JP4067989B2 - Manufacturing method of semiconductor device - Google Patents
Manufacturing method of semiconductor device Download PDFInfo
- Publication number
- JP4067989B2 JP4067989B2 JP2003059394A JP2003059394A JP4067989B2 JP 4067989 B2 JP4067989 B2 JP 4067989B2 JP 2003059394 A JP2003059394 A JP 2003059394A JP 2003059394 A JP2003059394 A JP 2003059394A JP 4067989 B2 JP4067989 B2 JP 4067989B2
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- film
- insulating film
- treatment
- manufacturing
- semiconductor device
- 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 - Fee Related
Links
Images
Landscapes
- Formation Of Insulating Films (AREA)
- Insulated Gate Type Field-Effect Transistor (AREA)
Description
【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係り、特に、MIS(Metal Insulator Semiconductor)構造においてゲート絶縁膜に希土類絶縁膜を用いた半導体装置の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
大規模集積回路(LSI)の高集積化に伴って、金属/絶縁体/半導体の接合を有する電界効果トランジスタ(MISFET)も微細化している。ITRS(International Technology Roadmap for Semiconductors)の2001年度版によると、2010年以降ではシリコン酸化膜換算膜厚(Equivalent Physical Oxide Thickness; 以下、EOTと呼ぶ)が1.0 nm以下のゲート絶縁膜が必要とされている。この膜厚でリーク電流の抑制されたゲート絶縁膜を実現するためには、シリコン酸化膜は勿論、シリコン酸窒化膜及びシリコン窒化膜では不十分である。そこで、誘電率の高い絶縁膜、即ちAl、Zr或いはHfなどを含む絶縁膜(Al2O3、ZrO2、HfO2及びこれらのシリケート膜)等の高誘電体金属絶縁膜が必要とされている。特にHfO2膜はその熱的安定性と誘電率の高さから、近年、研究が加速しているが、薄膜化限界は約0.8 nm程度と見積もられており、EOT<0.8 nm世代では更に誘電率の高い材料が要求される。
【0003】
このような要求に対し、誘電率が約20~約30と高いPr2O3、La2O3等の希土類絶縁膜の基礎検討が最近活発になされている。その電気的特性評価によると、EOT低下とリーク電流低減の両者が達成されている(非特許文献1参照)。
【0004】
しかしながら、これらの材料を通常の半導体製造工程に適用する場合、それぞれ以下の問題が明らかになっている。希土類絶縁膜は、成膜後の大気曝露により雰囲気中の水蒸気及び炭酸ガスの吸着・拡散・反応により水酸化物及び炭酸塩を形成し、体積膨張を起こすことが知られている(非特許文献2参照)。
【0005】
これによりモフォロジーの劣化、誘電率低下及びリーク電流増加等の膜質劣化が生じる。同様に、水を含む溶液処理工程においても膜中への水の染込みにより水酸化物が急激に形成され、これまでシリコン酸化膜で問題の無かったレジスト剥離工程及び各種洗浄工程においても膜質劣化が引き起こる(非特許文献3参照)。
【0006】
これらの問題を解決するために、希土類絶縁膜が大気に曝される搬送工程(例えば、絶縁膜形成後のゲートポリシリコン堆積までの大気搬送時)を真空搬送もしくは窒素封入したパージボックス搬送に置き換えることが考えられる。また、大気放置前或いは溶液処理工程前に希土類絶縁膜表面にシリコン窒化膜等のCapを形成する方法等が考えられる。
【0007】
しかしながら、前者の方法は装置構成が大規模なものになること、後者は工程数の増大を引き起こすことなどから、簡便且つ一般工程に適用可能な希土類絶縁膜形成後の後処理方法が必須となってきている。
【0008】
【非特許文献1】
H. Iwai et al., International Electron Devices Meeting 2002, 26-04 (2002)
【非特許文献2】
足立吟也編集「希土類の科学」化学同人(1999)
【非特許文献3】
A. Kikuchi et al., 202nd Meeting of Electrochemical Society, Abst. No. 386 (2002)
【0009】
【発明が解決しようとする課題】
上記のように、希土類絶縁膜形成後の工程において、大気曝露による水蒸気及び炭酸ガスなどの吸着・拡散・反応に伴って水酸化物及び炭酸塩などが形成され、膜の体積膨張によるモフォロジー劣化、誘電率低下及びリーク電流増加の問題があった。また、溶液処理工程においても希土類絶縁膜は耐水性が低く、水の染込みによる水酸化物形成が深刻な問題となっている。これらの弊害を防ぐためになされた従来の提案では、搬送系、製造工程等の大規模な変更が必要となり、一般の半導体生産ラインに適用する上で大きな障害となっている。
【0010】
本発明は、これらの問題点を解決するためになされたものであり、その目的は、大気曝露及び溶液処理における膜質劣化を抑制し、誘電率が高く平坦性の向上した希土類絶縁膜を実現する簡便な製造方法の提供することにある。
【0011】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、半導体基板上に半導体基板上にLa2O3膜、LaSiO膜、LaAlO膜、LaON膜、LaN膜、Pr2O3膜、PrSiO膜、PrAlO膜、PrON膜、PrN膜、またはそれらの多層膜からなる絶縁膜を形成する工程と、前記絶縁膜の少なくとも一部が露出した状態で大気搬送若しくは溶液処理を行う前に、ヘリウム若しくはネオンガス雰囲気中で、27℃以上200℃以下の温度で、1 atmを超える加圧処理を行う工程とを備えることを特徴とする半導体装置の製造方法を提供する。
【0012】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の各実施の形態について図面を参照しながら説明する。尚、実施の形態や実施例を通して共通の構成には同一の符号を付すものとし、重複する説明は省略する。また、各図は発明の説明とその理解を促すための模式図であり、その形状や寸法、比などは実際の装置と異なる個所がある。このような具体的構成は以下の説明と公知の技術を参酌して適宜、設計変更することができる。
【0013】
(第1の実施の形態)
第1の実施の形態では、MISFETの一例として絶縁膜にシリコン酸化膜を使ったMOSFETの製造方法を説明する。図1、図2、図3、図4、図5および図6は、この製造方法を説明するための断面模式図である。
【0014】
まず、図1に示すように、一般の単結晶p型シリコン基板11の表面に、素子分離領域用の深い溝12を形成し、この溝12をCVD法によりシリコン酸化膜で埋め込み、素子分離領域13を形成する。
【0015】
次に、図2に示すように、約20 nm厚のLa2O3膜14をシリコン基板11の表面に蒸着法により形成する。次に、図3に示すように、La2O3膜14の上にポリシリコン膜15をCVD法によって形成する。
【0016】
次に、図4に示すように、ポリシリコン15上のゲート電極予定領域にフォトレジストパターン16を形成する。次に、図5に示すように、フォトレジストパターン16をマスクとして、ポリシリコン膜15を反応性イオンエッチング(RIE)する。これにより、図5の紙面垂直方向に伸びる短冊状のポリシリコン膜15を形成する。この後、レジストパターン16を剥離する。尚、レジストパターン16の剥離工程は、後で詳述する。
【0017】
次に、砒素(As)を、例えば加速電圧約40keV、ドーズ量約2x1015cm-2の条件でポリシリコン膜15およびシリコン基板11表面にイオン注入した後、不純物(As)の活性化アニールにより高不純物濃度のn+型ゲート電極(第1のゲート電極)15、n+型ソース領域17、n+型ドレイン領域18を形成する。
【0018】
次に、図6に示すように、全面に約300nmのシリコン酸化膜をCVD法によりシリコン基板11上に堆積し、層間絶縁膜19を形成する。この後、層間絶縁膜19上にコンタクトホール形成用のフォトレジストパターン(図示せず)を形成し、これをマスクとしてRIEにより層間絶縁膜19をエッチングして、コンタクトホールを開口する。そして、シリコン基板11上にAlなどの金属膜をスパッタ法により形成した後、これをパターニングして、コンタクトホールを埋めるソース電極110、ドレイン電極111、および第2のゲート電極112を形成してn型MOSトランジスタが完成する。
【0019】
尚、第2のゲート電極112は第1のゲート電極15に、ソース電極110はソース領域17に、ドレイン電極111はドレイン領域18に各々コンタクトホールを介して接続する。
【0020】
なお、本実施の形態では、n型MOSFETの製造方法を説明したが、p型MOSFETでは導電型がn型とp型で入れ替わる点が異なるだけで、同様に製造できる。
【0021】
(第1の実施例)
次に、レジスト剥離工程について第1の実施例にて説明する。
【0022】
まず、酸素プラズマによりゲート電極15上のフォトレジストパターン16を剥離する。次にゲート電極15表面のレジスト残渣を除去するために、硫酸・過酸化水素水溶液処理(処理約10分+流水約10分)及びコリン・過酸化水素水溶液処理(処理約10分+流水約10分)を行う。これらの溶液処理の直前には、水に曝されるLa2O3膜14の耐水性を向上させるために、以下の加圧処理を行う。
・He或いはN2 2kg/cm2 1時間封入(室温)
La2O3膜14への水の染込みは、分光エリプソメトリによる屈折率変化として確認できる。
【0023】
図7に、水処理時間における加圧処理後のLa2O3膜の屈折率変化の結果を示す。縦軸は水処理前後の屈折率の差(Relative n)である。図7の横軸は、水処理時間を時間単位(H2O dip time (hr))で示す。処理前の屈折率nは約3であるから、屈折率差のマイナスの値が大きくなるほど屈折率が低下(膜密度が減少)していることを意味する。
【0024】
比較のため加圧処理をしていないLa2O3膜の結果も示すが、水処理時間増加と共に屈折率が単調に低下することがわかる。これに対し、加圧He及びN2処理により屈折率低下は23時間まで抑制され、耐水性が向上していることが分かる。
【0025】
また、この図からN2よりもHeが耐水性向上により効果的であることも確認できる。実際のレジスト剥離における溶液処理は最低でも40分であり、この加圧N2及びHe処理を直前に施すことでゲート端領域におけるLa2O3膜14の屈折率低下を抑制することができる。
【0026】
次に、加圧N2処理を施したLa2O3膜の膜質の違いを、X線光電子分光法(X-ray Photoelectron Spectroscopy; 以下XPSと呼ぶ)により分析した。この結果を図8に示す。ここでは基板温度を室温とし、加圧N2 処理(2kg/cm2 )を約1時間行った前後でのLa2O3膜のN1sスペクトル変化を示す。X線源はMgKαとし、光電子脱出角度は45°で測定を行っている。図8より、加圧N2処理により、相対光電子束縛エネルギー(Relative binding energy)が約400eV近傍のN1sスペクトル強度が増加していることが分かる。即ち加圧N2処理により室温処理にもかかわらずLa2O3膜中に窒素が取り込まれ、この取り込まれた窒素が水の染込み(La2O3バルク中への水の拡散)を抑制することで耐水性を向上させたと言える。
【0027】
次に、加圧処理の適用可能な温度範囲についても確認を行った。図9に、水処理27時間後のLa2O3膜屈折率変化(図9左縦軸を参照)と界面シリコン酸化膜厚の変化(図9右縦軸を参照)を示す。加圧処理時の基板温度(図9横軸)が高いほど、水処理による屈折率nの低下が抑制されることが分かる。即ち、絶縁膜中への不活性ガスの拡散量が増大し、膜中不活性ガス濃度が高くなることで外部からの水の拡散を阻害していると言える。
【0028】
特に、その中でもヘリウムガスは拡散速度が最も大きく固溶度が最も高いため、図9からも明らかなように耐水性向上の観点では最も優れている。しかしながら、約200℃を超える加圧処理ではガス中の残留酸素・水分によりLa2O3/Si界面の酸化反応が進み、界面シリコン酸化膜厚の増加量ΔTintが進むことも判明した。そのため、初期界面酸化膜厚を維持しつつ耐水性を向上させるという観点では室温以上200℃以下の範囲において加圧処理することで最大限の効果を発揮した。
【0029】
以上のことから、加圧処理が最も耐水性に効果を発揮するのは、加圧He雰囲気中で室温以上200℃以下の加熱を行う工程であるといえる。
【0030】
なお、本実施例における加圧処理は約2kg/cm2で行っているが、約10kg/cm2以上の高圧処理を行うことで処理時間を約1hrから数分まで短縮することが可能である。また、常圧処理であっても基板温度が室温より高温(最大約200℃)であれば同様の耐水性改善効果を得ることができる。
【0031】
次に、加圧He処理による耐水性改善のメカニズムについて、図10の断面模式図を用いて説明する。従来の方法では、希土類絶縁膜表面での水の吸着、粒界拡散及びバルク中での反応により水酸化物(La2(OH)3)が形成され、体積膨張に伴う誘電率低下を引き起こしていた。
【0032】
それに対し、事前に加圧He処理を行う第1の実施の形態では、Heの原子半径及び質量が小さいため絶縁膜中の固溶度が大きく、外部から拡散してくる水とHeが衝突し、物理的に水の染込みを押さえる効果がある。同時にHeは不活性ガスであるため、ガスそのものによる絶縁膜の酸化・還元反応が起きないため、希土類絶縁膜の膜質を劣化させることがない。
【0033】
第1の実施の形態では、加圧処理としてHe及び窒素ガスを用いた場合の結果を主に示したが、窒素ガスよりも原子半径の小さいNe、Ar及びそれらの混合ガスでも同様の改善効果を確認した。また、これらの不活性ガスを窒素ガスよりも原子半径の大きい希ガス(Kr、Xeなど)で希釈しても、その効果は維持される。
【0034】
さらに、第1の実施の形態では主にLa2O3膜について述べたが、本発明はその他の希土類絶縁材料に適用可能であり、特にLu、Eu、Sm、Pr、La、Yb、Gd、Dyを含む酸化膜に有効である。更にそれらのシリケート膜、アルミネート膜、酸窒化膜、窒化膜、混合膜及び各種多層膜においてもその有効性が維持される。また、これらの希土類絶縁膜の成膜手法に依らず、スパッタ、ALCVD(Atomic Layer CVD)、蒸着及びプラズマCVD等で形成した様々な希土類絶縁膜であっても同様の効果を得ることができる。
【0035】
第1の実施の形態によれば、希土類絶縁膜形成後の工程において、大気曝露及び溶液処理における膜質劣化を抑制し、誘電率が高く平坦性に優れた希土類絶縁膜形成が可能となり、低消費・高速・高信頼MOSFETを提供することができる。
【0036】
(第2の実施例)
本発明の第2の実施例に係わるMOSFETの構造は、第1の実施の形態と同様なのでその詳細な説明は省略する。本実施例では、ゲート絶縁膜としてLa2O3膜ではなくPr2O3膜を形成し、その後のポリシリコン膜15形成までの搬送工程が第1の実施例と異なる。そこで、これらの工程について図2を用いて詳細に説明する。
【0037】
まず、蒸着法により約20 nm厚のPr2O3膜14をSi基板11上に形成し、次にゲートポリシリコン膜15を堆積するために大気搬送後CVD装置内にSi基板11(ウェファー)を搬送する。ここで大気搬送前に室温下で次の減圧及び加圧処理を順次行う。
・Ne雰囲気 圧力10Torr 約10分 →Ne雰囲気 圧力10kg/cm2 1分間封入減圧Ne処理後に加圧Ne処理を行うことで、より効率的に絶縁膜中にNeガスを拡散させることができる。本実施例のように1atm(760Torr)以下の減圧Ne雰囲気下に絶縁膜を置くことで、絶縁膜中に含まれる酸素、水等の不純物を十分に脱離させつつNeと置換させることができ、更に連続で加圧Ne処理を行うことで絶縁膜の原子の結合網(ネットワーク)中に容易に高濃度Neガスを拡散させることができる。
【0038】
本減圧及び加圧Ne処理により、大気搬送時における水・炭酸ガスの絶縁膜中への拡散が抑制され(図10で説明したのと同様の作用)、水酸化物及び炭酸塩形成による体積膨張が抑えられる。
【0039】
図11に、Ne処理(Treatments)における大気放置時のPr2O3膜実膜厚変化を示す。大気温度は23℃、湿度90%、放置時間は24時間とした。図11では、減圧及び加圧Ne処理による膜(c)の他に、比較のため、全く加圧処理をしない膜(a)および加圧Ne処理のみの膜(b)のデータも併せて示す。これより、加圧Ne処理、更に好ましくは減圧及び加圧Ne処理により実膜厚増加ΔTを最小限に抑えることが確認された。
【0040】
これら一連の工程における作用は第1の実施例と同様である。全ての半導体の製造工程において第1の実施例で述べたのと同じ考え方に従い、特にその中でも希土類絶縁膜が表面に露出し且つ大気搬送若しくは溶液処理工程に曝される場合においてN2、Ar添加が、より好ましくはNe、He添加が有効である。例えば、希土類絶縁膜を層間絶縁膜や半導体封止材料に用いた場合にも適用できる。
【0041】
以上のことから、希土類絶縁膜の耐水性と吸湿性を向上させるためには、窒素ガスと同じかそれ以下の原子半径を持つ不活性ガス雰囲気で減圧及び加圧処理を行うと共に、処理時の基板温度を室温(約27℃)以上約200℃以下に制御するのが効果的である。このような絶縁膜形成後の処理は、希土類絶縁膜の厚さが20nm以下の場合に、特に有効性が高い。
【0042】
なお、本発明は上記実施形態や実施例そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。
【0043】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、大気曝露及び溶液処理における希土類絶縁膜の膜質劣化を抑制し、誘電率が高く平坦性に優れた希土類絶縁膜を備える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】 本発明の第1の実施の形態に係るMOSFETの製造方法を説明するための断面模式図。
【図2】 図1に続くMOSFETの製造工程を説明するための断面模式図。
【図3】 図2に続くMOSFETの製造工程を説明するための断面模式図。
【図4】 図3に続くMOSFETの製造工程を説明するための断面模式図。
【図5】 図4に続くMOSFETの製造工程を説明するための断面模式図。
【図6】 図5に続くMOSFETの製造工程を説明するための断面模式図。
【図7】 本発明の第1の実施例に係わる各種加圧処理後の水処理によるLa2O3膜の屈折率変化を示す図。
【図8】 第1の実施例に係わる加圧N2処理前後でのN1s光電子スペクトル変化を示す図。
【図9】 第1の実施例に係わる、加圧処理温度による水処理後のLa2O3膜屈折率変化と界面シリコン酸化膜厚の変化を示す図。
【図10】 第1の実施例に係る加圧He処理による耐水性改善のメカニズムを説明する図。
【図11】 本発明の第2の実施例に係わる加圧Ne処理後の大気放置による実膜厚変化を示す図。
【符号の説明】
11・・・p型シリコン基板
12・・・素子分離領域用の溝
13・・・素子分離領域
14・・・La2O3膜(第1の実施例)、Pr2O3膜(第2の実施例)
15・・・ポリシリコン膜
16・・・フォトレジストパターン
17・・・n+型ソース領域
18・・・n+型ドレイン領域
19・・・シリコン酸化膜(層間絶縁膜)
110・・・ソース電極
111・・・ドレイン電極
112・・・ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method of manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method of manufacturing a semiconductor device using a rare earth insulating film as a gate insulating film in a MIS (Metal Insulator Semiconductor) structure.
[0002]
[Prior art]
Along with the high integration of large scale integrated circuits (LSIs), field effect transistors (MISFETs) having metal / insulator / semiconductor junctions have also been miniaturized. According to the 2001 edition of ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), after 2010, a gate insulating film with an equivalent physical oxide thickness (hereinafter referred to as EOT) of 1.0 nm or less is required. Yes. A silicon oxynitride film and a silicon nitride film, as well as a silicon oxide film, are insufficient for realizing a gate insulating film in which leakage current is suppressed with this film thickness. Therefore, an insulating film having a high dielectric constant, that is, a high dielectric metal insulating film such as an insulating film containing Al, Zr or Hf (Al 2 O 3 , ZrO 2 , HfO 2 and their silicate films) is required. Yes. In particular, research on HfO 2 films has accelerated in recent years due to their thermal stability and high dielectric constant, but the thinning limit is estimated to be about 0.8 nm. A material with a high dielectric constant is required.
[0003]
In response to such demands, basic studies on rare earth insulating films such as Pr 2 O 3 and La 2 O 3 having a high dielectric constant of about 20 to about 30 have been actively conducted recently. According to the electrical characteristic evaluation, both EOT reduction and leakage current reduction are achieved (see Non-Patent Document 1).
[0004]
However, when these materials are applied to a normal semiconductor manufacturing process, the following problems are clarified. It is known that rare earth insulating films form volumetric expansion by forming hydroxides and carbonates by the adsorption, diffusion, and reaction of water vapor and carbon dioxide in the atmosphere when exposed to air after film formation (Non-patent Documents). 2).
[0005]
This causes film quality deterioration such as morphology deterioration, dielectric constant reduction, and leakage current increase. Similarly, in the solution treatment process including water, hydroxide is rapidly formed by the infiltration of water into the film, and the film quality is deteriorated in the resist stripping process and various cleaning processes that have not been a problem with the silicon oxide film so far. (See Non-Patent Document 3).
[0006]
In order to solve these problems, the transport process in which the rare earth insulating film is exposed to the atmosphere (for example, during the air transport until the gate polysilicon deposition after forming the insulating film) is replaced with a vacuum transport or a purge box transport filled with nitrogen. It is possible. In addition, a method of forming a cap such as a silicon nitride film on the surface of the rare earth insulating film before standing in the atmosphere or before the solution processing step can be considered.
[0007]
However, since the former method requires a large-scale device configuration and the latter causes an increase in the number of processes, a post-processing method after formation of a rare earth insulating film that is simple and applicable to general processes is essential. It is coming.
[0008]
[Non-Patent Document 1]
H. Iwai et al., International Electron Devices Meeting 2002, 26-04 (2002)
[Non-Patent Document 2]
Edited by Ginya Adachi "Science of rare earths" Chemistry (1999)
[Non-Patent Document 3]
A. Kikuchi et al., 202 nd Meeting of Electrochemical Society, Abst.No. 386 (2002)
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
As described above, in the process after the formation of the rare earth insulating film, hydroxide and carbonate are formed along with adsorption / diffusion / reaction of water vapor and carbon dioxide gas due to exposure to the atmosphere, and morphological deterioration due to volume expansion of the film, There was a problem of a decrease in dielectric constant and an increase in leakage current. Also, in the solution treatment process, the rare earth insulating film has low water resistance, and hydroxide formation due to water soaking is a serious problem. The conventional proposal made to prevent these problems requires a large-scale change in the transportation system, the manufacturing process, and the like, which is a great obstacle to the application to a general semiconductor production line.
[0010]
The present invention has been made to solve these problems, and an object of the present invention is to realize a rare earth insulating film having a high dielectric constant and improved flatness by suppressing film quality deterioration in atmospheric exposure and solution processing. It is to provide a simple manufacturing method.
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In order to solve the above problems, the present invention is, La2 O3 film, LaSiO film on a semiconductor substrate on a semiconductor substrate, LaAlO film, LaON film, LaN film, Pr2O3 film, PrSiO film, PrAlO film, Pron film, PrN film, or forming an insulating film consisting of the multilayer film, before the atmospheric transfer or solution treated with at least partially exposed in the insulating film, in a helium or neon atmosphere, 200 ° C. or less 27 ° C. or higher And a pressure treatment process at a temperature exceeding 1 atm.
[0012]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In addition, the same code | symbol shall be attached | subjected to a common structure through embodiment and an Example, and the overlapping description is abbreviate | omitted. Each figure is a schematic diagram for promoting explanation and understanding of the invention, and its shape, size, ratio, and the like are different from those of an actual apparatus. Such a specific configuration can be appropriately modified in consideration of the following description and a known technique.
[0013]
(First embodiment)
In the first embodiment, a MOSFET manufacturing method using a silicon oxide film as an insulating film will be described as an example of a MISFET. 1, FIG. 2, FIG. 3, FIG. 4, FIG. 5 and FIG. 6 are schematic cross-sectional views for explaining this manufacturing method.
[0014]
First, as shown in FIG. 1, a
[0015]
Next, as shown in FIG. 2, a La 2 O 3
[0016]
Next, as shown in FIG. 4, a
[0017]
Next, arsenic (As) is ion-implanted into the surfaces of the
[0018]
Next, as shown in FIG. 6, a silicon oxide film of about 300 nm is deposited on the entire surface of the
[0019]
The
[0020]
In the present embodiment, the manufacturing method of the n-type MOSFET has been described. However, the p-type MOSFET can be manufactured in the same manner except that the conductivity type is switched between the n-type and the p-type.
[0021]
(First embodiment)
Next, the resist stripping process will be described in the first embodiment.
[0022]
First, the
・ He or N 2 2kg / cm 2 sealed for 1 hour (room temperature)
Infiltration of water into the La 2 O 3 film 14 can be confirmed as a change in refractive index by spectroscopic ellipsometry.
[0023]
FIG. 7 shows the result of the change in the refractive index of the La 2 O 3 film after the pressure treatment during the water treatment time. The vertical axis represents the refractive index difference (Relative n) before and after water treatment. The horizontal axis in FIG. 7 indicates the water treatment time in units of time (H 2 O dip time (hr)). Since the refractive index n before processing is about 3, it means that the refractive index decreases (film density decreases) as the negative value of the refractive index difference increases.
[0024]
For comparison, the result of a La 2 O 3 film not subjected to pressure treatment is also shown, but it can be seen that the refractive index decreases monotonously with increasing water treatment time. On the other hand, it can be seen that the decrease in the refractive index is suppressed up to 23 hours by the pressurized He and N 2 treatment, and the water resistance is improved.
[0025]
It can also be confirmed from this figure that He is more effective in improving water resistance than N 2 . The solution treatment for actual resist stripping is at least 40 minutes, and by applying this pressure N 2 and He treatment immediately before, a decrease in the refractive index of the La 2 O 3 film 14 in the gate end region can be suppressed.
[0026]
Next, the difference in film quality of the La 2 O 3 film subjected to the pressurized N 2 treatment was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (hereinafter referred to as XPS). The result is shown in FIG. Here, changes in the N1s spectrum of the La 2 O 3 film before and after the substrate temperature is room temperature and the pressurized N 2 treatment (2 kg / cm 2 ) is performed for about 1 hour are shown. The X-ray source is MgKα, and the photoelectron escape angle is 45 °. From FIG. 8, it can be seen that the N1s spectrum intensity around the relative photoelectron binding energy (Relative binding energy) of about 400 eV is increased by the pressurized N 2 treatment. That is, nitrogen is taken into the La 2 O 3 film by the pressurized N 2 treatment despite the room temperature treatment, and this taken-in nitrogen suppresses the infiltration of water (water diffusion into the La 2 O 3 bulk). By doing so, it can be said that the water resistance was improved.
[0027]
Next, the temperature range applicable to the pressure treatment was also confirmed. FIG. 9 shows changes in the refractive index of the La 2 O 3 film (see the left vertical axis in FIG. 9) and changes in the interface silicon oxide film thickness (see the right vertical axis in FIG. 9) after 27 hours of water treatment. It can be seen that the lower the refractive index n due to the water treatment is suppressed, the higher the substrate temperature (the horizontal axis in FIG. 9) during the pressure treatment. That is, it can be said that the diffusion amount of the inert gas into the insulating film increases and the concentration of the inert gas in the film increases, thereby inhibiting the diffusion of water from the outside.
[0028]
In particular, helium gas has the highest diffusion rate and the highest solid solubility, and as is clear from FIG. 9, it is most excellent in terms of improving water resistance. However, it was also found that in the pressure treatment exceeding about 200 ° C., the oxidation reaction at the La 2 O 3 / Si interface proceeds due to residual oxygen and moisture in the gas, and the increase amount ΔT int of the interfacial silicon oxide film thickness proceeds. Therefore, from the viewpoint of improving the water resistance while maintaining the initial interfacial oxide film thickness, the maximum effect was exhibited by performing the pressure treatment in the range of room temperature to 200 ° C.
[0029]
From the above, it can be said that the pressure treatment is most effective in water resistance in a process of heating at room temperature to 200 ° C. in a pressurized He atmosphere.
[0030]
The pressure treatment in this example is performed at about 2 kg / cm 2 , but the treatment time can be shortened from about 1 hr to several minutes by performing a high pressure treatment of about 10 kg / cm 2 or more. . Even in the case of normal pressure treatment, the same effect of improving water resistance can be obtained if the substrate temperature is higher than room temperature (up to about 200 ° C.).
[0031]
Next, the mechanism for improving the water resistance by the pressurized He treatment will be described with reference to the schematic cross-sectional view of FIG. In the conventional method, hydroxide (La 2 (OH) 3 ) is formed by water adsorption on the surface of the rare earth insulating film, grain boundary diffusion and reaction in the bulk, causing a decrease in dielectric constant accompanying volume expansion. It was.
[0032]
On the other hand, in the first embodiment in which the pressurized He treatment is performed in advance, the atomic radius and mass of He are small, so the solid solubility in the insulating film is large, and the water diffusing from the outside collides with He. It has the effect of physically suppressing water soaking. At the same time, since He is an inert gas, oxidation / reduction reactions of the insulating film due to the gas itself do not occur, so that the quality of the rare earth insulating film is not deteriorated.
[0033]
In the first embodiment, the results in the case of using He and nitrogen gas as the pressurizing treatment are mainly shown. However, the same improvement effect can be obtained with Ne, Ar, and their mixed gas having a smaller atomic radius than nitrogen gas. It was confirmed. Even if these inert gases are diluted with a rare gas (Kr, Xe, etc.) having a larger atomic radius than nitrogen gas, the effect is maintained.
[0034]
Furthermore, although the La 2 O 3 film has been mainly described in the first embodiment, the present invention is applicable to other rare earth insulating materials, in particular, Lu, Eu, Sm, Pr, La, Yb, Gd, Effective for oxide films containing Dy. Furthermore, the effectiveness of the silicate film, aluminate film, oxynitride film, nitride film, mixed film, and various multilayer films is maintained. In addition, the same effect can be obtained even with various rare earth insulating films formed by sputtering, ALCVD (Atomic Layer CVD), vapor deposition, plasma CVD, etc., regardless of the method of forming these rare earth insulating films.
[0035]
According to the first embodiment, in the process after the formation of the rare earth insulating film, it is possible to form a rare earth insulating film having a high dielectric constant and excellent flatness, suppressing film quality deterioration during atmospheric exposure and solution processing, and low consumption.・ High speed and high reliability MOSFETs can be provided.
[0036]
(Second embodiment)
Since the structure of the MOSFET according to the second embodiment of the present invention is the same as that of the first embodiment, its detailed description is omitted. In the present embodiment, not the La 2 O 3 film but the Pr 2 O 3 film is formed as the gate insulating film, and the subsequent transport process until the formation of the
[0037]
First, a Pr 2 O 3 film 14 having a thickness of about 20 nm is formed on the
・ Ne atmosphere Pressure 10Torr About 10 minutes → Ne atmosphere Pressure 10kg / cm 2 Ne gas can be diffused more efficiently in the insulating film by performing pressurized Ne treatment after sealed vacuum Ne treatment for 1 minute. By placing the insulating film in a reduced pressure Ne atmosphere of 1 atm (760 Torr) or less as in this embodiment, it is possible to replace Ne with sufficiently removing impurities such as oxygen and water contained in the insulating film. Further, the high pressure Ne gas can be easily diffused into the atomic bond network (network) of the insulating film by continuously performing the pressure Ne treatment.
[0038]
By this reduced pressure and pressurized Ne treatment, diffusion of water / carbon dioxide gas into the insulating film during atmospheric transportation is suppressed (the same action as explained in FIG. 10), and volume expansion due to hydroxide and carbonate formation Is suppressed.
[0039]
FIG. 11 shows changes in the actual film thickness of the Pr 2 O 3 film when left in the atmosphere in Ne treatment (Treatments). The atmospheric temperature was 23 ° C., the humidity was 90%, and the standing time was 24 hours. In FIG. 11, in addition to the membrane (c) by decompression and pressurization Ne treatment, for comparison, the data of the membrane (a) without any pressurization treatment and the membrane (b) with only pressurization Ne treatment are also shown. . From this, it was confirmed that the increase in the actual film thickness ΔT is minimized by the pressure Ne treatment, more preferably the pressure reduction and the pressure Ne treatment.
[0040]
The operation in these series of steps is the same as in the first embodiment. In accordance with the same idea as described in the first embodiment in all semiconductor manufacturing processes, particularly when a rare earth insulating film is exposed on the surface and exposed to the atmospheric transfer or solution processing process, N 2 and Ar are added. However, addition of Ne and He is more effective. For example, the present invention can also be applied when a rare earth insulating film is used as an interlayer insulating film or a semiconductor sealing material.
[0041]
From the above, in order to improve the water resistance and hygroscopicity of the rare earth insulating film, decompression and pressurization treatment is performed in an inert gas atmosphere having an atomic radius equal to or less than that of nitrogen gas, and at the time of treatment It is effective to control the substrate temperature to room temperature (about 27 ° C.) or more and about 200 ° C. or less. Such treatment after the formation of the insulating film is particularly effective when the thickness of the rare earth insulating film is 20 nm or less.
[0042]
Note that the present invention is not limited to the above-described embodiments and examples as they are, and can be embodied by modifying the components without departing from the scope of the invention in the implementation stage. In addition, various inventions can be formed by appropriately combining a plurality of components disclosed in the embodiment. For example, some components may be deleted from all the components shown in the embodiment. Furthermore, constituent elements over different embodiments may be appropriately combined.
[0043]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, it is possible to provide a semiconductor device including a rare earth insulating film that suppresses film quality deterioration of a rare earth insulating film in atmospheric exposure and solution processing and has a high dielectric constant and excellent flatness. .
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view for explaining a method of manufacturing a MOSFET according to a first embodiment of the invention.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view for explaining the MOSFET manufacturing process following FIG. 1;
3 is a schematic cross-sectional view for illustrating the manufacturing step of the MOSFET, following FIG. 2. FIG.
4 is a schematic cross-sectional view for explaining the MOSFET manufacturing process following FIG. 3. FIG.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view for explaining the MOSFET manufacturing process following FIG. 4;
6 is a schematic cross-sectional view for explaining the manufacturing step of the MOSFET subsequent to FIG. 5. FIG.
FIG. 7 is a view showing a change in refractive index of a La 2 O 3 film by water treatment after various pressure treatments according to the first embodiment of the present invention.
FIG. 8 is a diagram showing changes in the N1s photoelectron spectrum before and after the pressurized N 2 treatment according to the first example.
FIG. 9 is a diagram showing a change in refractive index of La 2 O 3 film and a change in interfacial silicon oxide film thickness after water treatment according to a pressure treatment temperature according to the first embodiment.
FIG. 10 is a view for explaining a mechanism for improving water resistance by pressurized He treatment according to the first embodiment.
FIG. 11 is a diagram showing a change in actual film thickness due to standing in the atmosphere after the pressure Ne treatment according to the second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
11 ... p-type silicon substrate
12 ... Slot for element isolation region
13 ... Element isolation region
14 ... La 2 O 3 film (first embodiment), Pr 2 O 3 film (second embodiment)
15 ... Polysilicon film
16 ... Photoresist pattern
17 ... n + type source region
18 ... n + drain region
19 ... Silicon oxide film (interlayer insulating film)
110 ... Source electrode
111 ... Drain electrode
112 ・ ・ ・ Gate electrode
Claims (4)
前記絶縁膜の少なくとも一部が露出した状態で大気搬送若しくは溶液処理を行う前に、ヘリウム若しくはネオンガス雰囲気中で、27℃以上200℃以下の温度で、1 atmを超える加圧処理を行う工程とを備えること
を特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film composed of a La2O3 film , a LaSiO film , a LaAlO film , a LaON film , a LaN film , a Pr2O3 film , a PrSiO film , a PrAlO film , a PrON film , a PrN film , or a multilayer film thereof on a semiconductor substrate;
Performing a pressure treatment exceeding 1 atm at a temperature of 27 ° C. or higher and 200 ° C. or lower in a helium or neon gas atmosphere before performing atmospheric transfer or solution processing with at least a part of the insulating film exposed; A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:
前記絶縁膜の少なくとも一部が露出した状態で大気搬送若しくは溶液処理を行う前に、ヘリウム若しくはネオンガス雰囲気中で、27℃を超え、200℃以下の温度での常圧処理を行う工程とを備えること
を特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film composed of a La2O3 film , a LaSiO film , a LaAlO film , a LaON film , a LaN film , a Pr2O3 film , a PrSiO film , a PrAlO film , a PrON film , a PrN film , or a multilayer film thereof on a semiconductor substrate;
And carrying out atmospheric pressure treatment at a temperature higher than 27 ° C. and lower than 200 ° C. in a helium or neon gas atmosphere before performing atmospheric transfer or solution treatment with at least a part of the insulating film exposed. A method for manufacturing a semiconductor device.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003059394A JP4067989B2 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Manufacturing method of semiconductor device |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2003059394A JP4067989B2 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Manufacturing method of semiconductor device |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2004273585A JP2004273585A (en) | 2004-09-30 |
JP4067989B2 true JP4067989B2 (en) | 2008-03-26 |
Family
ID=33122215
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2003059394A Expired - Fee Related JP4067989B2 (en) | 2003-03-06 | 2003-03-06 | Manufacturing method of semiconductor device |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP4067989B2 (en) |
Families Citing this family (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4914573B2 (en) * | 2005-02-25 | 2012-04-11 | キヤノンアネルバ株式会社 | Method of manufacturing field effect transistor having high dielectric gate insulating film and metal gate electrode |
JP4523994B2 (en) * | 2009-11-26 | 2010-08-11 | キヤノンアネルバ株式会社 | Method for manufacturing field effect transistor |
JP4523995B2 (en) * | 2009-11-26 | 2010-08-11 | キヤノンアネルバ株式会社 | Method for manufacturing field effect transistor |
-
2003
- 2003-03-06 JP JP2003059394A patent/JP4067989B2/en not_active Expired - Fee Related
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2004273585A (en) | 2004-09-30 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US6797599B2 (en) | Gate structure and method | |
US6909156B2 (en) | Semiconductor device and manufacturing method therefor | |
US7820552B2 (en) | Advanced high-k gate stack patterning and structure containing a patterned high-k gate stack | |
US6787440B2 (en) | Method for making a semiconductor device having an ultra-thin high-k gate dielectric | |
JP5135250B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
US20060051924A1 (en) | Method for making a semiconductor device having a high-k gate dielectric layer and a metal gate electrode | |
US20100184281A1 (en) | Method for treating layers of a gate stack | |
US20080032510A1 (en) | Cmos sion gate dielectric performance with double plasma nitridation containing noble gas | |
US9006056B2 (en) | Method for reducing interfacial layer thickness for high-k and metal gate stack | |
JP2003297822A (en) | Method of forming insulation film | |
US20040106289A1 (en) | Method for manufacturing semiconductor integrated circuit device | |
US7160771B2 (en) | Forming gate oxides having multiple thicknesses | |
WO2012018975A2 (en) | Mos transistors including sion gate dielectric with enhanced nitrogen concentration at its sidewalls | |
US8557651B2 (en) | Method of manufacturing a semiconductor device using an etchant | |
JP2005064317A (en) | Semiconductor device | |
JP2003297826A (en) | Manufacturing method for semiconductor device, and the semiconductor device | |
US10068984B2 (en) | Method of manufacturing high-k dielectric using HfO/Ti/Hfo layers | |
JP4229762B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP4067989B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
JP2001085427A (en) | Oxynitride film and forming method therefor | |
US20070134861A1 (en) | Semiconductor devices and methods of manufacture thereof | |
JP4007864B2 (en) | Manufacturing method of semiconductor device | |
CN105374734A (en) | Formation method of semiconductor structure | |
JP2005032908A (en) | Method for forming thin film | |
JP3833956B2 (en) | Semiconductor device manufacturing method and semiconductor device |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
A977 | Report on retrieval |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007 Effective date: 20050228 |
|
RD02 | Notification of acceptance of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7422 Effective date: 20050415 |
|
RD04 | Notification of resignation of power of attorney |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A7424 Effective date: 20050606 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070209 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070409 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20070612 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20070726 |
|
A131 | Notification of reasons for refusal |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131 Effective date: 20071009 |
|
A521 | Written amendment |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523 Effective date: 20071130 |
|
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: 20080108 |
|
A61 | First payment of annual fees (during grant procedure) |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61 Effective date: 20080109 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110118 Year of fee payment: 3 |
|
FPAY | Renewal fee payment (event date is renewal date of database) |
Free format text: PAYMENT UNTIL: 20110118 Year of fee payment: 3 |
|
LAPS | Cancellation because of no payment of annual fees |