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(duì)半導(dǎo)體基板進(jìn)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，根據(jù)LSI的高集成化、高速化的要求，構(gòu)成LSI的半導(dǎo)體元件的設(shè)計(jì)規(guī)則變得愈發(fā)細(xì)微。與此同時(shí)，還要求用于DRAM、閃存等的晶體管的柵電極具有低電阻。在現(xiàn)有技術(shù)中，柵電極采用多晶硅，但多晶硅存在著表面電阻高的缺點(diǎn)。因此，人們提出了將電阻值低、與硅氧化膜以及硅本身的密合性、加工性適合的金屬、鎢等高熔點(diǎn)金屬或其硅化物疊層在多晶硅層上的技術(shù)方案。具體而言，引人關(guān)注的是鎢多晶硅化物(WSi/多晶硅疊層膜)、電阻更低的鎢多金屬柵極(W/WN/多晶硅疊層結(jié)構(gòu))等。此外，鎢多金屬柵極的WN是用于避免鎢和多晶硅反應(yīng)的阻礙層(防擴(kuò)散層)。
然而，晶體管的柵電極通常按照阱(雜質(zhì)擴(kuò)散層)、柵極絕緣膜、柵電極的順序形成。形成柵電極時(shí)，進(jìn)行蝕刻處理。這樣，由于柵電極中的多晶硅層的側(cè)面露出，因此就會(huì)成為當(dāng)在柵電極上施加電壓時(shí)，在該露出部分發(fā)生電場(chǎng)集中，漏泄電流增大等引發(fā)制品不合格的原因。為此，需要進(jìn)行將柵電極中多晶硅的露出部分氧化，形成絕緣膜的選擇性氧化處理(即再氧化處理)。
迄今為止，在柵電極側(cè)面多晶硅的露出部分形成絕緣膜的再氧化方法通常采用在800℃以上的高溫下進(jìn)行熱氧化處理的方法。然而，用于降低柵電極表面電阻的鎢在超過(guò)約300℃、硅化鎢在超過(guò)約400℃時(shí)，就會(huì)急速氧化。因此，一旦對(duì)柵電極進(jìn)行熱氧化處理，鎢層也被氧化，生成WO3，堆積膨脹并使空穴內(nèi)部變窄，還會(huì)導(dǎo)致電阻值升高。結(jié)果，最終就導(dǎo)致柵電極電阻值增加的問(wèn)題。并且，還存在WO3飛散，污染晶片，降低半導(dǎo)體裝置合格率的問(wèn)題。且在高溫下，還會(huì)使鎢與多晶硅反應(yīng)，防擴(kuò)散層的氮化鎢(WN)擴(kuò)散，導(dǎo)致電阻率升高。而且，在熱氧化處理中，難以生成優(yōu)質(zhì)的最優(yōu)側(cè)壁氧化膜，且熱氧化處理需要較長(zhǎng)時(shí)間，氧化膜不易控制，還會(huì)防礙處理能力的提高，成為生產(chǎn)效率低的重要原因。
另一方面，有人提出了目的不在于柵電極的再氧化，而是作為在熱氧化處理之外氧化膜的形成方法，在液晶顯示器等的基板上，使用等離子體形成氧化膜的方法(例如專利文獻(xiàn)1)。在該方法中，利用等離子體的作用，在基板上堆積氧化硅膜成膜的氧化硅膜的成膜方法中，除含硅氣體和含氧氣體之外，通過(guò)將氫氣導(dǎo)入處理室內(nèi)，生成含氫的等離子體，就能得到與熱氧化膜相媲美的優(yōu)質(zhì)薄膜。
上述專利文獻(xiàn)1的方法中的氫等離子體的作用是掩蓋氧化膜的缺陷，適于在基板上形成優(yōu)質(zhì)氧化膜的目的，但并未暗示也適用于對(duì)柵電極中的多晶硅層有選擇地進(jìn)行再氧化。
根據(jù)本發(fā)明人等的研究之后確認(rèn)利用等離子體，對(duì)具有鎢層等金屬層的柵電極中的多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化時(shí)，如果存在氫等離子體，就能將金屬層的氧化抑制在一定程度。但是，即使能抑制鎢層的氧化，在原子水平上，還是有大量鎢作為金屬雜質(zhì)侵入半導(dǎo)體裝置，而且，從半導(dǎo)體裝置性能上判斷，這種污染是不能忽視的水平。即，混入的鎢將給晶體管等半導(dǎo)體裝置帶來(lái)不良影響，成為制品品質(zhì)不佳的原因，極有可能導(dǎo)致合格率下降。
此外，本發(fā)明人等嘗試?yán)酶叩入x子體密度、低電子溫度等離子體可進(jìn)行低溫處理的徑向線縫隙天線(RLSARadial Line Slot Antenna)微波等離子體方式的等離子體處理裝置適用于再氧化處理。
然而，在使用該RLSA方式等離子體處理裝置進(jìn)行再氧化處理的過(guò)程中，一旦因鎢污染了腔室，則盡管其機(jī)理尚不清楚，但可以肯定的是，會(huì)出現(xiàn)妨礙多晶硅的氧化、導(dǎo)致氧化膜膜厚減少等現(xiàn)象。RLSA方式的等離子體處理裝置在用于再氧化處理時(shí)，具有很多優(yōu)點(diǎn)，然而，一旦最終氧化膜膜厚減少，就會(huì)導(dǎo)致半導(dǎo)體制品中漏泄電流的增大，以致不能達(dá)到原本的再氧化的目的。
專利文獻(xiàn)1日本特開平11-293470號(hào)公報(bào)(權(quán)利要求
的范圍)

發(fā)明內(nèi)容因此，本發(fā)明的目的在于，第一方面，是在利用等離子體的再氧化處理中，不會(huì)使柵電極中的鎢層、硅化鎢層等的金屬層被氧化，而對(duì)多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
第二方面，是在再氧化過(guò)程中，盡量降低鎢等金屬對(duì)半導(dǎo)體裝置的污染。
第三方面，是即使在使用RLSA方式的等離子體處理裝置的再氧化處理中，也可避免多晶硅層的氧化膜膜厚的減少，確保進(jìn)行再氧化。
根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體進(jìn)行等離子體處理，在上述多晶硅層上形成氧化膜。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在半導(dǎo)體基板上形成柵極絕緣膜的工序；在該柵極絕緣膜上，形成至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體的工序；對(duì)上述疊層體進(jìn)行蝕刻處理，形成柵電極的工序；和利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體進(jìn)行等離子體處理，對(duì)上述柵電極中的多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化的工序。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第三方面，提供一種等離子體氧化處理方法，其特征在于，是利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的上述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化的方法，利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體進(jìn)行等離子體處理。
上述處理氣體中的氫氣和氧氣的流量比優(yōu)選在1.5以上、更優(yōu)選在2以上、特別優(yōu)選在8以上。此外，上述等離子體處理中的處理溫度可設(shè)定在250℃以上，優(yōu)選為250℃～900℃。
上述半導(dǎo)體裝置優(yōu)選為晶體管。此外，上述金屬層優(yōu)選為鎢層或硅化鎢層。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第四方面，提供一種控制程序，其特征在于，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，控制上述等離子體處理裝置實(shí)施等離子體氧化處理方法，該等離子體氧化處理方法是在由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置中，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的上述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第五方面，提供一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，該計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)存儲(chǔ)有在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的控制程序，上述控制程序在運(yùn)行時(shí)，控制上述等離子體處理裝置，實(shí)施等離子體氧化處理方法，該等離子體氧化處理方法是在由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置中，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的上述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第六方面，提供一種等離子體處理裝置，其特征在于，具備用于利用等離子體對(duì)被處理體進(jìn)行處理的可真空排氣的處理室；由具有多個(gè)縫隙的平面天線向上述處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體供給源；和控制部，該控制部進(jìn)行控制，以在上述處理室內(nèi)進(jìn)行等離子體氧化處理方法，該等離子體氧化處理方法，使用含氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的上述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
此外，根據(jù)本發(fā)明的第七方面，提供一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，利用向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣、氧氣和稀有氣體的處理氣體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體進(jìn)行等離子體處理，在上述多晶硅層上形成氧化膜。
上述處理氣體中的氫氣和氧氣的流量比優(yōu)選在1.5以上、更優(yōu)選在2以上、特別優(yōu)選在8以上。
此外，上述處理氣體中的稀有氣體和氫氣的流量比優(yōu)選在1.25～10。
此外，上述等離子體處理中的處理溫度可設(shè)定在250℃以上，優(yōu)選為250℃～900℃。
根據(jù)本發(fā)明，在使用RLSA方式的等離子體處理裝置的多晶硅層再氧化處理中，通過(guò)在導(dǎo)入氧氣的同時(shí)，按照規(guī)定比例導(dǎo)入氫氣，控制處理室內(nèi)氛圍的還原性，即使在300℃以上的溫度下，也可以防止鎢的氧化并對(duì)硅進(jìn)行選擇性氧化。
此外，尤其是通過(guò)將氫氣和氧氣的流量比(下文有時(shí)也記為“H2/O2比”)控制在8以上，不僅可以避免鎢的氧化，而且還可以大幅度降低原子水平下的鎢污染，因此，不僅不會(huì)對(duì)半導(dǎo)體制品造成不良影響，還可以穩(wěn)定其品質(zhì)。
此外，通過(guò)降低或抑制鎢污染，就能將腔室內(nèi)部維持在清潔的狀態(tài)，所以，即使在同一腔室內(nèi)反復(fù)進(jìn)行再氧化處理，也能抑制RLSA方式的等離子體處理裝置的再氧化處理中的特殊現(xiàn)象之一的氧化膜膜厚的減少。
此外，在本發(fā)明中，使用RLSA方式的等離子體處理裝置與使用其它方式的等離子體處理裝置(例如平行平板方式、磁控管方式的等離子體處理裝置等)時(shí)相比，具有如下所述的優(yōu)點(diǎn)。
即，在使用RLSA方式的等離子體處理裝置的情況下，由于能以高密度形成低電子溫度的等離子體，所以，與其它等離子體處理裝置相比，可形成受損少的優(yōu)質(zhì)氧化膜。因此，多晶硅層側(cè)壁的氧化膜膜質(zhì)與經(jīng)熱氧化處理的氧化膜膜質(zhì)相比，膜質(zhì)非常好，即使在例如400℃左右的低溫處理的情況下，也可以達(dá)到熱氧化處理以上的漏泄電流性能。
圖1為一例適于實(shí)施本發(fā)明方法的等離子體處理裝置的簡(jiǎn)要截面圖。
圖2為表示平面天線部件的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3A為表示現(xiàn)有的多晶硅構(gòu)成的柵電極的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3B為表示一例含有適用于本發(fā)明的實(shí)施方式的W系膜的柵電極的結(jié)構(gòu)的圖。
圖3C為表示另一例含有適用于本發(fā)明的實(shí)施方式的W系膜的柵電極的結(jié)構(gòu)的圖。
圖4A為表示等離子體氧化處理前的柵電極的簡(jiǎn)要圖。
圖4B為表示等離子體氧化處理中的柵電極的簡(jiǎn)要圖。
圖4C為表示等離子體氧化處理后的柵電極的簡(jiǎn)要圖。
圖5為添加氫氣進(jìn)行等離子體氧化處理時(shí)的柵電極截面的TEM照片。
圖6為未添加氫氣進(jìn)行等離子體氧化處理時(shí)的柵電極截面的TEM照片。
圖7A為表示等離子體處理前的利用EELS的鎢層的氧譜線輪廓的圖。
圖7B為表示等離子體處理后的利用EELS的鎢層的氧譜線輪廓的圖。
圖8為表示利用使用XPS裝置的表面分析的鎢氧化程度的曲線的圖，是表示氣體流量比的影響的圖。
圖9為表示H2/O2比與氧化硅膜的厚度以及鎢的氧化膜的厚度之間的關(guān)系的曲線圖。
圖10為表示利用使用XPS裝置的表面分析的鎢的氧化程度的曲線圖，是表示等離子體處理溫度影響的圖。
圖11為表示等離子體處理中的處理溫度、處理時(shí)間與硅的氧化速率的關(guān)系的曲線圖。
圖12為表示鎢薄膜的表面電阻測(cè)量結(jié)果的曲線圖，為表示與氣體組成的關(guān)系圖。
圖13為表示鎢薄膜的表面電阻測(cè)量結(jié)果的曲線圖，為表示與H2流量的關(guān)系的圖。
圖14為表示被處理晶片的編號(hào)、氧化膜的膜厚與晶片表面的W濃度的關(guān)系的曲線圖。
圖15為表示氧化處理中的氧化膜膜厚與處理時(shí)間之間的關(guān)系的曲線圖。
圖16為表示使用XPS裝置進(jìn)行表面分析的曲線圖。
圖17A為表示柵電極多晶硅層的邊緣形狀呈銳角時(shí)的實(shí)例示意圖。
圖17B為表示柵電極多晶硅層的邊緣形成過(guò)大鳥嘴(bird beak)狀的實(shí)例示意圖。
圖17C為表示柵電極多晶硅層的邊緣帶有圓角狀的實(shí)例示意圖。
圖18為選擇性氧化處理后的多晶硅層邊緣截面的TEM照片復(fù)制圖。
具體實(shí)施方式下面，參照附圖，說(shuō)明本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式。
圖1為一例適于實(shí)施本發(fā)明的等離子體氧化處理方法的等離子體處理裝置的簡(jiǎn)要截面圖。該等離子體處理裝置利用RLSA(RLSARadialLine Slot Antenna，徑向線縫隙天線)等離子體生成技術(shù)，產(chǎn)生并得到高密度且低電子溫度的微波等離子體，該RLSA等離子體生成技術(shù)通過(guò)具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波繼而產(chǎn)生等離子體。
該等離子體處理裝置100不僅能在600℃以下的低溫下，促進(jìn)對(duì)襯底膜等無(wú)損害的等離子體處理，而且還能實(shí)現(xiàn)等離子體密度高、且等離子體的均勻性也很好的即使與擴(kuò)散爐相比也毫不遜色的處理均勻性。因此，等離子體氧化處理裝置100適用于柵電極的多晶硅層的再氧化處理。
該等離子體處理裝置100具有形成氣密結(jié)構(gòu)的接地的大致呈圓筒狀的腔室1。在腔室1的底壁1a的大致中央部，形成圓形的開口部10，在底壁1a上設(shè)有與該開口部10連通并向下方突出的排氣室11。
在腔室1內(nèi)，設(shè)有AIN等陶瓷構(gòu)成的基座2，用于水平支撐作為被處理基板的晶片W、虛擬晶片Wd。該基座2通過(guò)從排氣室11的底部中央向上方延伸的圓筒狀A(yù)IN等陶瓷構(gòu)成的支撐部件3支撐。在基座2的外邊緣部，設(shè)有用于引導(dǎo)晶片W的導(dǎo)向環(huán)4。并且，在基座2中埋入電阻加熱型的加熱器5，該加熱器5通過(guò)來(lái)自加熱器電源6的供電，對(duì)基座2進(jìn)行加熱，利用該熱量，加熱作為被處理體的晶片W。此時(shí)，可將溫度控制在例如從室溫到900℃左右的范圍內(nèi)。并且，在腔室1的內(nèi)周，設(shè)有石英構(gòu)成的圓筒狀的襯墊7。
在基座2上設(shè)有可相對(duì)于基座2表面突出、隱藏的晶片支撐銷(未圖示)，用于支撐晶片W，使其升降。
在腔室1的側(cè)壁設(shè)有形成環(huán)狀的氣體導(dǎo)入部件15，該氣體導(dǎo)入部件15與氣體供給系統(tǒng)16連接。此外，氣體導(dǎo)入部件配置為噴淋頭狀也可以。該氣體供給系統(tǒng)16具有Ar氣體供給源17、H2氣體供給源18、O2氣體供給源19，這些氣體分別經(jīng)氣體導(dǎo)管20到達(dá)氣體導(dǎo)入部件15，再由氣體導(dǎo)入部件15導(dǎo)入腔室1內(nèi)。此外，在各氣體導(dǎo)管20上設(shè)有質(zhì)量流量控制器21和位于其前后的開關(guān)閥22。
在上述排氣室11的側(cè)面，連接有排氣管23，該排氣管23與包括高速真空泵的排氣裝置24連接。然后利用該排氣裝置24的運(yùn)轉(zhuǎn)，將腔室1內(nèi)的氣體均勻地向排氣室11的空間11a內(nèi)排放，經(jīng)排氣管23排出。這樣，就可以將腔室1內(nèi)部高速減壓至規(guī)定的真空度，例如0.133Pa。
在腔室1的側(cè)壁，在與等離子體處理裝置100相鄰的搬送室(未圖示)之間，設(shè)有用于搬入、搬出晶片W、虛擬晶片Wd等的搬入搬出口25，以及開關(guān)該搬入搬出口25的閘閥26。
在腔室1的上部形成有開口部，沿著該開口部的邊緣部設(shè)有環(huán)狀的支撐部27。該支撐部27上隔著密封部件29氣密的設(shè)有微波透過(guò)板28，該微波透過(guò)板28由介電體、例如石英、Al2O3等的陶瓷構(gòu)成，透過(guò)微波。因此，可使腔室1內(nèi)保持氣密性。
在微波透過(guò)板28的上方，設(shè)有與基座2相對(duì)的圓板狀平面天線部件31。該平面天線部件31配置在微波透過(guò)板28之上，且配有覆蓋在平面天線部件31的上部的滯波部件33。這些平面天線部件31和滯波部件33在其周邊部通過(guò)按壓部件34b固定。并且，還設(shè)有覆蓋滯波部件33的保護(hù)蓋體34，該保護(hù)蓋體34被支撐在腔室1的側(cè)壁上端。平面天線部件31在例如與8英寸尺寸的晶片W相對(duì)應(yīng)的情況下，為直徑300～400mm、厚度1～數(shù)mm(例如5mm)的導(dǎo)電材料構(gòu)成的圓板。具體而言，平面天線部件31例如表面為鍍金的銅板或鋁板構(gòu)成，具有按照規(guī)定圖案形成多個(gè)微波放射孔32而貫通形成的結(jié)構(gòu)。該微波放射孔32可采用具有例如圖2所示的長(zhǎng)槽狀的縫隙32a構(gòu)成的，相鄰的縫隙32a之間配置成“T”字形，且這些多個(gè)縫隙32a配置成同心圓狀的結(jié)構(gòu)?？p隙32a的長(zhǎng)度、排列間隔根據(jù)在微波發(fā)生裝置39中產(chǎn)生的高頻波的波長(zhǎng)決定。此外，微波放射孔32(縫隙32a)也可采用圓形狀的貫通孔等其它形狀。并且，微波放射孔32(縫隙32a)的配置形態(tài)沒(méi)有特別限定，除了同心圓狀之外，還可以配置成例如螺旋狀、放射狀等。
在平面天線部件31的上面，設(shè)有具有大于真空的介電常數(shù)的滯波部件33。在腔室1的上面，設(shè)有覆蓋這些平面天線部件31和滯波部件33的例如鋁、不銹鋼、銅等金屬材料構(gòu)成的保護(hù)蓋體34。腔室1的上面和保護(hù)蓋體34利用密封件35密封。在保護(hù)蓋體34上，形成多個(gè)冷卻水通路34a、34a……，然后通過(guò)通入冷卻水，冷卻平面天線部件31、微波透過(guò)板28、滯波部件33、保護(hù)蓋體34，就能達(dá)到避免因等離子體的熱導(dǎo)致的破損和保證等離子體的穩(wěn)定的目的。其中，保護(hù)蓋體34被接地。
在保護(hù)蓋體34的上壁中央形成有開口部36，該開口部36與波導(dǎo)管37連接。該波導(dǎo)管37的端部隔著匹配電路38與微波發(fā)生裝置39連接。這樣，微波發(fā)生裝置39產(chǎn)生的例如頻率2.45GHz的微波經(jīng)波導(dǎo)管37向上述平面天線部件31傳送。其中，微波的頻率還可采用8.35GHz、1.98GHz等。
波導(dǎo)管37具有從上述保護(hù)蓋體34的開口部36向上方延伸的截面呈圓形的同軸波導(dǎo)管37a，和連接該同軸波導(dǎo)管37a的上端部的沿水平方向延伸的矩形波導(dǎo)管37b。矩形波導(dǎo)管37b的與同軸波導(dǎo)管37a連接的部分的一側(cè)的端部形成模式轉(zhuǎn)換器40。在同軸波導(dǎo)管37a的中心，延伸形成內(nèi)導(dǎo)體41，該內(nèi)導(dǎo)體41的下端部與平面天線部件31的中心連接固定。微波經(jīng)同軸波導(dǎo)管37a的內(nèi)導(dǎo)體41高效地向平面天線部件31傳送。
等離子體處理裝置100的各構(gòu)成部分形成與過(guò)程控制器50連接進(jìn)行控制的結(jié)構(gòu)。過(guò)程控制器50與鍵盤或用戶接口51連接，其中，鍵盤進(jìn)行用于工程管理者管理等離子體處理裝置100的指令的輸入操作，用戶接口51由將等離子體處理裝置100的工作狀況可視化顯示的顯示器等構(gòu)成。
此外，過(guò)程控制器50與存儲(chǔ)部52連接，該存儲(chǔ)部52存儲(chǔ)有記錄了通過(guò)過(guò)程控制器50的控制來(lái)實(shí)現(xiàn)利用等離子體處理裝置100實(shí)行的各種處理的控制程序、處理?xiàng)l件數(shù)據(jù)等的方案。
而且，根據(jù)需要，根據(jù)來(lái)自用戶接口51的指令等從存儲(chǔ)部52中調(diào)出任意的方案，在過(guò)程控制器50中運(yùn)行，這樣，在過(guò)程控制器50的控制下，采用等離子體處理裝置100實(shí)施需要的處理。此外，上述控制程序、處理?xiàng)l件數(shù)據(jù)等方案可在存儲(chǔ)于計(jì)算機(jī)可讀取的存儲(chǔ)介質(zhì)——例如CD-ROM、硬盤、軟盤、閃存等中的狀態(tài)下得到利用，或由其它裝置，例如經(jīng)專用線即時(shí)傳輸，于在線狀態(tài)下得到利用。
在這樣形成的RLSA方式的等離子體處理裝置100中，如上所述，進(jìn)行柵電極的選擇氧化處理。作為柵電極，可以使用現(xiàn)有技術(shù)中例如圖3A所示的在硅晶片等Si基板61上隔著柵極絕緣膜62形成多晶硅層63的柵電極，然而，根據(jù)隨著LSI的高集成化、高速化而提出的設(shè)計(jì)規(guī)則細(xì)微化的要求，使用的是需要對(duì)柵電極的側(cè)壁氧化實(shí)施高精度控制以及柵電極的低電阻化，具有如圖3B所示的在Si基板61上隔著柵極絕緣膜62形成多晶硅層63，且在此之上再形成硅化鎢(WSi)層64的鎢多硅(tungsten polyside)結(jié)構(gòu)，或具有如圖3C所示的在用于高速設(shè)備的Si基板61上隔著柵極絕緣膜62形成多晶硅層63，且在此之上再形成氮化鎢(WN)阻礙層65和鎢(W)層66的電阻更低的鎢多金屬柵極結(jié)構(gòu)等使用鎢(W)的柵電極。其中，在圖3A～圖3C中，符號(hào)67表示用于蝕刻?hào)烹姌O時(shí)的例如氮化硅(SiN)構(gòu)成的硬質(zhì)掩模層，符號(hào)68表示通過(guò)選擇性氧化形成的氧化膜。
利用等離子體處理裝置100對(duì)柵電極進(jìn)行選擇氧化處理時(shí)，首先，打開閘閥26，從搬入搬出口25將形成有柵電極的晶片W搬入腔室1內(nèi)，載置于基座2上。
然后，由氣體供給系統(tǒng)16的Ar氣供給源17、H2氣供給源18和O2氣供給源19，經(jīng)氣體導(dǎo)入部件15，按照規(guī)定流量，將Ar氣、H2氣和O2氣導(dǎo)入腔室1內(nèi)，維持在規(guī)定的壓力。此時(shí)的該條件，流量例如優(yōu)選為Ar氣100～3000mL/min、H2氣10～1000mL/min、O2氣10～1000mL/min，更優(yōu)選為H2/O2的流量比在1～12的高H2氣濃度條件。在此情況下，腔室內(nèi)壓力優(yōu)選為3～700Pa、溫度優(yōu)選為100～900℃、微波功率為1500～5000W。這樣，不僅可利用氫自由基抑制鎢的氧化，而且還能以較高精度控制多晶硅的氧化反應(yīng)。此外，當(dāng)溫度在300℃以上時(shí)，H2/O2的流量比優(yōu)選在8以上。
此外，Ar氣與H2氣的流量比Ar/H2優(yōu)選在1～20的范圍內(nèi)選擇，更優(yōu)選為1.25～10。
然后，來(lái)自微波發(fā)生裝置39的微波經(jīng)匹配電路38導(dǎo)入波導(dǎo)管37。微波依次通過(guò)矩形波導(dǎo)管37b、模式轉(zhuǎn)換器40、和同軸波導(dǎo)管37a，輸送到平面天線部件31，微波從平面天線部件31發(fā)出，經(jīng)微波透過(guò)板28放射到腔室1內(nèi)的晶片W的上方空間。微波在矩形波導(dǎo)管37b內(nèi)按照TE模式傳送，該TE模式的微波利用模式轉(zhuǎn)換器40轉(zhuǎn)換為TEM模式，在同軸波導(dǎo)管37a內(nèi)，向平面天線部件31傳送。
利用來(lái)自平面天線部件31并經(jīng)微波透過(guò)板28放射到腔室1內(nèi)的微波在腔室1內(nèi)形成電磁場(chǎng)，將H2氣、Ar氣和O2氣等離子化，利用該等離子體，對(duì)晶片W的柵電極的多晶硅側(cè)壁進(jìn)行選擇性氧化。該微波等離子體通過(guò)從平面天線部件31的多個(gè)縫隙32a放射，形成約5×1011～1×1013/cm3或在此之上的高密度等離子體，其電子溫度為0.7～2eV左右，等離子體密度的均勻性在±5％以下。因此，具有即使在低溫且時(shí)間很短的情況下，也能進(jìn)行選擇性氧化處理，可形成非常薄的氧化膜，而且對(duì)襯底膜的離子等造成的等離子體損傷小，能形成優(yōu)質(zhì)氧化膜的優(yōu)點(diǎn)。
此外，在如圖3B、3C所示的含鎢(W)柵電極的情況下，即使在如上所示的利用高密度等離子體的低溫情況下，由于在很短時(shí)間內(nèi)且以高H2/O2氣體配比對(duì)多晶硅進(jìn)行選擇性氧化處理，因此，可盡可能地抑制因鎢(W)氧化造成的WOx(WO3、WO2或WO)的升華，從而能實(shí)施極高精度的處理。在此認(rèn)為，氫作為抑制鎢氧化的機(jī)構(gòu)是因?yàn)榘l(fā)生了下述式(1)和式(2)所述的反應(yīng)。因此，優(yōu)選為通過(guò)以使反應(yīng)向式(2)方向移動(dòng)的H2/O2比進(jìn)行處理，不僅能抑制鎢的氧化，而且還能在達(dá)到一定程度以上的多晶硅氧化速率的溫度和流量下實(shí)施等離子體處理。
W+3O*→WO3(1)WO3+3H*→W+3OH*(2)然后以構(gòu)成DRAM、閃存等半導(dǎo)體裝置的MOS晶體管的柵電極為例說(shuō)明根據(jù)本發(fā)明方法的半導(dǎo)體裝置的制造工藝。圖4A～圖4C為在柵電極200上有選擇地生成氧化膜68的狀態(tài)示意圖。圖4A表示蝕刻后的柵電極200。符號(hào)61為Si基板。
柵電極200的制造工序?yàn)椋紫?，在Si基板61上，摻雜P+或N+，形成阱區(qū)域(擴(kuò)散區(qū)域未圖示)，然后，利用熱氧化處理等，形成柵極絕緣膜62(SiO2)。在柵極絕緣膜62上，利用CVD形成多晶硅膜，從而形成多晶硅層63，在此之上，為使柵電極200高速化，降低電阻率，利用作為高熔點(diǎn)電極材料的鎢形成鎢層66。在形成鎢層66時(shí)，可利用例如CVD法、濺射法等。也可以不用鎢層66，而代之以使用硅化鎢(WSi)。其中，在形成鎢層66之前，為避免在其界面處因W與Si的互相擴(kuò)散導(dǎo)致形成硅化物，防止高電阻的WSi的擴(kuò)散，可預(yù)先在多晶硅層63上形成導(dǎo)電性的阻礙層65。在本例中，將氮化鎢用于阻礙層65。
在鎢層66上，形成氮化硅等的硬質(zhì)掩模層67，并形成光致抗蝕劑膜(未圖示)。
然后，利用光刻法，將光致抗蝕劑膜用作掩模，對(duì)硬質(zhì)掩模層67進(jìn)行蝕刻，并將光致抗蝕劑膜+硬質(zhì)掩模層67或?qū)⒂操|(zhì)掩模層67用作掩模，依次對(duì)鎢層66、阻礙層65、多晶硅層63進(jìn)行蝕刻，形成柵電極200。通過(guò)一連串的蝕刻處理，形成在柵電極200的側(cè)面，露出多晶硅層63和鎢層66的側(cè)壁，且通過(guò)蝕刻除去了柵極絕緣膜62的狀態(tài)。
如圖4B所示，利用等離子體處理裝置100，一面按照規(guī)定的流量比控制氫氣和氧氣，一面對(duì)如上所述形成的柵電極200進(jìn)行等離子體氧化處理?？刹捎玫倪m于等離子體氧化處理的條件為例如流量?jī)?yōu)選為，Ar氣1000mL/min、H2氣400mL/min、O2氣為50mL/min，腔室內(nèi)壓力為6.7Pa(50mTorr)。通過(guò)該等離子體氧化處理，在多晶硅層63的表面有選擇地形成氧化膜68。在鎢層66和阻礙層65的側(cè)壁，未形成氧化膜，而是形成圖4C所示的柵電極210。并且，在Si基板和SiN表面，也形成多處氧化膜。對(duì)并非采用鎢層66，而是采用其它高熔點(diǎn)材料，例如鉬、鉭、鈦、上述元素的硅化物、氮化物、合金等成膜的柵電極也可同樣進(jìn)行處理。
圖5為利用圖1的等離子體處理裝置100在側(cè)壁形成氧化膜68的柵電極210的截面結(jié)構(gòu)的透射型電子顯微鏡照片(TEM照片)的圖。例如，該柵電極210的高度(從多晶硅層63至硬質(zhì)掩模層67的厚度)約為250nm。等離子體氧化處理中的處理氣體流量為Ar/H2/O2＝1000/10/10mL/min，Si基板61的溫度為250℃，壓力為133.3Pa(1Torr)，提供給等離子體的功率為3.5kW，處理時(shí)間為40秒。
圖6為用于比較的在處理氣體流量采用Ar/O2＝1000/10mL/min進(jìn)行氧化形成氧化膜的柵電極的截面結(jié)構(gòu)的圖(TEM照片)。等離子體氧化處理中Si基板61的溫度為250℃，壓力為133.3Pa(1Torr)，提供給等離子體的功率為3.5kW，處理時(shí)間為120秒。
圖5和圖6的柵電極與圖4C一樣，為在Si基板61上依次疊層?xùn)艠O絕緣膜62、多晶硅層63、氮化鎢的阻礙層65、鎢層66(黑色層)、氮化硅的硬質(zhì)掩模層67的結(jié)構(gòu)。此外，由于圖5和圖6為實(shí)際TEM相片，因此未能清楚地描繪出柵極絕緣膜62、氧化膜68和阻礙層65。
根據(jù)圖5和圖6的比較可知，未使用氫氣，而是僅使用氬氣和氧氣進(jìn)行氧化時(shí)，鎢層66的側(cè)壁被氧化，生成WO3，最終導(dǎo)致橫向膨脹。此外認(rèn)為飛散的鎢引起了對(duì)Si基板的污染。
反之，在H2/O2比為1的情況下進(jìn)行等離子體處理時(shí)，如圖5所示，抑制了鎢層66的氧化，未引發(fā)膨脹。而在未圖示的H2/O2比為8的情況下，可知，即使是Si基板溫度500℃的氧化，也與圖5一樣，抑制了鎢層66的氧化和膨脹。因此，若H2/O2的流量比在1～20，就可以在避免鎢層66的側(cè)壁被氧化的情況下，選擇性氧化多晶硅層63，優(yōu)選將H2/O2比設(shè)定在4以上、更優(yōu)選將H2/O2比設(shè)定在8以上，由此，能夠進(jìn)行幾乎完全抑制鎢層66的露出部分的氧化，而且還可將多晶硅層63的露出部分氧化的優(yōu)質(zhì)等離子體氧化處理。
圖7A和圖7B為鎢層66經(jīng)等離子體氧化處理產(chǎn)生何種變化的示意圖。圖7A為實(shí)施等離子體處理前的氧譜線輪廓(line profile)狀態(tài)的示意圖，表示的是沿圖4A中A-A′截面觀察鎢層66的結(jié)果示意圖。而圖7B為等離子體處理后的氧譜線輪廓狀態(tài)示意圖，表示的是沿圖4C中B-B′截面同樣觀察鎢層66的結(jié)果示意圖。其中，圖7A和圖7B圖形的縱軸表示與氧量成比例的發(fā)光強(qiáng)度，橫軸為對(duì)A-A′截面或B-B′截面的長(zhǎng)度(距離)標(biāo)準(zhǔn)化之后的結(jié)果。
等離子體氧化處理是利用圖1的等離子體處理裝置100，按照Ar/H2/O2＝1000/10/10mL/min的處理氣體流量，Si基板溫度為250℃，壓力為66.7133Pa，提供給等離子體的功率為3.5kW，處理時(shí)間為40秒的條件進(jìn)行。氧譜線輪廓采用電子能量損失分光法(EELSElectron Energy Loss Spectroscopy；使用GATAN公司制GIF影像過(guò)濾器678型(Gatan Imaging Filter model 678))進(jìn)行測(cè)量。
比較圖7A和圖7B可知，鎢層66的氧譜線輪廓在等離子體氧化處理前后幾乎沒(méi)有變化，鎢層66的氧化量極少。
此外，在本實(shí)施例的柵電極210中，采用透射型電子顯微鏡(TEM)觀察等離子體氧化處理前后的多晶硅層63側(cè)面的氧化膜的厚度。結(jié)果確認(rèn)，蝕刻處理后的濕洗后的柵電極側(cè)面的多晶硅層63的氧化膜膜厚約2.0nm，與之對(duì)比，等離子體氧化處理后的柵電極側(cè)面的多晶硅層63的氧化膜膜厚約3.3nm。即，根據(jù)本實(shí)施例，確認(rèn)在多晶硅層63上有選擇地形成了均勻的氧化膜。
根據(jù)上述結(jié)果可知，有選擇地在多晶硅層63上形成氧化膜，而在鎢層65上完全沒(méi)有形成氧化膜。此外，根據(jù)處理時(shí)間和處理溫度等條件，就可以控制氧化膜的生成。這樣，在露出的MOS晶體管的柵電極200的側(cè)面，利用等離子體處理裝置100實(shí)施等離子體氧化處理時(shí)，通過(guò)加入氫氣，在H2/O2比1以上的還原氣氛下進(jìn)行處理，就可以在避免鎢被氧化，僅有選擇地氧化多晶硅。
圖8為使用X射線光電子分光分析裝置(XPS裝置，PERKINELMER公司生產(chǎn))的表面分析，表示有否向等離子體處理裝置100導(dǎo)入氫氣，和在其流量變化時(shí)，鎢氧化到何種程度的圖?？v軸表示W(wǎng)和WO3的峰強(qiáng)度，橫軸表示鍵強(qiáng)度。圖中，a、b、c分別表示以30、20、10mL/min的流量導(dǎo)入氫氣的情況。為進(jìn)行比較，d表示出僅為氬氣和氧氣的情況下的結(jié)果，e表示不進(jìn)行再氧化處理的未處理情況下的結(jié)果。Si基板上的氧化膜膜厚a、b、c、d均為3nm。另外，在等離子體氧化處理中，在氬氣流量固定在1000mL/min，氧氣流量固定在10mL/min，Si基板溫度為250℃，壓力為133.3Pa，向等離子體供給的功率為3.5kW，處理時(shí)間a為66秒、b為21秒、c為21秒、d為30秒的條件下實(shí)施。
根據(jù)上述結(jié)果，在氫氣流量越多的情況下，作為鎢的峰的在31～34eV附近的強(qiáng)度越高。另一方面，氧化鎢峰在35～39eV附近的強(qiáng)度在不使用氫氣的情況下(d)、未處理的情況下(e)較高。由此判明，在導(dǎo)入氫氣時(shí)，在與氧氣的流量比中，氫氣越多，越不易引起鎢的氧化。
圖9為在利用等離子體處理裝置100的再氧化處理中，改變H2/O2比，測(cè)量氧化硅膜和氧化鎢膜的形成膜厚的結(jié)果的曲線圖。另外，在本例中，處理時(shí)的Si基板溫度為250℃，氧氣流量為100mL/min、壓力為6.7Pa，向等離子體供給的功率為2.2kW。圖9的曲線的縱軸表示同一處理時(shí)間下形成的氧化硅膜(SiO2)和氧化鎢膜(WO3)的膜厚，橫軸表示H2/O2比。
根據(jù)圖9可知，硅的氧化速率在H2/O2比為1的范圍急速上升，在1～2的范圍呈最大，在2以上緩慢下降。另一方面，氧化鎢的膜厚隨著氫氣導(dǎo)入量的增多而減少，H2/O2比在2以上時(shí)，幾乎未生成WO3。此外，認(rèn)為即使與未實(shí)施再氧化的未處理情況下相比，WO3膜厚也變薄，使得由氫氣形成的還原氣氛發(fā)揮作用。
根據(jù)圖8和圖9，在利用等離子體處理裝置100實(shí)施等離子體氧化處理時(shí)，通過(guò)導(dǎo)入氫氣，可以抑制鎢的氧化，且通過(guò)控制H2/O2比，可有選擇地僅氧化硅。
由上可知，在從抑制鎢的氧化方面考慮，優(yōu)選H2/O2比為1.5～20，更優(yōu)選為2以上，尤其是在4以上時(shí)，可基本完全抑制WO3的生成。此外，從將硅的氧化速率保證在一定水平之上的觀點(diǎn)出發(fā)，H2/O2比的優(yōu)選值為1～15，更優(yōu)選為1.5～15。
綜上可知，利用等離子體處理裝置100對(duì)多晶硅層選擇性再氧化時(shí)，用于抑制鎢氧化的H2/O2比優(yōu)選設(shè)定在1.5～20，更優(yōu)選為2～20。此外，在考慮硅的氧化速率的情況下，優(yōu)選為1～15。
圖10與圖8一樣，為使用XPS裝置的表面分析測(cè)量利用等離子體處理裝置100，在Si基板上將柵電極的多晶硅露出面進(jìn)行氧化處理，形成8nm厚的氧化膜時(shí)，通過(guò)改變溫度條件，將鎢氧化到何種程度的結(jié)果示意圖。此外，在該圖中，曲線A表示未處理(不進(jìn)行再氧化的狀態(tài))時(shí)的狀態(tài)，曲線B為Si基板溫度為250℃時(shí)的狀態(tài)，曲線C為溫度為300℃時(shí)的狀態(tài)，曲線D為溫度為350℃時(shí)的狀態(tài)，曲線E為溫度為400℃時(shí)的狀態(tài)，曲線F為溫度為600℃時(shí)的狀態(tài)。并且，該試驗(yàn)中，Ar/H2/O2流量為1000/200/100mL/min，壓力為8.0Pa，向等離子體的供給功率為2.2kW。
根據(jù)圖10，因鎢氧化生成的WO3的峰強(qiáng)度在曲線A所示的未處理時(shí)為最高。由此可知，通過(guò)向等離子體處理裝置100導(dǎo)入氫氣和氧氣，進(jìn)行等離子體處理，不僅可抑制WO3的生成，還能將蝕刻處理中以及此后表面自然氧化形成的氧化鎢還原。此外，在本發(fā)明方法的情況下，即使鎢在作為急劇氧化的溫度的300℃以上的溫度區(qū)域，例如600℃下，也不會(huì)促進(jìn)鎢的氧化。
圖11為利用等離子體處理裝置100將Si基板氧化成6nm氧化膜厚時(shí)相對(duì)于Si基板溫度的硅的氧化速率(符號(hào)A)和處理時(shí)間(符號(hào)B)曲線圖。該例中處理時(shí)的氣體流量為Ar/H2/O2＝1000/200/100mL/min，壓力為6.7Pa，向等離子體供給的功率為2.2kW。如該圖所示可知，與250℃的Si基板溫度下的處理相比，500℃下的處理顯示出約2倍的氧化速度，在需要相同氧化量的情況下，溫度越高，處理時(shí)間越短。如上所述，當(dāng)硅形成氧化膜時(shí)，更高的溫度將達(dá)到更優(yōu)的膜質(zhì)，處理溫度優(yōu)選為300℃以上，更優(yōu)選為500℃以上。
圖12為利用等離子體處理裝置100進(jìn)行再氧化處理后的Si基板上的鎢薄膜的表面電阻測(cè)量結(jié)果的曲線圖。在此，對(duì)等離子體氧化處理中的氣體組成如何改變鎢薄膜的表面電阻進(jìn)行了試驗(yàn)。圖12的縱軸表示表面電阻值，單位為Ω/sq。
且該圖的橫軸表示試驗(yàn)劃分。“Ar/O23.0nm”表示處理氣體使用氬和氧的等離子體氧化處理，在該Si基板上的氧化膜膜厚為約3nm的試驗(yàn)組。同樣，“Ar/O25.0nm”表示處理氣體使用氬和氧的等離子體氧化處理，在該Si基板上的氧化膜膜厚為約5nm的試驗(yàn)組。
而“Ar/O2/H23.0nm”表示處理氣體使用氬、氧和氫的等離子體氧化處理，在該Si基板上的氧化膜膜厚為約3nm的試驗(yàn)組?！癆r/O2/H25.0nm”表示處理氣體使用氬、氧和氫的等離子體氧化處理，在該Si基板上的氧化膜膜厚為約5nm的試驗(yàn)組?！癆r/O2/H28.0nm”表示處理氣體使用氬、氧和氫的等離子體氧化處理，在該Si基板上的氧化膜膜厚為約8nm的試驗(yàn)組。
此外，為便于比較，不進(jìn)行等離子體氧化處理的未處理情況下的結(jié)果也一并表示。并且，等離子體氧化處理中，在處理氣體的流量比為Ar/O2/H2＝1000/10/10或Ar/O2＝1000/10，Si基板溫度為250℃，壓力為133.3Pa，向等離子體供給的功率為3.5kW，處理時(shí)間方面，Ar/O23.0nm為30秒，Ar/O25.0nm為227秒，Ar/H2/O23.0nm為21秒，Ar/H2/O25.0nm為68秒，Ar/H2/O28.0nm為177秒的條件下進(jìn)行。
根據(jù)圖12可知，等離子體氧化處理時(shí)通過(guò)導(dǎo)入氫氣，無(wú)論Si基板上的氧化膜膜厚是多少，表面電阻都降低。由此，通過(guò)在處理氣體中混入氫氣，就能在鎢表面發(fā)生還原作用，有效地抑制氧化，在用作柵電極時(shí)，可以達(dá)到提高性能的效果。
圖13為按照與圖12同樣的試驗(yàn)方法，測(cè)量利用等離子體裝置100在基板上形成膜厚3nm的氧化膜時(shí)的鎢薄膜的表面電阻的結(jié)果圖。在此，等離子體氧化處理中氫氣的流量取10、20或30mL/min。H2氣之外的處理氣體的流量比Ar/O2＝1000/10mL/min。并且，為便于比較，本發(fā)明還說(shuō)明了未實(shí)施等離子體氧化處理的未處理情況下鎢薄膜的表面電阻。此外，等離子體氧化處理按照Si基板溫度為250℃，壓力為133.3Pa，向等離子體供給的功率為3.5kW，處理時(shí)間方面，氫氣流量10mL/min情況下為21秒，20mL/min情況下為21秒，30mL/min情況下為66秒的條件進(jìn)行。
根據(jù)圖13可知，當(dāng)氫氣流量增加時(shí)，鎢薄膜的表面電阻降低。由此，通過(guò)在處理氣體中混入氫氣，可抑制鎢薄膜的氧化。并且，H2/O2比變得越高，就會(huì)更進(jìn)一步抑制氧化、表面電阻降低的趨勢(shì)也變強(qiáng)。
圖14為改變等離子體處理中的H2/O2比和處理溫度，將Si基板的氧化膜膜厚設(shè)定為8nm，實(shí)施運(yùn)轉(zhuǎn)試驗(yàn)的結(jié)果圖。在H2/O2比設(shè)定為2、6或8的情況下，試驗(yàn)在晶片溫度設(shè)定為400℃或500℃的情況下實(shí)施。
使用圖1的等離子體處理裝置100，首先清潔腔室，形成鎢的游離狀態(tài)。然后，在基座上載置裸(bare)Si晶片(清潔的晶片)，按照下述氧化處理?xiàng)l件進(jìn)行腔室內(nèi)的調(diào)配(seasoning)。
然后，將裸Si晶片作為第一片晶片載置在基座上，按照與多晶硅的選擇氧化處理同樣的條件進(jìn)行氧化處理。此時(shí)的條件為氣體流量Ar/H2/O2＝1000/x/100mL/min的情況下，x值改為200、600、800mL/min，腔室內(nèi)壓力為6.7Pa，微波發(fā)生裝置的功率為3.4kW，晶片溫度為400℃或500℃，處理時(shí)間為110秒。腔室壁溫度為45℃。處理后，取出該第一片晶片，測(cè)量氧化膜的膜厚和表面的鎢濃度。其中，膜厚測(cè)量使用ELLIPSOMETER(RUDOLPH公司生產(chǎn))，鎢濃度測(cè)量利用TXRF(全反射熒光X射線分析，Techno公司生產(chǎn)的TREX610T)進(jìn)行計(jì)算測(cè)量。
接著，將表面具有鎢膜的Si晶片作為第二片晶片載置在基座上，按照同樣條件進(jìn)行氧化處理。處理后，搬出附該鎢膜的晶片，將裸Si晶片作為第三片晶片載置在基座上，按照與第一片晶片同樣的條件進(jìn)行氧化處理。處理后，搬出該第三片晶片，測(cè)量氧化膜的膜厚和表面的鎢濃度。同樣，對(duì)第四片之后直至第十一片晶片為止共11片晶片反復(fù)進(jìn)行附鎢膜晶片的氧化處理和裸Si晶片的氧化處理，測(cè)量各裸Si晶片的膜厚和鎢濃度。
這些一連串的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖14所示。圖14的橫軸表示晶片的No.(第幾片)，縱軸表示氧化膜的膜厚(埃)和晶片表面的鎢濃度(×1010atoms/cm2)。
如圖14所示，可確認(rèn)，如果按照可以抑制鎢的氧化的H2/O2比＝2進(jìn)行處理，隨著疊加處理片數(shù)，會(huì)逐漸增加鎢污染。并且，還確認(rèn)隨著鎢污染的增加，氧化膜的膜厚減少。
由此可知，即使H2/O2比為6的情況下，確認(rèn)了膜厚的減少，但與H2/O2比為2時(shí)相比，膜厚減少的比例減小。而且，隨著H2/O2比的增加，膜厚減少的比例進(jìn)一步減小，當(dāng)H2/O2比為8時(shí)，就能完全抑制膜厚的減少。并且，當(dāng)H2/O2比為8時(shí)，晶片表面的鎢污染減少到1×1010/atoms/cm2。再者，當(dāng)H2/O2比為8時(shí)，處理溫度無(wú)論是在500℃的情況下，還是在400℃的情況下，都能達(dá)到同樣的結(jié)果。此外，處理溫度到達(dá)到800℃，可實(shí)現(xiàn)充分處理。
根據(jù)圖14所示結(jié)果判明，在出于不僅抑制鎢的氧化，還能避免因鎢造成的原子水平下的污染的目的下，等離子體處理中的處理氣體中的H2/O2比優(yōu)選為8以上。并且，出于降低鎢污染的目的，在將H2/O2比設(shè)定為8以上情況下，等離子體處理溫度優(yōu)選為800℃以下，更優(yōu)選為400～600℃左右，這樣不僅能得到致密優(yōu)質(zhì)膜質(zhì)的氧化膜，而且還能提高處理效率。
根據(jù)上述數(shù)據(jù)，發(fā)明人認(rèn)為，在RLSA方式的等離子體氧化處理中，在柵電極的鎢層表面(露出面)，利用等離子體的再氧化處理會(huì)引發(fā)氧化還原的平衡反應(yīng)。在將H2/O2比設(shè)定為2以上情況下，能有效抑制鎢的氧化，推測(cè)在此情況下，將會(huì)生成少量的氧化物WOx，腔室內(nèi)會(huì)發(fā)生WOx的飛散，在原子水平會(huì)造成鎢污染。但是，當(dāng)H2/O2比進(jìn)一步提高，例如在H2/O2比為8以上、優(yōu)選為H2/O2比8～12、更優(yōu)選H2/O2比為8～10時(shí)，就可以制造出強(qiáng)還原氣氛，結(jié)果就能夠抑制WOx的生成或飛散，減少晶片的污染。這樣，通過(guò)不僅只是抑制鎢層的氧化，還降低原子水平下的污染，就能避免因鎢污染對(duì)半導(dǎo)體制品造成的不良影響。
此外，通過(guò)防止鎢污染，還能確保避免RLSA方式的等離子體處理中所特有的問(wèn)題，即氧化膜膜厚的減少。
然后，說(shuō)明使用圖1所示的等離子體處理裝置100，改變處理溫度(基板處理溫度)，實(shí)施多晶硅層63的側(cè)壁氧化試驗(yàn)的結(jié)果。處理溫度取400℃和800℃。處理壓力取6.7Pa(50mTorr)，等離子體氧化處理中的處理氣體的流量取Ar/O2/H2＝1000/100/200mL/min(sccm)，向等離子體供給的功率為2.2kW。結(jié)果如圖15所示。
根據(jù)圖15，確認(rèn)在800℃的高溫條件下，與400℃的處理溫度相比，氧化速率增大。
圖16為利用等離子體處理裝置100，在對(duì)用鎢覆蓋的覆蓋晶片(blanket wafer)進(jìn)行等離子體處理后，使用XPS分析裝置(X-RayPhotoelectron Spectroscopy AnalysisX射線光電子譜分析)進(jìn)行表面分析的結(jié)果。
等離子體處理?xiàng)l件是處理溫度為800℃，其它則按照與上述選擇性氧化處理同樣的條件實(shí)施。即，Ar/O2/H2流量為1000/100/200mL/min，處理壓力為6.7Pa，向等離子體供給的功率為2.2kW。
其中，在圖16中，分別表示了曲線A為0deg，曲線B為45deg，曲線C為60deg的測(cè)量結(jié)果。
根據(jù)圖16可知，幾乎未檢測(cè)出因鎢氧化生成的WOx(WO3等)的峰強(qiáng)度，通過(guò)使用等離子體處理裝置100，在本發(fā)明的氧化處理?xiàng)l件下進(jìn)行等離子體處理，不僅能抑制WO3的生成，還能還原蝕刻處理中以及此后表面自然氧化形成的氧化鎢。
此外，在除了處理溫度為800℃，其它條件與上述選擇氧化處理一樣的條件下，對(duì)圖4A～圖4C同樣的鎢多金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵電極進(jìn)行等離子體處理，然后，使用透射型電子顯微鏡(TEM)拍攝截面結(jié)構(gòu)的結(jié)果，與圖5一樣，觀察不到鎢層66的膨脹，確認(rèn)抑制了鎢的氧化(省略對(duì)TEM照片的表示)。
由上可知，通過(guò)在柵電極選擇氧化處理中使用本發(fā)明的等離子體氧化處理，則不僅能避免鎢層66等金屬的氧化，而且還能有選擇地僅氧化多晶硅層63。
然后，參照?qǐng)D17A～圖17C說(shuō)明對(duì)鳥嘴的控制。如上所述，當(dāng)柵電極中的多晶硅層側(cè)面露出的狀態(tài)下，給柵電極施加電壓，造成在該露出部分產(chǎn)生電場(chǎng)集中、漏泄電流增大等的產(chǎn)品品質(zhì)不佳，因此，需要進(jìn)行將該露出部分氧化形成絕緣膜的再氧化處理。圖17A～圖17C表示再氧化處理后多晶硅層63的邊緣(倒角部)70的形狀示意圖。
首先，圖17A為邊緣70未形成鳥嘴71，而是呈銳角形狀時(shí)狀態(tài)。
另一方面，圖17B為形成鳥嘴71的狀態(tài)，在多晶硅層63和Si基板61的界面，氧自由基(O*)、氧離子(O-)等活性氧化劑擴(kuò)散，促進(jìn)氧化，生成氧化膜(柵極絕緣膜62)的示意圖。特別是在熱氧化處理中，明顯易于形成該鳥嘴71。
使用圖1所示的等離子體處理裝置100實(shí)施的利用RLSA微波等離子體進(jìn)行再氧化的情況下，具有能夠抑制熱氧化處理中一大問(wèn)題的鳥嘴的優(yōu)點(diǎn)，但如圖17A所示，當(dāng)完全沒(méi)有鳥嘴時(shí)，卻出現(xiàn)了電場(chǎng)易于集中，多晶硅層63的邊緣70的形狀變得尖銳，反而增大了漏泄電流的問(wèn)題。因此，在本實(shí)施方式中，通過(guò)在600℃以上的高溫下進(jìn)行再氧化處理，就能形成圖17C所示的多晶硅層63的邊緣70有一點(diǎn)帶有圓角的狀態(tài)。在該狀態(tài)下，不僅能避免由邊緣70增加漏泄電流，而且可得到不會(huì)增加?xùn)艠O氧化膜，可以適應(yīng)微細(xì)化的可靠性高的柵電極。
首先，使用圖1所示的等離子體處理裝置100，對(duì)與圖4A同樣的結(jié)構(gòu)的鎢多金屬柵極結(jié)構(gòu)的柵極實(shí)施作為再氧化處理的等離子體氧化處理。處理壓力采用6.7Pa(50mTorr)。等離子體氧化處理中的處理氣體流量設(shè)定為Ar/O2/H2＝1000/100/200mL/min(sccm)，處理溫度(基板處理溫度)為800℃，向等離子體供給的功率為2.2kW，處理時(shí)間為80秒。
圖18為按照上述條件進(jìn)行再氧化處理后的多晶硅層63邊緣附近的截面的TEM照片復(fù)制圖。利用等離子體氧化處理，如圖18所示，不僅在多晶硅層63的側(cè)壁有選擇地形成氧化膜68，而且形成邊緣有一點(diǎn)呈帶有圓角的狀態(tài)。還可確認(rèn)，多晶硅層63下的氧化膜(柵極絕緣膜62)的膜厚與多晶硅層的邊緣下(膜厚L1)和多晶硅層的中央下(膜厚L2)基本相等(L1＝L2)，未形成鳥嘴。
根據(jù)上述結(jié)果，通過(guò)在600℃以上，例如600～900℃的高溫下進(jìn)行再氧化處理，不僅能抑制鳥嘴，而且還能使邊緣呈圓角狀，減少漏泄電流。
綜上，對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式做出了說(shuō)明，但本發(fā)明并不受限于上述實(shí)施方式，還可做出各種變形。
例如，柵電極不限于在多晶硅上疊層鎢或硅化鎢的形態(tài)，也適于使用疊層其它高熔點(diǎn)電極材料、它們的硅化物結(jié)構(gòu)的柵電極。
此外，本發(fā)明方法除了適用于晶體管的柵電極之外，還適用于例如不僅需要抑制金屬材料的氧化，還需要有選擇地氧化含硅材料的各種半導(dǎo)體裝置的制造。
產(chǎn)業(yè)上的可利用性本發(fā)明適用于制造各種半導(dǎo)體裝置。
權(quán)利要求
1.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體進(jìn)行等離子體處理，在所述多晶硅層上形成氧化膜。
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，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為1.5以上。
3.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，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為2以上。
4.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，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為8以上。
5.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，所述等離子體處理中的處理溫度為250℃以上。
6.如權(quán)利要求
5所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為900℃以下。
7.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。
8.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，所述金屬層為鎢層或硅化鎢層。
9.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，包括在半導(dǎo)體基板上形成柵極絕緣膜的工序；在該柵極絕緣膜上，形成至少包括多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體的工序；對(duì)所述疊層體進(jìn)行蝕刻處理，形成柵電極的工序；和利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體進(jìn)行等離子體處理，對(duì)所述柵電極中的多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化的工序。
10.如權(quán)利要求
9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為1.5以上。
11.如權(quán)利要求
9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為2以上。
12.如權(quán)利要求
9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為8以上。
13.如權(quán)利要求
9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為250℃以上。
14.如權(quán)利要求
13所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為900℃以下。
15.如權(quán)利要求
9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。
16.如權(quán)利要求
9所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述金屬層為鎢層或硅化鎢層。
17.一種等離子體氧化處理方法，其特征在于，是利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的所述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化的等離子體氧化處理方法，利用由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，進(jìn)行等離子體處理。
18.如權(quán)利要求
17所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為1.5以上。
19.如權(quán)利要求
17所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為2以上。
20.如權(quán)利要求
17所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為8以上。
21.如權(quán)利要求
17所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為250℃以上。
22.如權(quán)利要求
21所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為900℃以下。
23.如權(quán)利要求
17所述的等離子體氧化處理方法，其特征在于，所述金屬層為鎢層或硅化鎢層。
24.一種控制程序，其特征在于，在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行時(shí)，控制所述等離子體處理裝置實(shí)施等離子體氧化處理方法，所述等離子體氧化處理方法，在由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置中，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的所述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
25.一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其特征在于，存儲(chǔ)有在計(jì)算機(jī)上運(yùn)行的控制程序，所述控制程序在運(yùn)行時(shí)，控制所述等離子體處理裝置實(shí)施等離子體氧化處理方法，所述等離子體氧化處理方法，在由具有多個(gè)縫隙的平面天線向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置中，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的所述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
26.一種等離子體處理裝置，其特征在于，具備用于利用等離子體處理被處理體的可真空排氣的處理室；通過(guò)由具有多個(gè)縫隙的平面天線向所述處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體供給源；和控制部，所述控制部進(jìn)行控制，以在所述處理室內(nèi)實(shí)施等離子體氧化處理方法，所述等離子體氧化處理方法，在所述處理室內(nèi)，使用含有氫氣和氧氣的處理氣體，利用等離子體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體中的所述多晶硅層進(jìn)行選擇性氧化。
27.一種半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，利用向處理室內(nèi)導(dǎo)入微波而產(chǎn)生等離子體的等離子體處理裝置，使用含有氫氣、氧氣和稀有氣體的處理氣體，對(duì)至少具有多晶硅層和以高熔點(diǎn)金屬為主要成分的金屬層的疊層體進(jìn)行等離子體處理，在所述多晶硅層上形成氧化膜。
28.如權(quán)利要求
27所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為1.5以上。
29.如權(quán)利要求
27所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為2以上。
30.如權(quán)利要求
27所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的氫氣與氧氣的流量比為8以上。
31.如權(quán)利要求
27所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述處理氣體中的稀有氣體與氫氣的流量比為1.25～10。
32.如權(quán)利要求
27所述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為250℃以上。
33.如權(quán)利要求
32所三述的半導(dǎo)體裝置的制造方法，其特征在于，所述等離子體處理中的處理溫度為900℃以下。
專利摘要
在利用等離子體處理裝置(100)對(duì)柵電極進(jìn)行選擇性氧化處理時(shí)，將形成有柵電極的晶片(W)載置于腔室(1)內(nèi)的基座(2)上，由氣體供給系統(tǒng)(16)的Ar氣供給源(17)、H
文檔編號(hào)H01L29/78GK1993813SQ200580026757
公開日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年8月11日
發(fā)明者壁義郎, 佐佐木勝 申請(qǐng)人:東京毅力科創(chuàng)株式會(huì)社導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan