기 반응 챔버 내를 불활성 가스로 세정하면서, 상기 실리콘 웨이퍼를 강온하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(d)이 동시에 상기 실리콘 웨이퍼를 상기 산화 온도로부터 상기 어닐 온도로 승온하는 서브 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(e)이 동시에 상기 제 1 가스 도입구로부터 불활성 가스를 반응 챔버 내로 흘리는 서브 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(c)이 동시에 상기 제 2 가스 도입구로부터 챔버 내로 흘리는 서브공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 어닐 온도가 850℃∼ 950℃ 범위의 온도인 반도체 장치의 제조 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 공정(e)의 NO 또는 N20을 함유하는 분위기가 N2희석의 NO로 형성되는 반도체 장치의 제조 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    (f) 상기 공정(a)의 앞에, 상기 실리콘 웨이퍼 표면에 얕은 트렌치 분리 영역을 형성하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    (g) 상기 공정(e) 후에, 상기 산화 질화막 상에 보론을 도프한 실리콘으로 형성된 게이트 전극을 형성하는 공정을 더 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공정(g)이 실리콘으로 형성된 게이트 전극과 그 양측 실리콘 웨이퍼 표면에 보론을 이온 주입하는 공정을 포함하는 반도체 장치의 제조 방법.
  12. 반응 챔버와,
    상기 반응 챔버의 내부 공간에 연통한 제 1 가스 도입로와,
    상기 제 1 가스 도입로와는 별도의 위치에서 상기 반응 챔버의 내부 공간에 연통한 제 2 가스 도입로와,
    상기 제 1 및 제 2 가스 도입로의 각각에 설치된 가스 역류 방지 밸브를
    갖는 반도체 장치의 제조 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 반응 챔버가 진공배기 가능한 외관과 반개방의 내관을 포함한 2중관 구성을 갖고,
    상기 제 1 및 제 1 및 가스 도입로가 상기 2중관 구성의 외관과 내관 사이의 중간 영역에서 내관를 둘러싸서 배치되어 있는 반도체 장치의 제조 장치.
  14. 제 12 항에 있어서,
    상기 2중관 구성의 외측에 배치된 히터를 더 갖는 반도체 장치의 제조 장치.
  15. 제 12 항에 있어서,
    상기 제 1 가스 도입로가
    상기 2중관 구성의 외부에 배치된 외부 연소관과,
    상기 외부 연소관에 접속되어 N2및 02을 흘릴 수 있는 제 1 서브 배관과,
    상기 외부 연소관에 접속되어 N2및 H2을 흘릴 수 있는 제 2 서브 배관
    을 갖는 반도체 장치의 제조 장치.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 가스 도입로가 NO 또는 N20을 함유하는 가스와 불활성 가스중 어느 하나를 선택적으로 흘리는 가스 배관을 갖는 반도체 장치의 제조 장치.
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