專利名稱：半導(dǎo)體器件的制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及具有絕緣膜的半導(dǎo)體器件制造方法，該絕緣膜由氧化鉿(HfO2)或者氧化鋯(ZrO2)等高電介質(zhì)構(gòu)成。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，由于MIS型晶體管進(jìn)一步微細(xì)化，使設(shè)置在該晶體管上的柵絕緣膜被薄膜化，其結(jié)果是能夠?qū)崿F(xiàn)晶體管的高驅(qū)動(dòng)力。但是，該柵絕緣膜的薄膜化在柵溝道間帶來(lái)直接隧道電流，存在因該直接隧道電流的增大，使晶體管的功率消耗增大這樣的問(wèn)題。
一般，在柵長(zhǎng)為0.1μm以下的微細(xì)MOS集成電路中，柵絕緣膜必須成為將氧化硅膜換算膜厚值Eot在2nm以下的極薄柵絕緣膜。這里的氧化硅膜換算厚度是指某種絕緣膜為了得到與氧化硅膜同等的電容所需要的膜厚。在氧化硅(SiO2)中，當(dāng)它的膜厚在2nm以下時(shí)，隧道電流就成為支配性因素，特別是在1.2nm以下時(shí)，該晶體管就不能作為實(shí)用元件使用。
因此，為了同時(shí)實(shí)現(xiàn)高驅(qū)動(dòng)能力和低功率消耗，使用介電常數(shù)比氧化硅膜高的高介電常數(shù)絕緣膜作為柵絕緣膜。
另外，還有將DRAM部和邏輯部混載在一個(gè)芯片上的混載型LSI，包含在混載型LSI等中的電容器，過(guò)去一直使用氧化硅膜作為電容絕緣膜，仍然是隨著薄膜化的進(jìn)展隧道電流增大，存在電容器的電荷保持時(shí)間變短的危險(xiǎn)。因此，也在進(jìn)行將高介電常數(shù)材料用于電容絕緣膜的探討。
例如，由鉿(Hf)或者鋯(Zr)等的金屬氧化物構(gòu)成的高電介質(zhì)薄膜，一般用濺射法、有機(jī)金屬氣相淀積(MOCVD)法、原子層CVD(ALCVD)法、或者分子束外延(MBE)法等成膜方法形成。
但是，在淀積高電介質(zhì)構(gòu)成的柵絕緣膜，進(jìn)而形成柵電極之后，形成源-漏雜質(zhì)結(jié)，這種方法就是所謂的自對(duì)準(zhǔn)工藝。在用自對(duì)準(zhǔn)工藝形成晶體管的情況下，為了得到漏電流小的雜質(zhì)結(jié)，在向源-漏導(dǎo)入雜質(zhì)后，必須加熱到900℃左右，進(jìn)行熱處理。
代替自對(duì)準(zhǔn)工藝，還可以在形成柵絕緣膜之前先形成源-漏區(qū)，這種工藝即所謂的調(diào)換工藝。即使在采用調(diào)換工藝的情況下，當(dāng)除去在超高真空中外延生長(zhǎng)高電介質(zhì)薄膜的MBE法時(shí)，為了使柵絕緣膜獲得良好的絕緣特性，必須進(jìn)行700℃以上的熱處理(例如，參照非專利文獻(xiàn)1)。
另一方面，在進(jìn)行高溫?zé)崽幚淼那闆r下，由金屬與硅反應(yīng)而產(chǎn)生硅化物化反應(yīng)，由氧化物產(chǎn)生結(jié)晶化，因此形成組成發(fā)生變化的區(qū)域與沒(méi)有發(fā)生變化區(qū)域的邊界，使絕緣性降低(例如，參照非專利文獻(xiàn)2)。
林重德等“用反應(yīng)性濺射法制作高介電常數(shù)柵絕緣膜及其評(píng)價(jià)”，第60次半導(dǎo)體集成電路技術(shù)研討會(huì)講演論文集，電化學(xué)會(huì)電子材料委員會(huì)，2001年6月，P.12～16[非專利文獻(xiàn)2]宮田乘行等“HfO2/超薄-SiO2/Si結(jié)構(gòu)的熱穩(wěn)定性”(Thermal Stability ofHfO2/Ultrathin-SiO2/Si structures)、(Extended Abstracts of the 2002 International Conference on Solid StateDevices and Materials)、名古屋、2002年、P.478～479發(fā)明內(nèi)容(發(fā)明要解決的課題)但是，一般情況下，當(dāng)這些高電介質(zhì)材料接受600℃程度以上的熱處理時(shí)，例如，在與構(gòu)成襯底的硅之間產(chǎn)生反應(yīng)，因高電介質(zhì)膜自身的結(jié)晶化產(chǎn)生晶粒間界，因相變化產(chǎn)生膜厚度不均勻，因而產(chǎn)生漏電流增加和耐壓降低的問(wèn)題。
另外，因在熱處理氣氛中所包含的微量氧和硅襯底及絕緣膜中的氧，在高電介質(zhì)膜與硅襯底的界面上，形成氧化硅膜和高電介質(zhì)與硅的化合物膜(所謂的硅酸鹽薄膜)。由于該氧化硅膜及硅酸鹽薄膜的介電常數(shù)是高電介質(zhì)材料的二分之一到幾分之一，當(dāng)形成這些薄膜時(shí)，相當(dāng)于在高電介質(zhì)膜上插入串聯(lián)的電容器，使有效的介電常數(shù)降低。
這樣，當(dāng)由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的柵絕緣膜進(jìn)入實(shí)用化階段時(shí)，熱處理方法的改進(jìn)是不可缺少的。
另外，將高電介質(zhì)材料作為電容器的電容絕緣膜使用的情況下，也產(chǎn)生同樣的問(wèn)題。即，在將硅襯底作為電容器一方的電極使用的時(shí)，與柵絕緣膜的情況同樣，在與硅襯底的界面上容易生成介電常數(shù)低的氧化膜。
另外，在具有用金屬電極從上下方向夾持由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜的層狀結(jié)構(gòu)中，即在具有所謂的MIM結(jié)構(gòu)的電容器的情況下，如何抑制高電介質(zhì)膜與位于其上下的金屬電極的反應(yīng)是一個(gè)重大課題。
鑒于上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于能夠?qū)⒂山饘傺趸飿?gòu)成的高電介質(zhì)薄膜應(yīng)用于柵絕緣膜或者電容絕緣膜中。
(解決課題的手段)本申請(qǐng)的發(fā)明人，為了將由金屬氧化物構(gòu)成的高電介質(zhì)膜應(yīng)用于MIS型晶體管的柵絕緣膜和電容器的電容絕緣膜中，進(jìn)行了種種探討，得到以下的見(jiàn)解。
在半導(dǎo)體集成電路器件的制造工藝中，600℃～1000℃左右溫度下的熱處理是不可缺少的。例如，在用離子注入法對(duì)硅構(gòu)成的襯底導(dǎo)入雜質(zhì)的工序中，注入了的雜質(zhì)離子打亂硅晶體的排列，產(chǎn)生間隙硅和點(diǎn)陣空穴等缺陷。為了使這些晶體缺陷恢復(fù)，通常，必須進(jìn)行600℃～1000℃左右溫度下的熱處理。
另外，在用低溫形成由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的柵絕緣膜的情況下，由于在膜中殘留許多缺陷，必須用熱處理使這些缺陷恢復(fù)。例如，在將氧化鉿(HfO2)和氧化鋯(ZrO2)等高電介質(zhì)材料用于柵絕緣膜的情況下，由于在剛剛淀積后(as-depo)存在許多氧虧損，在淀積后必須在氧氣氛中用600℃～1000℃左右的溫度進(jìn)行熱處理。
但是，如前所述，當(dāng)由這些金屬氧化物構(gòu)成的高電介質(zhì)膜在600℃左右的溫度下被加熱時(shí)，一方面，由于膜中的晶體缺陷被消除使絕緣特性得到改善，另一方面，因結(jié)晶化產(chǎn)生晶粒間界和因相變化產(chǎn)生膜厚的不均勻，因此，在通過(guò)高電介質(zhì)膜的漏電流增加的同時(shí)，其耐壓惡化。
然而，高電介質(zhì)膜中的結(jié)晶化及相變化，膜中原子的隨機(jī)而且大規(guī)模運(yùn)動(dòng)的結(jié)果，是能夠?qū)崿F(xiàn)自由能最小的穩(wěn)定狀態(tài)。這樣的隨機(jī)原子運(yùn)動(dòng)可以用與擴(kuò)散同樣的機(jī)構(gòu)進(jìn)行模擬。即，設(shè)擴(kuò)散長(zhǎng)度為L(zhǎng)，原子的擴(kuò)散距離能夠用式(1)估算。
L＝(D·t) …(1)其中，D是擴(kuò)散系數(shù)，t是擴(kuò)散時(shí)間。
舉一個(gè)例子，在溫度1000℃的情況下，硅(Si)中硼(B)的擴(kuò)散系數(shù)D為10-14m2/s左右。
雖然還不明了在高電介質(zhì)膜中其構(gòu)成原子的擴(kuò)散系數(shù)值，但若假定以與硅中的雜質(zhì)同等的擴(kuò)散速度隨機(jī)運(yùn)動(dòng)時(shí)，設(shè)擴(kuò)散時(shí)間為10分鐘，則擴(kuò)散長(zhǎng)度L約為25nm。因此，由于在膜厚5nm的柵絕緣膜中產(chǎn)生原子的再排列，漏電流的增加成為懸念。
可是，當(dāng)設(shè)熱處理時(shí)間為0.1秒時(shí)，擴(kuò)散長(zhǎng)度L就成為0.3nm。由于硅晶體中的最接近原子間距離是0.24nm，原子移動(dòng)后的位置就停留在出發(fā)位置的極近處，不至于產(chǎn)生相變化和結(jié)晶化。
進(jìn)而，過(guò)去的熱處理方法，當(dāng)在氧化性氣氛中進(jìn)行熱處理時(shí)，存在在硅襯底與高電介質(zhì)膜的界面上生長(zhǎng)氧化硅膜的問(wèn)題，由于這樣的熱處理時(shí)間極短，因而該氧化硅膜的生長(zhǎng)也被抑制。因此，如果使高電介質(zhì)膜的淀積方法最佳化，即使在1000℃的溫度下進(jìn)行0.1秒的熱處理，也能夠?qū)⒀趸枘さ纳L(zhǎng)抑制在0.1nm～0.2nm左右。
根據(jù)這些見(jiàn)解，為達(dá)成上述目的，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法具備下述兩工序在襯底上形成由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜的第1工序；和用光照射形成了絕緣膜的襯底的第2工序。
根據(jù)本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，由于光照射到形成了由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜的襯底上，使該光的波長(zhǎng)成為能夠被襯底吸收程度的波長(zhǎng)，能夠僅僅在襯底的表面附近進(jìn)行0.1秒以下的極短時(shí)間的熱處理。其結(jié)果是，在將由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜用于柵絕緣膜和電容絕緣膜的情況下，能夠防止因結(jié)晶化或者相變化在該絕緣膜上產(chǎn)生漏電流，同時(shí)，能夠一邊抑制生長(zhǎng)在襯底與該絕緣膜的界面上的氧化膜的生長(zhǎng)，一邊能夠謀求襯底中的晶體缺陷的恢復(fù)。
并且，由于是在襯底的表面附近進(jìn)行局部的熱處理，使0.1秒以下短時(shí)間的熱處理成為可能。其原因是，為了使晶片整體或者支撐晶片的支座本身也達(dá)到高溫，需要極大的熱源，另外，一旦晶片和支座達(dá)到高溫，由于它們的熱容量大，不能急速降溫，難以進(jìn)行短時(shí)間的熱處理。另外，由于僅僅加熱襯底表面附近局部的區(qū)域，能量利用率高，能夠減小給予環(huán)境的負(fù)荷。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，絕緣膜最好是晶體管中的柵絕緣膜。
在這種情況下，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，最好在第1工序和第2工序之間進(jìn)一步具備在襯底上選擇性的導(dǎo)入雜質(zhì)的工序。這樣做時(shí)，能夠形成極淺的結(jié)而且電阻小的雜質(zhì)擴(kuò)散層。
另外，在這種情況下，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，最好在第1工序和第2工序之間進(jìn)一步具備在絕緣膜上形成導(dǎo)體膜的工序。這樣做時(shí)，能夠提高由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜所受熱處理的均勻性。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，絕緣膜最好是電容器中的電容絕緣膜。
這種情況下，本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法，最好在第1工序之前，進(jìn)一步具備在襯底上選擇性的導(dǎo)入雜質(zhì)的工序。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，襯底最好由硅構(gòu)成。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，絕緣膜最好包含金屬元素。
在這種情況下，絕緣膜最好包含鉿(Hf)、鋯(Zr)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釔(Y)及鋁(Al)中的至少一種。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，最好調(diào)節(jié)氧氣或者氧化合物氣體的分壓，進(jìn)行第2工序。
另外，在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，第2工序最好在氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w氣氛下進(jìn)行。
一般，由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜，按照其成膜方法，當(dāng)成膜時(shí)的氧分壓過(guò)高時(shí)，透過(guò)絕緣膜的氧容易與襯底反應(yīng)，在與襯底的絕緣膜的界面上容易生成氧化膜。然而，由于調(diào)節(jié)氧氣或者氧化合物氣體的分壓，在氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w氣氛下進(jìn)行對(duì)由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜的熱處理，就能夠抑制在與襯底的絕緣膜的界面上形成的氧化膜等。
在本發(fā)明的半導(dǎo)體器件制造方法中，在第2工序中，襯底最好加熱到100℃～500℃的溫度。


圖1是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體器件模式的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖2(a)～(d)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體器件制造方法的工序順序的模式的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖3是示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體器件制造方法的工序順序的模式的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖4(a)～(d)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體器件制造方法的工序順序的模式的結(jié)構(gòu)剖面圖。
圖5(a)～(c)是示出本發(fā)明的實(shí)施方式3的半導(dǎo)體器件制造方法的工序順序的模式的結(jié)構(gòu)剖面圖。
符號(hào)說(shuō)明11-半導(dǎo)體襯底；12-溝槽隔離區(qū)；13-底層絕緣膜；14-柵絕緣膜；14A-高電介質(zhì)絕緣膜；15-柵電極；15A-柵電極形成膜(導(dǎo)體膜)；16-擴(kuò)展區(qū)；17-源-漏區(qū)；18-側(cè)壁膜；25-柵電極；25A-柵電極形成膜(導(dǎo)體膜)；31-n型擴(kuò)散區(qū)；32-電容絕緣膜；32A-高電介質(zhì)絕緣膜；33-上部電極。
具體實(shí)施例方式
(實(shí)施方式1)參照

本發(fā)明的實(shí)施方式1。
圖1是本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體器件，模式地示出了MIS型晶體管的剖面結(jié)構(gòu)。
如圖1所示，例如，在由p型硅(Si)構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11的上部上形成由氧化硅(SiO2)構(gòu)成的溝槽隔離區(qū)12，它的主面由溝槽隔離區(qū)12區(qū)劃為元件形成區(qū)域。
在元件形成區(qū)域的上面上，從下面起順序形成由膜厚0.5nm的氧化硅構(gòu)成的底層絕緣膜13，膜厚4nm的高電介質(zhì)材料構(gòu)成的柵絕緣膜14，該柵絕緣膜14例如由氧化鉿(HfO2)構(gòu)成，由n型多晶硅構(gòu)成的柵電極15。
在元件形成區(qū)域的上部、底層絕緣膜13的柵長(zhǎng)方向側(cè)的兩端部的下側(cè)的區(qū)域上，相互間隔地形成n型雜質(zhì)淺離子注入構(gòu)成的n型擴(kuò)展區(qū)域16。擴(kuò)展區(qū)域16是為了抑制在晶體管上產(chǎn)生的短溝道效應(yīng)，提高驅(qū)動(dòng)力而設(shè)置的。進(jìn)而，在元件形成區(qū)域的上部中的擴(kuò)展區(qū)域16的外側(cè)區(qū)域上，由注入形成n型源-漏區(qū)17，源-漏區(qū)17各自內(nèi)側(cè)的端部與擴(kuò)展區(qū)域16連接，并且比該擴(kuò)展區(qū)域16結(jié)面更深。
在包含底層絕緣膜13及柵絕緣膜14的各側(cè)面的柵電極15的柵長(zhǎng)方向側(cè)的兩側(cè)面上，形成由氧化硅或氮化硅等絕緣膜構(gòu)成的側(cè)壁膜18。
以下，參照

上述結(jié)構(gòu)的MIS型晶體管的制造方法。
圖2(a)～圖2(d)及圖3示出本發(fā)明的實(shí)施方式1的半導(dǎo)體器件的制造方法工序的剖面結(jié)構(gòu)。這里，半導(dǎo)體襯底11僅示出形成由包含MIS型晶體管的多個(gè)功能元件構(gòu)成的集成電路的晶片的一部分。
首先，如圖2(a)所示，用公知的方法，在由p型硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11的上部上選擇性地形成溝槽，將氧化硅埋入形成的溝槽中，形成溝槽隔離區(qū)12。
其次，如圖2(b)所示，用熱氧化法，在半導(dǎo)體襯底11的表面上形成由膜厚約0.5nm～1.0nm的氧化硅構(gòu)成的底層絕緣膜13。該底層絕緣膜13范圍涉及包含溝槽隔離區(qū)12的半導(dǎo)體襯底11的整個(gè)表面。接著，用氧氣氛下的反應(yīng)性濺射法，在底層絕緣膜13的上面上淀積由膜厚約5nm的氧化鉿(HfO2)構(gòu)成的柵絕緣膜形成用的高電介質(zhì)絕緣膜14A。然后。用減壓CVD法，在高電介質(zhì)絕緣膜14A的上面上淀積由膜厚約250nm的多晶硅構(gòu)成的柵電極形成膜15A。這里，柵電極形成膜15A不限于多晶硅，當(dāng)使用鍺硅(SiGe)時(shí)，能夠謀求低電阻化。另外，用等離子體氮化法等，導(dǎo)入氮?dú)猓瑢⒌讓咏^緣膜13作成氮氧化硅時(shí)，在高電介質(zhì)絕緣膜14A成膜時(shí)能夠抑制半導(dǎo)體襯底11的表面氧化，同時(shí)，當(dāng)在柵電極形成膜15A中導(dǎo)入雜質(zhì)時(shí)，能夠防止向半導(dǎo)體襯底11的雜質(zhì)擴(kuò)散。
接著，用光刻法，在柵電極形成膜15A的上面上，形成具有柵電極圖形的抗蝕劑圖形(未圖示)，用形成的抗蝕劑圖形作為掩模，用鹵素氣體等離子體對(duì)柵電極形成膜15A進(jìn)行干法刻蝕，從柵電極形成膜15A形成柵電極15。這時(shí)，高電介質(zhì)絕緣膜14A的上部或者高電介質(zhì)絕緣膜14A及底層絕緣膜13的上部也同時(shí)被刻蝕。接著，將被刻蝕了的柵電極15作為掩模，在半導(dǎo)體襯底11上進(jìn)行雜質(zhì)離子的注入。由此，在將雜質(zhì)離子導(dǎo)入半導(dǎo)體襯底11的上部上的同時(shí)，雜質(zhì)離子也被導(dǎo)入柵電極15上。然后，用使注入的雜質(zhì)離子激活的熱處理，在半導(dǎo)體襯底11的上部上形成擴(kuò)展區(qū)域16。這里，在n溝道晶體管的情況下，注入的雜質(zhì)使用砷(As)等n型雜質(zhì)，在p溝道晶體管的情況下，注入的雜質(zhì)使用硼(B)等p型雜質(zhì)。但是，在p溝道晶體管的情況下，必須在半導(dǎo)體襯底11中的元件形成區(qū)域上預(yù)先形成比源-漏區(qū)17更深的n型阱。然后，使用包含氫氟酸(HF)的水溶液，進(jìn)行1分鐘左右的濕法腐蝕，除去除高電介質(zhì)絕緣膜14A及底層絕緣膜13中的柵電極15的下側(cè)部分之外的區(qū)域。由此，從高電介質(zhì)絕緣膜14A形成柵絕緣膜14，得到圖2(c)所示狀態(tài)。
接著，用CVD法，在包含柵電極15的半導(dǎo)體襯底11的上面上的整個(gè)面上，淀積膜厚約100nm～200nm的氮化硅(Si3N4)或者氧化硅(SiO2)構(gòu)成的絕緣膜。接著，使用包含四氟化碳(CF4)和三氟代烴(CHF3)刻蝕氣體的氣體等離子體，對(duì)淀積了的絕緣膜進(jìn)行反應(yīng)離子刻蝕(Reactive IonEtching)的各向異性刻蝕，在柵電極15的兩側(cè)面上從絕緣膜形成側(cè)壁膜18，側(cè)壁膜18由絕緣膜的淀積膜厚決定。接著，將柵電極15及側(cè)壁膜18作為掩模，對(duì)半導(dǎo)體襯底11的上部上進(jìn)行雜質(zhì)離子注入，以形成源-漏區(qū)17。這里，被注入的雜質(zhì)離子，在n溝道晶體管的情況下例如使用砷，在p溝道晶體管的情況下，例如使用硼。此外，在p溝道晶體管的情況下，在進(jìn)行用于形成源-漏區(qū)的離子注入之前，最好用加速能量30KeV～100KeV左右，注入劑量約1×1015/cm2～5×1015/cm2的鍺(Ge)離子進(jìn)行離子注入，使半導(dǎo)體襯底11的上部非晶化，即所謂的予非晶化離子注入(PAI)。該P(yáng)AI是為了謀求源-漏區(qū)17的淺結(jié)化，在使用于p溝道晶體管的情況的硼注入中，由于它的質(zhì)量小，源-漏區(qū)17非晶化困難，為了補(bǔ)償它才進(jìn)行PAI注入。此外，在使用于n溝道晶體管的砷離子的情況下，為了半導(dǎo)體襯底11的上部非晶化，也可以不進(jìn)行PAI。由于對(duì)該源-漏區(qū)17進(jìn)行雜質(zhì)注入，得到圖2(d)所示狀態(tài)。
接著，如圖3所示，使用激光，對(duì)柵絕緣膜14進(jìn)行熱處理，同時(shí)對(duì)離子注入了的源-漏區(qū)17進(jìn)行熱處理。這里，熱處理氣氛是壓力約250Pa的氮?dú)?N2)氣氛，其中包含分壓9Pa～11Pa左右的氧(O2)。此外，因背景氣體的壓力等最佳條件不同，氧的分壓最好是1Pa～100Pa。這是由于，當(dāng)氧分壓過(guò)高時(shí)，透過(guò)柵絕緣膜14及底層絕緣膜13的氧原子與構(gòu)成半導(dǎo)體襯底11的硅原子反應(yīng)，在與半導(dǎo)體襯底11的底層絕緣膜13的界面上形成氧化硅層，因而降低有效的介電常數(shù)的緣故。相反，當(dāng)氧分壓過(guò)低時(shí)，由于從熱處理用腔室的壁面等滲出的脫出氣體和該腔室產(chǎn)生的漏氣的影響，不能得到有實(shí)用性的工藝重復(fù)性。
用于熱處理的激光光子的能量大于硅的禁帶寬度，以便僅僅對(duì)半導(dǎo)體襯底11的表面附近加熱，即使用具有硅可能吸收的0.4μm以下波長(zhǎng)的光源，例如使用波長(zhǎng)308nm的、光輸出15W的XeCl2準(zhǔn)分子激光。這里，用束擴(kuò)展器將激光擴(kuò)大，通過(guò)畫(huà)角可變的狹縫將激光整形成一邊30mm方形的激光束，照射到半導(dǎo)體襯底(晶片)11上。具體地說(shuō)，用與分布重復(fù)曝光裝置同樣的方法，對(duì)半導(dǎo)體襯底11的主面?zhèn)葤呙杵毓?。這里，調(diào)整半導(dǎo)體襯底11的掃描速度、激光的脈沖間隔及峰值功率，用0.4J/cm2～0.6J/cm2的照射能量，對(duì)每個(gè)照射區(qū)域進(jìn)行0.1秒的熱處理，使得僅僅在半導(dǎo)體襯底11的表面附近的溫度升高到1150℃～1250℃。在這種情況下，由于半導(dǎo)體襯底11的吸收系數(shù)大，從襯底表面深度達(dá)數(shù)十納米左右的區(qū)域上溫度成為1100℃以上的高溫。這樣，由于對(duì)半導(dǎo)體襯底11的表面進(jìn)行局部的加熱，能夠同時(shí)進(jìn)行對(duì)柵絕緣膜14的氧缺損補(bǔ)償?shù)臒崽幚砗蛯?duì)源-漏區(qū)17的結(jié)晶性恢復(fù)及雜質(zhì)激活化的熱處理。另外，由于能夠僅僅對(duì)襯底表面的附近進(jìn)行極短時(shí)間而且高溫的處理，能量的利用效率高。而且，調(diào)節(jié)晶片支座的溫度，能夠緩和當(dāng)進(jìn)行短時(shí)間熱處理時(shí)在晶片上產(chǎn)生的畸變，因而，能夠防止晶片的缺陷和表面薄膜的松弛及斷線等。
進(jìn)而，在實(shí)施方式1中，將半導(dǎo)體襯底11加熱到100℃～500℃左右的溫度。由此，能夠減小襯底表面與襯底內(nèi)部的溫度差，能夠減輕施加在半導(dǎo)體襯底11上的應(yīng)力，能夠提高激光光強(qiáng)度和襯底表面溫度的可控性及重復(fù)性。
這樣得到的源-漏區(qū)17，在熱處理前，n溝道晶體管的情況下注入砷離子，或者p溝道晶體管的情況下注入硼離子和鍺離子，使其非晶化，其結(jié)果是，盡管它的擴(kuò)散區(qū)域的結(jié)深度淺到0.2μm以下，也能夠得到薄層電阻80Ω～300Ω的極低電阻值。這是由于非晶化的區(qū)域在比單晶硅的熔點(diǎn)低200度～300度左右的低溫度下熔融，以準(zhǔn)穩(wěn)定狀態(tài)使雜質(zhì)進(jìn)入源-漏區(qū)17中的硅晶體中，就得到這樣的低電阻狀態(tài)。
另外，由于用激光的照射進(jìn)行0.1秒的極短時(shí)間的熱處理，設(shè)置在柵絕緣膜14的下側(cè)上的底層絕緣膜13的膜厚增加極小，它的增加量在0.2nm左右。根據(jù)實(shí)驗(yàn)，可以推算出在超過(guò)1100℃的溫度中，氧化鉿(HfO2)中的氧的擴(kuò)散系數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)10-14cm2/s，雖然氧容易到達(dá)半導(dǎo)體襯底11的表面，但是，在實(shí)施方式1中，由于氧分壓低，而且是0.1秒的極短時(shí)間的熱處理，半導(dǎo)體襯底11幾乎不進(jìn)行氧化。
然后，在半導(dǎo)體襯底11的上面上形成層間絕緣膜和電極布線，完成MIS型晶體管。
這樣得到的MIS型晶體管，柵電極15與半導(dǎo)體襯底11之間的漏電流和源-漏區(qū)17彼此之間的漏電流極小。另外，在柵絕緣膜14中，得到氧化硅膜換算厚度值Eot最小為1.1nm，與和它等價(jià)的由氧化硅構(gòu)成的柵絕緣膜的情況相比，柵漏電流降低3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。
此外，在實(shí)施方式1中，高電介質(zhì)絕緣膜14A使用了氧化鉿，但不是僅限于鉿。即，代替鉿(Hf)，也可以使用包含鋯(Zr)、鑭(La)、鈰(Ce)、鐠(Pr)、釹(Nd)、釔(Y)、及鋁(Al)中的至少一種的氧化物或者硅酸鹽，只要是稱為所謂的高介電常數(shù)絕緣材料的絕緣材料，都能夠得到同樣的效果。包含這些元素的氧化物或者硅酸鹽具有比較大的介電常數(shù)，同時(shí)具有與氧的強(qiáng)耦合，形成穩(wěn)定的膜是令人滿意的。
另外，高電介質(zhì)絕緣膜14A也可以是多層的絕緣膜疊層而成的所謂的迭式結(jié)構(gòu)，和極薄膜多層疊層了的層壓結(jié)構(gòu)。在實(shí)施方式1的制造方法中，由于進(jìn)行極短時(shí)間的熱處理，對(duì)疊層了的任何一個(gè)絕緣膜都能夠維持良好的絕緣特性。
另外，雖然在半導(dǎo)體襯底11和柵絕緣膜15之間，并不一定必須設(shè)置底層絕緣膜13，但與在半導(dǎo)體襯底11的上面上直接淀積高電介質(zhì)絕緣膜14A情況相比，當(dāng)預(yù)先在半導(dǎo)體襯底11的上面上形成熱氧化膜的氧化硅作為底層膜時(shí)，由于硅與熱氧化膜的結(jié)面(界面)的特性極好，這是最理想的。
另外，半導(dǎo)體襯底11不僅限于體材料的硅襯底，也可以使用SOI(絕緣體上硅silicon on insulator)襯底。
(實(shí)施方式2)以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式2。
圖4(a)～圖4(d)示出了本發(fā)明的實(shí)施方式2的半導(dǎo)體器件的制造方法的工序順序的剖面結(jié)構(gòu)。這里半導(dǎo)體襯底11也是僅示出晶片的一部分。
首先，如圖4(a)所示，用公知的方法，在由p型硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11的上部上選擇性地形成溝槽，將氧化硅埋入形成的溝槽中，形成溝槽隔離區(qū)12。
其次，如圖4(b)所示，用熱氧化法，在半導(dǎo)體襯底11的表面上形成由膜厚約0.4nm的氧化硅構(gòu)成的底層絕緣膜13，該底層絕緣膜13范圍涉及包含溝槽隔離區(qū)12的半導(dǎo)體襯底11的整個(gè)表面。接著，用四氯化鉿(HfCl4)和水蒸氣(H2O)交互供給的原子層CVD法，在底層絕緣膜13的上面上淀積由膜厚約5nm的氧化鉿(HfO2)構(gòu)成的柵絕緣膜形成用的高電介質(zhì)絕緣膜14A。然后，用濺射法或者CVD法，在高電介質(zhì)絕緣膜14A的上面上淀積由膜厚約150nm的氮化鈦(TiN)構(gòu)成的柵電極形成膜25A。接著，在氧分壓約0.9Pa～1.1Pa的氬(Ar)氣氛下用激光進(jìn)行熱處理，以對(duì)高電介質(zhì)膜14A進(jìn)行氧缺損的補(bǔ)足。具體地說(shuō)，將半導(dǎo)體襯底11加熱并保持在300℃，用脈沖寬度約10nsec、光輸出約70W的XeCl2準(zhǔn)分子激光進(jìn)行照射，選擇性地形成柵電極形成膜25A。由氮化鈦構(gòu)成的柵電極形成膜25A，由于對(duì)該準(zhǔn)分子激光的吸收系數(shù)大、而且熱傳導(dǎo)性良好，熱處理的圖形依存性極小。選擇性地加熱該柵電極形成膜25A，能夠?qū)沤^緣膜14進(jìn)行熱處理。
使用束擴(kuò)展器將激光擴(kuò)大，通過(guò)可變狹縫將畫(huà)角整形成一邊30mm見(jiàn)方的激光束，照射到柵電極形成膜25A上。調(diào)整半導(dǎo)體襯底11的掃描速度、激光的脈沖間隔及峰值功率，用0.1J/cm2～0.4J/cm2的照射能量，對(duì)各個(gè)照射區(qū)域進(jìn)行0.05秒的熱處理。這樣，由于是加熱時(shí)間極短的熱處理，設(shè)置在高電介質(zhì)膜14A的下側(cè)上的底層絕緣膜13的厚度增加很小，它的增加量在0.1nm以下。
接著，用光刻法，在柵電極形成膜25A的上面上，形成具有柵電極圖形的抗蝕劑圖形(未圖示)，用形成的抗蝕劑圖形作為掩模，對(duì)柵電極形成膜25A進(jìn)行用氯氣(Cl2)氣體作為主成分的等離子體刻蝕，從柵電極形成膜25A形成柵電極25。接著，以被刻蝕的柵電極25作為掩模，對(duì)半導(dǎo)體襯底11進(jìn)行雜質(zhì)離子注入，例如，在n溝道晶體管的情況下注入砷離子。然后，進(jìn)行使注入的砷離子激活的熱處理，在半導(dǎo)體襯底11中的元件形成區(qū)域上形成結(jié)比較淺的擴(kuò)展擴(kuò)散區(qū)域16，得到圖4(c)所示的狀態(tài)。
接著，用CVD法，在包含柵電極25的半導(dǎo)體襯底11的上面的整個(gè)面上，淀積膜厚約100nm～200nm的氮化硅或者氧化硅構(gòu)成的絕緣膜。接著，由使用氟代烴系刻蝕氣體的反應(yīng)性等離子體刻蝕，對(duì)淀積了的絕緣膜進(jìn)行各向異性刻蝕，在柵電極25的兩側(cè)面上形成由絕緣膜構(gòu)成的側(cè)壁膜18。接著，將柵電極25及側(cè)壁膜18作為掩模，對(duì)半導(dǎo)體襯底11的上部上進(jìn)行雜質(zhì)離子注入，以形成源-漏區(qū)17。這里，被注入的雜質(zhì)離子，在n溝道晶體管的情況下例如使用砷，在p溝道晶體管的情況下，例如使用硼。此外，在p溝道晶體管的情況下，在進(jìn)行用于形成源-漏區(qū)17的離子注入前，最好用加速能量30KeV～100KeV左右，注入劑量約1×1015/cm2～5×1015/cm2的鍺(Ge)離子進(jìn)行離子注入的方法，在半導(dǎo)體襯底11的上部進(jìn)行非晶化，即進(jìn)行所謂的予非晶化離子注入(PAI)。接著，在氮?dú)鈿夥罩校s950℃的溫度下，進(jìn)行約1分鐘的RTA(快速熱退火)，使注入了的雜質(zhì)離子激活，形成源-漏區(qū)17，得到圖4(d)所示狀態(tài)。
然后，在半導(dǎo)體襯底11的上面上形成層間絕緣膜和電極布線，完成MIS型晶體管。
這樣得到的MIS型晶體管，由于柵電極25由金屬氮化物構(gòu)成，在該電極上不產(chǎn)生耗盡層。另外，得到對(duì)柵絕緣膜14的電的氧化硅膜換算膜厚度值Eot最小值是0.9nm，在柵電極25與半導(dǎo)體襯底11之間施加1V電壓情況下的漏電流，比膜厚約0.9nm的氧化硅膜的漏電流小2個(gè)數(shù)量級(jí)以上。
(實(shí)施方式3)以下，參照

本發(fā)明的實(shí)施方式3。
圖5(a)～圖5(c)模式地示出了本發(fā)明的實(shí)施方式3的半導(dǎo)體器件、DRAM電容器的制造方法工序順序的剖面結(jié)構(gòu)。這里也是僅示出半導(dǎo)體襯底11晶片的一部分。
首先，如圖5(a)所示，用公知的方法，在由p型硅構(gòu)成的半導(dǎo)體襯底11的上部上選擇性地形成溝槽，將氧化硅埋入形成的溝槽中，形成溝槽隔離區(qū)12。然后，在半導(dǎo)體襯底11中的電容的下部電極形成區(qū)域上，用加速電壓約30KeV，注入劑量約3×1015/cm2，進(jìn)行砷離子注入，接著，在氮(N2)氣氛下，使用RTA裝置，在約950℃溫度下進(jìn)行約5分鐘的熱處理，在半導(dǎo)體襯底的上部上形成n型擴(kuò)散區(qū)31。
其次，如圖5(b)所示，對(duì)形成了n型擴(kuò)散區(qū)31的半導(dǎo)體襯底11進(jìn)行RCA洗凈后，在加熱到約350℃的半導(dǎo)體襯底11的上面上，用交互供給四氯化鉿氣體和水蒸汽的ALCVD方法，淀積由膜厚約2nm～5nm的氧化鉿構(gòu)成的電容絕緣膜形成用的高電介質(zhì)絕緣膜32A。接著，在氧分壓約0.9Pa～1.1Pa的氮?dú)鈿夥障掠眉す膺M(jìn)行熱處理，以對(duì)高電介質(zhì)膜32A進(jìn)行氧缺損的補(bǔ)足。具體地說(shuō)，將半導(dǎo)體襯底11加熱并保持在300℃，用脈沖寬度約10nsec、光輸出約80W的XeCl2準(zhǔn)分子激光進(jìn)行照射，選擇性地加熱半導(dǎo)體襯底11的表面附近。這時(shí)，調(diào)整半導(dǎo)體襯底11的掃描速度、激光的脈沖間隔及峰值功率，用0.4J/cm2～0.6j/cm2的照射能量，對(duì)各個(gè)照射區(qū)域進(jìn)行0.1秒鐘的熱處理。這樣，由于對(duì)高電介質(zhì)絕緣膜32A進(jìn)行極短時(shí)間的熱處理，由氧化鉿構(gòu)成的高電介質(zhì)絕緣膜32A的結(jié)晶性幾乎沒(méi)有因該熱處理而發(fā)生變化。
接著，如圖5(c)所示，用減壓CVD法，在高電介質(zhì)絕緣膜32A的上面上，形成由磷摻雜多晶硅構(gòu)成的上部電極33。接著，用光刻法及氯(Cl2)、溴化氫(HBr)及氧(O2)的等離子體的反應(yīng)離子刻蝕(RIE)法，將上部電極33圖形化，同時(shí)從高電介質(zhì)絕緣膜32A形成電容絕緣膜32，形成由上部電極33、電容絕緣膜32及n型擴(kuò)散區(qū)31構(gòu)成的電容器。
這樣，實(shí)施方式3的電容器，與以往的氧化硅構(gòu)成的電容絕緣膜相比，漏電流小2個(gè)數(shù)量級(jí)以上，另外，由于相對(duì)介電常數(shù)大數(shù)倍左右，在用于DRAM單元的情況下，因?yàn)槟軌驕p小單元面積，對(duì)DRAM更合適。
(發(fā)明的效果)采用本發(fā)明的半導(dǎo)體器件的制造方法，采用光照，由于能夠僅僅在襯底的表面附近、用極短時(shí)間進(jìn)行熱處理，在將由高電介質(zhì)材料構(gòu)成的絕緣膜用于柵絕緣膜和電容絕緣膜的情況下，能夠防止在該絕緣膜上因結(jié)晶化或者相變化引起的漏電流的產(chǎn)生。而且，能夠一邊抑制在與襯底的該絕緣膜的界面上生長(zhǎng)的氧化膜的生長(zhǎng)，一邊謀求襯底中的晶體缺陷的恢復(fù)。其結(jié)果是，能夠以小的電氣的氧化硅膜換算膜厚值，實(shí)現(xiàn)漏電流小的半導(dǎo)體器件。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于具備在襯底上形成由高電介質(zhì)構(gòu)成的絕緣膜的第1工序；以及在形成了所述絕緣膜的襯底上，照射光的第2工序。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述絕緣膜是晶體管中的柵絕緣膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于在所述第1工序與所述第2工序之間，進(jìn)一步具備在所述襯底上選擇性地導(dǎo)入雜質(zhì)的工序。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于在所述第1工序與第2工序之間，進(jìn)一步具備在所述絕緣膜的上面上形成導(dǎo)體膜的工序。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述絕緣膜是電容器中的電容絕緣膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于在所述第1工序之前，進(jìn)一步具備在所述襯底上選擇性地導(dǎo)入雜質(zhì)的工序。
7.根據(jù)權(quán)利要求1～6中任一權(quán)利要求所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述襯底由硅構(gòu)成。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述絕緣膜包含金屬元素。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述絕緣膜包含鉿、鋯、鑭、鈰、鐠、釹、釔及鋁中的至少一種。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述第2工序，是在調(diào)節(jié)氧氣或者氧化物氣體的分壓下進(jìn)行的。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于所述第2工序，是在氮?dú)饣蛘叨栊詺怏w氣氛中進(jìn)行的。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體器件的制造方法，其特征在于在所述第2工序中，所述襯底被加熱到100℃～500℃的溫度。
全文摘要
本發(fā)明提供一種半導(dǎo)體器件的制造方法。其目的是將由金屬氧化物構(gòu)成的高電介質(zhì)膜應(yīng)用于柵絕緣膜或者電容絕緣膜中。在半導(dǎo)體襯底(11)的元件形成區(qū)域上，形成由氧化硅構(gòu)成的底層絕緣膜(13)、由氧化鉿構(gòu)成的柵絕緣膜(14)、由多晶硅構(gòu)成的柵電極(15)及由氧化硅構(gòu)成的側(cè)壁(18)，在半導(dǎo)體襯底(11)中的元件形成區(qū)域的上部上分別由注入形成源－漏區(qū)(17)及擴(kuò)展區(qū)(16)。然后，調(diào)整半導(dǎo)體襯底(11)的掃描速度、激光的脈沖間隔及峰值功率，進(jìn)行0.1秒鐘的激光照射，使得僅在半導(dǎo)體襯底(11)的表面附近的溫度為1150℃～1250℃那樣，進(jìn)行對(duì)柵絕緣膜(14)的熱處理及對(duì)源－漏區(qū)(17)的熱處理。
文檔編號(hào)H01L21/268GK1505114SQ20031011382
公開(kāi)日2004年6月16日 申請(qǐng)日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2002年11月1日
發(fā)明者久保田正文, 林重德 申請(qǐng)人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會(huì)社