專利名稱：半導(dǎo)體裝置的制造方法和等離子體氧化處理方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及使用等離子體對半導(dǎo)體基板進行處理的半導(dǎo)體裝置的制造方法和等離子體氧化處理方法。
背景技術(shù)：
近年來，由于晶體管的高速化和器件尺寸減小等，柵極氧化膜等已被超薄膜化。晶體管的柵極通常按照阱(well)、柵極絕緣膜、柵極電極的順序形成。在柵極電極形成后，對柵極電極的側(cè)面進行濕蝕刻(wet etching)處理。由此，柵極電極露出，向柵極電極施加電壓時，在該露出部分產(chǎn)生電場集中，會出現(xiàn)漏電流增大等不利情況。因此，通常在柵極電極的露出部分上形成絕緣膜。
通常使用多晶硅作為柵極電極，但由于多晶硅的薄膜電阻(sheetresistance)高，要疊層電阻值低的金屬。考慮與硅氧化膜和硅本身的密合性、加工性，疊層的金屬選擇鎢等高熔點金屬或其硅化物。利用蝕刻在露出的柵極電極側(cè)面上形成絕緣膜時，通常是在800℃以上的高溫下進行熱氧化處理。
但是，由于鎢在大約300℃下迅速地氧化，對柵極電極進行熱氧化處理時，鎢層的電阻值會上升。結(jié)果，作為柵極電極的電阻值增大。另外，鎢與多晶硅反應(yīng)，有時會使擴散防止層的氮化鎢(WN)擴散，從而導(dǎo)致電阻率上升。
另外，熱氧化處理本身需要比較長的時間。因此，妨礙提高生產(chǎn)量以提高生產(chǎn)率。
作為熱氧化處理以外的氧化膜形成方法，例如，如特開平11-293470號公報所述，提出了使用等離子體形成氧化膜的方法。該方法在將含硅氣體和含氧氣體導(dǎo)入處理室內(nèi)并生成這些氣體的等離子體、在基板上堆積形成硅氧化膜的硅氧化膜的成膜方法中，除了上述含硅氣體和含氧氣體以外，向處理室內(nèi)導(dǎo)入氫氣，在處理室內(nèi)生成含氫的等離子體。由此，能夠得到可與熱氧化膜匹敵的良好膜質(zhì)。
為了防止鎢的氧化，優(yōu)選300℃以下的處理，但對于在硅上形成氧化膜，更高的溫度在可得到優(yōu)異的膜質(zhì)、氧化速率高、由圖案的粗密引起的氧化速率的差異變小等方面，可以說是優(yōu)選的條件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種不使鎢或鎢的硅化物層氧化，而能夠在更高溫度下對多晶硅等其它層進行選擇性的氧化處理的半導(dǎo)體裝置的制造方法和等離子體氧化處理方法。
本發(fā)明的一個方面是一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，通過在半導(dǎo)體基板上形成以鎢為主成分的膜、和與該以鎢為主成分的膜成分不同的膜，制造規(guī)定的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括在上述半導(dǎo)體基板上形成由與上述以鎢為主成分的膜成分不同的膜構(gòu)成的第一層的工序；在上述半導(dǎo)體基板上形成由以鎢為主成分的膜構(gòu)成的第二層的工序；和使用含有氧氣和氫氣的處理氣體，利用處理溫度為300℃以上的等離子體處理，在上述第一層的露出面上形成氧化膜的工序。
另外，本發(fā)明的另一個方面是一種等離子體氧化處理方法，對形成有以鎢為主成分的膜和與該以鎢為主成分的膜成分不同的膜的半導(dǎo)體基板的上述與以鎢為主成分的膜成分不同的膜進行等離子體氧化處理，其特征在于使用含有氧氣和氫氣的處理氣體，利用處理溫度為300℃以上的等離子體處理，在上述與以鎢為主成分的膜成分不同的膜的露出面上形成氧化膜。
本發(fā)明能夠適用于形成晶體管的柵極電極，對柵極電極側(cè)面進行等離子體氧化處理。


圖1為表示本發(fā)明的等離子體處理裝置的結(jié)構(gòu)的一個例子的概略圖(截面圖)。
圖2為示意性地表示利用本發(fā)明在柵極電極上選擇性地形成氧化膜的情況的圖，(a)表示等離子體氧化處理前的狀態(tài)，(b)表示等離子體氧化處理后的狀態(tài)。
圖3為示意性地表示在疊層柵極電極側(cè)面上形成有氧化膜的柵極電極的情況的圖，(a)表示利用等離子體氧化處理的柵極電極，(b)表示為了比較而表示的在高溫下進行氧化的柵極電極。
圖4為表示鎢層的氧化由于等離子體氧化處理而如何變化的圖，(a)表示進行等離子體處理前的氧譜線輪廓(line profile)的狀態(tài)，(b)表示等離子體處理后的氧譜線輪廓的狀態(tài)。
圖5為表示在導(dǎo)入氫氣的情況下和使其流量變化的情況下，鎢被何種程度氧化的圖。
圖6為表示利用等離子體氧化形成的硅的氧化膜厚和鎢的氧化膜厚隨著氫氣和氧氣的流量比而變化的情況的圖。
圖7為表示鎢和氧化鎢的峰隨處理溫度如何變化的圖。
圖8為表示在利用等離子體氧化處理形成6nm的硅氧化膜的情況下，處理溫度變化時，氧化速率和需要的處理時間的圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖，就實施方式對本發(fā)明的詳細情況進行說明。圖1是表示本發(fā)明的一個實施方式的等離子體處理裝置10的大致結(jié)構(gòu)的例子的圖。等離子體處理裝置10包括處理容器11，該處理容器11具有保持作為被處理基板的硅晶片W的基板保持臺12。處理容器11內(nèi)的氣體，通過未圖示的排氣泵，從排氣端口11A和11B進行排氣?；灞３峙_12具有對硅晶片W進行加熱的加熱器功能。在基板保持臺12的周圍配置有由鋁制成的氣體擋板(分隔板)26。在氣體擋板26的上面設(shè)置有石英蓋28。
在處理容器11的裝置上方，與基板保持臺12上的硅晶片W對應(yīng)，設(shè)置有開口部。該開口部用由石英或Al2O3制成的電介質(zhì)板13塞住。在電介質(zhì)板13的上部(處理容器11的外側(cè))配置有平面天線14。在該平面天線14上，形成有用于透過從波導(dǎo)管供給的電磁波的多個槽(slot)。在平面天線14的更上部(外側(cè))配置有波長縮短板15和波導(dǎo)管18。以覆蓋波長縮短板15的上部的方式，在處理容器11的外側(cè)配置有冷卻板16。在冷卻板16的內(nèi)部設(shè)置有制冷劑流動的制冷劑通路16a。
在處理容器11的內(nèi)部側(cè)壁上，設(shè)置有用于在等離子體處理時導(dǎo)入氣體的氣體供給口22。該氣體供給口22可以對每一種導(dǎo)入的氣體設(shè)置。在這種情況下，在每個供給口上設(shè)置有未圖示的質(zhì)量流量控制器，作為流量調(diào)節(jié)機構(gòu)。另一方面，也可以將導(dǎo)入的氣體預(yù)先混合后輸送，供給口22成為一個噴嘴。這種情況也未圖示，導(dǎo)入的氣體的流量調(diào)節(jié)在混合階段通過流量調(diào)節(jié)閥等進行。另外，在處理容器11的內(nèi)壁內(nèi)側(cè)，以包圍容器整體的方式形成有制冷劑流路24。
等離子體處理裝置10中包括產(chǎn)生用于激發(fā)等離子體的數(shù)千兆赫的電磁波的未圖示的電磁波發(fā)生器。由該電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的微波，在波導(dǎo)管18中傳播，并被導(dǎo)入處理容器11中。
在形成半導(dǎo)體裝置的柵極電極時，首先，在硅晶片上形成阱區(qū)域。通過等離子體氧化處理或熱氧化處理，在該硅晶片上形成柵極氧化膜。然后，利用CVD形成多晶硅膜。為了減小柵極電極的電阻，在多晶硅上疊層電阻率比多晶硅小的高熔點電極材料，成為疊層柵極電極。作為該高熔點電極材料，可以使用例如鎢。對柵極電極的側(cè)面進行濕蝕刻處理。
露出的疊層柵極電極的側(cè)面和下部，若保持原樣，則因為電場集中，會引起漏電流增大等不良問題。因此，在本發(fā)明中，通過等離子體處理，在柵極電極的側(cè)面和下部形成絕緣膜。即，將柵極絕緣膜的側(cè)面被蝕刻后的硅晶片W放置在等離子體處理裝置10的處理容器11中。然后，通過排氣端口11A、11B，對處理容器11內(nèi)部的空氣進行排氣，處理容器11的內(nèi)部被設(shè)定為規(guī)定的處理壓力。接著，從氣體供給口22供給惰性氣體、氧氣和氫氣。
另一方面，由電磁波發(fā)生器產(chǎn)生的數(shù)GHz的頻率的微波，通過波導(dǎo)管18，被供給處理容器11。該微波經(jīng)過平面天線14、電介質(zhì)板13，被導(dǎo)入處理容器11中。利用該微波激發(fā)等離子體，生成自由基。處理容器11內(nèi)的由微波激發(fā)生成的高密度等離子體，使硅晶片W上形成氧化膜。
如上所述，鎢在大約300℃時、WSi在超過400℃時開始迅速氧化。在本實施方式中，通過與氧氣同時導(dǎo)入氫氣，控制氣氛的還原性，即使在300℃以上，也能夠一邊防止鎢的氧化，一邊選擇性地只將硅氧化。
對于鎢以外的其它高熔點電極材料也同樣。
(實施例)以下，以在半導(dǎo)體裝置的MOS晶體管中形成的柵極電極為例，說明本發(fā)明的實施例。
圖2是示意性地表示在本發(fā)明的實施例中，在柵極電極上選擇性地形成氧化膜的情況的圖。圖2(a)表示蝕刻后的柵極電極100。101為硅晶片W。在硅晶片101上形成攙雜有P+或N+的阱區(qū)域。通過熱氧化處理，在硅晶片101上形成柵極氧化膜102。利用CVD在柵極氧化膜102上形成多晶硅膜，從而形成多晶硅電極層103(第一電極層)。為了降低柵極電極100的電阻率，利用濺射在多晶硅上形成例如鎢層105(第二電極層)，作為高熔點電極材料。此外，在形成鎢層105前，為了防止其表面生成硅化物，預(yù)先在多晶硅電極層103上形成導(dǎo)電性的阻擋層(barrier layer)104。在該例子中，在阻擋層104中使用氮化鎢。在鎢層105上，在最上層形成兼作蝕刻掩模的氮化硅層106。
然后，以氮化硅層106作為蝕刻掩模，進行蝕刻處理，形成柵極電極100。此時，柵極氧化膜102(絕緣膜)被蝕刻，柵極電極100的側(cè)面和下部露出。
利用等離子體處理裝置10對露出的柵極電極100的側(cè)面和下部進行等離子體氧化處理。由此，選擇性地在硅晶片101、多晶硅層103、氮化硅層106的表面上形成氧化絕緣膜107，成為圖2(b)所示的柵極電極110。此時，在鎢層105和阻擋層104上不形成氧化膜。
另外，可以采用其它的高熔點電極材料，例如鉬、鉭、鈦、它們的硅化物、合金等，來代替鎢層105。
圖3(a)表示利用本實施例的等離子體處理，在MOS晶體管的柵極電極側(cè)面形成氧化膜的柵極電極110。該疊層的柵極電極，從多晶硅層103至氮化硅層106的厚度為250nm。此時的硅基板溫度為250℃，處理時間為50秒。圖3(b)表示為了比較而只用氧氣進行的熱氧化的結(jié)果。此時的硅基板溫度為400℃，處理時間為110秒。從該圖可看出，在只利用氧氣進行的熱氧化中，由于處理溫度高，導(dǎo)致鎢飛散(掉落)。基板有可能由于鎢飛散而被污染。在本實施例中，即使在硅基板溫度500℃下進行氧化，也沒觀察到這種現(xiàn)象。
圖4(a)、(b)表示鎢層105的氧化由于等離子體氧化處理而如何變化。進行500℃下的等離子體氧化處理，處理時間50秒。利用EELS(Electron Energy Loss Spectroscopy電子能量損失譜)測定氧的譜線輪廓。圖4(a)表示進行等離子體處理前的氧的譜線輪廓的狀態(tài)。沿著圖2(a)的A-A’截面，觀測鎢層105。圖4(b)表示等離子體處理后的氧的譜線輪廓的狀態(tài)。沿著圖2(b)的B-B’的截面，同樣地觀測鎢層105?？v軸表示與氧的量成比例的發(fā)光強度。橫軸利用標準化的數(shù)值表示A-A’截面或B-B’截面部分的長度。從它們的結(jié)果可看出，鎢層105的氧化膜在等離子體氧化處理前后，幾乎沒有變化，鎢層105的氧化極微少。
在根據(jù)本實施例的半導(dǎo)體裝置的柵極電極中，利用TEM觀察等離子體氧化處理前后的多晶硅層103側(cè)面的氧化膜厚。結(jié)果，經(jīng)過蝕刻處理的濕清洗后的柵極電極側(cè)面的氧化膜厚約為2.0nm，而等離子體氧化處理后的柵極電極側(cè)面的氧化膜厚約為3.3nm。即，根據(jù)本實施例，可牢固地在多晶硅層上選擇性地形成氧化膜。
從上述結(jié)果可看出，利用本實施例，在多晶硅層上選擇性地形成氧化膜，而在鎢層上不另外形成氧化膜。另外，能夠通過時間和處理溫度等條件，控制氧化膜的生成。
利用上述的等離子體處理裝置10，在等離子體氧化處理時，向露出的MOS晶體管的柵極電極100的側(cè)面施加氫氣。這樣，在自由基氧化處理時，形成還原氣氛，提高不使鎢氧化而僅使多晶硅進一步氧化的選擇性。
圖5中，通過利用XPS裝置進行的表面分析，表示在導(dǎo)入氫氣時和使其流量變化時，鎢被何種程度氧化。縱軸為W和WO3的峰強度，橫軸表示結(jié)合強度。圖中的①、②、③分別表示以30、20、10sccm的流量導(dǎo)入氫氣的情況。為了比較，④表示只有氬和氧的情況，⑤表示W(wǎng)未處理(氧化處理)的情況。①、②、③、④中，Si基板上的氧化膜厚相同，為3nm。從該結(jié)果可知，氫氣流量越多，作為鎢的峰的31～34附近的強度越高。另一方面，作為氧化鎢的峰的35～39附近的強度，④和⑤的利用沒有氫氣的處理方法得到的強度高。由此可知，加入氫氣，與氧氣的流量比中氫氣越多，鎢越難氧化。
圖6表示改變氫氣和氧氣的流量比，測定硅氧化膜和氧化鎢膜的形成膜厚的結(jié)果。縱軸表示在相同的處理時間形成的硅氧化膜和氧化鎢膜的膜厚，橫軸表示氫氣流量/氧氣流量的比。硅的氧化速率顯示在氫氣的比為1～2時最大，對于鎢，通過導(dǎo)入氫氣，其氧化膜厚減少，流量比為2以上時，幾乎不形成氧化鎢。此外，該例子中處理時的基板溫度為250℃，氧氣流量為100SCCM，壓力為6.7Pa，供給等離子體的功率為2.2KW。
從圖5、6可看出，通過導(dǎo)入氫氣，能夠抑制鎢的氧化，通過控制與氧氣的流量比，能夠控制只對硅的選擇性的氧化。為了抑制鎢的氧化，優(yōu)選的氣體流量比為1.5以上，更優(yōu)選為2以上，從硅的氧化速率考慮，優(yōu)選的氣體流量比為0.5以上4以下。因此，氫氣流量/氧氣流量的比優(yōu)選為1.5以上，更優(yōu)選為2以上4以下。
圖7中，與圖5同樣通過利用XPS裝置進行的表面分析，表示改變溫度在硅基板上進行8nm的氧化處理時，鎢被何種程度氧化。此時的Ar/H2/O2流量為1000/200/100SCCM，壓力為8.0Pa，供給等離子體的功率為2.2kW。從該結(jié)果可知，鎢被氧化后的WO3的峰強度，曲線A所示的剛沉積后狀態(tài)(As-depo)的最高，通過導(dǎo)入氫氣和氧氣的等離子體處理，在沉積時或沉積后表面自然氧化而形成的氧化鎢被還原。在該圖中，曲線B表示溫度為250℃的情況，曲線C表示溫度300℃的情況，曲線D表示溫度為350℃的情況，曲線E表示溫度為400℃的情況，曲線F表示溫度600℃的情況?？芍诒景l(fā)明中，在作為鎢被急劇地氧化的溫度的300℃以上、即使600℃時，鎢的氧化也不會進展。
圖8表示在對硅基板進行6nm的氧化時，將硅的氧化速率和氧化時間相對于基板溫度所作的圖。該例子中處理時的氣體流量Ar/H2/O2為1000/200/100SCCM，壓力為6.7Pa，供給等離子體的功率為2.2KW。如同圖所示可知，相對于基板溫度250℃的處理，500℃的處理具有大約2倍的氧化速率，在需要相同的氧化量的情況下，越是高溫，處理時間越短。另外，如上所述，在硅上形成氧化膜時，更高溫度可得到優(yōu)異的膜質(zhì)，由于圖案的粗密而產(chǎn)生的氧化速率的差異變小。因此，處理溫度優(yōu)選為300℃以上。
以上，根據(jù)幾個例子對本發(fā)明的實施方式和實施例進行了說明，但本發(fā)明絲毫不限定于這些實施例，能夠在權(quán)利要求書表示的技術(shù)思想的范疇內(nèi)進行變更。例如，就柵極電極而言，對將多晶硅和鎢疊層的柵極電極進行了說明，但也可以是僅由鎢、其它的高熔點電極材料或它們的硅化物構(gòu)成的單層。另外，也能夠在晶體管的柵極電極以外應(yīng)用，能夠應(yīng)用于需要一邊抑制鎢層以外的金屬層的氧化，一邊使含硅的層、例如多晶硅等的層選擇性地氧化的各種半導(dǎo)體制造。
如以上說明，由于利用等離子體處理對柵極電極等的表面進行氧化處理，能夠不使鎢或鎢的硅化物層氧化，而選擇性地氧化多晶硅等其它層。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明的半導(dǎo)體裝置的制造方法和等離子體氧化處理方法，能夠在進行半導(dǎo)體裝置的制造的半導(dǎo)體制造產(chǎn)業(yè)等中使用。因此，在產(chǎn)業(yè)上具有可利用性。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，通過在半導(dǎo)體基板上形成以鎢為主成分的膜、和與該以鎢為主成分的膜成分不同的膜，制造規(guī)定的半導(dǎo)體裝置，其特征在于，包括在所述半導(dǎo)體基板上形成由與所述以鎢為主成分的膜成分不同的膜構(gòu)成的第一層的工序；在所述半導(dǎo)體基板上形成由以鎢為主成分的膜構(gòu)成的第二層的工序；和使用含有氧氣和氫氣的處理氣體，利用處理溫度為300℃以上的等離子體處理，在所述第一層的露出面上形成氧化膜的工序。
2.如權(quán)利要求1所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述半導(dǎo)體裝置為晶體管，由所述第一層和第二層形成柵極電極。
3.如權(quán)利要求1或2所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述第二層為鎢層或鎢的硅化物層。
4.如權(quán)利要求1～3中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述第一層為硅層。
5.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述處理氣體中氫氣與氧氣的流量比(氫氣流量/氧氣流量)為1.5以上。
6.如權(quán)利要求1～4中任一項所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于所述處理氣體中氫氣與氧氣的流量比(氫氣流量/氧氣流量)為2以上4以下。
7.一種等離子體氧化處理方法，對形成有以鎢為主成分的膜和與該以鎢為主成分的膜成分不同的膜的半導(dǎo)體基板的所述與以鎢為主成分的膜成分不同的膜進行等離子體氧化處理，其特征在于使用含有氧氣和氫氣的處理氣體，利用處理溫度為300℃以上的等離子體處理，在所述與以鎢為主成分的膜成分不同的膜的露出面上形成氧化膜。
8.如權(quán)利要求7所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于所述處理氣體中氫氣與氧氣的流量比(氫氣流量/氧氣流量)為1.5以上。
9.如權(quán)利要求7所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于所述處理氣體中氫氣與氧氣的流量比(氫氣流量/氧氣流量)為2以上4以下。
全文摘要
在硅晶片(101)上的柵極氧化膜(102)上形成多晶硅膜，從而形成多晶硅電極層(103)(第一電極層)。在該多晶硅電極層(103)上形成鎢層(105)(第二電極層)。此外，在形成鎢層(105)前，預(yù)先在多晶硅電極層(103)上形成導(dǎo)電性的阻擋層(104)。然后，以氮化硅層(106)作為蝕刻掩模，進行蝕刻處理。使用含有氧氣和氫氣的處理氣體，利用處理溫度為300℃以上的等離子體氧化處理，在露出的多晶硅層(103)的露出面上形成氧化絕緣膜(107)。由此，能夠不氧化鎢層(105)而對多晶硅電極層(103)進行選擇性的氧化處理。
文檔編號H01L29/423GK1926692SQ20048004226
公開日2007年3月7日 申請日期2004年3月1日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月1日
發(fā)明者佐佐木勝, 壁義郎 申請人:東京毅力科創(chuàng)株式會社