(57)【要約】【課題】希土類絶縁膜の後処理工程において、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を有する半導体装置の提供。【解決手段】半導体基板１上に希土類元素を含む絶縁膜１４を形成する工程と、絶縁膜１４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、不活性ガス雰囲気中で１ａｔｍ以上の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。【選択図】      図７
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上に希土類元素を含む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、不活性ガス雰囲気中で１  ａｔｍ以上の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。
【請求項２】
前記加圧処理は、約２７℃以上約２００℃以下の温度で行うことを特徴とする請求項１の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
前記加圧処理に先立ち、不活性ガス雰囲気中で減圧処理を行う工程を備えることを特徴とする請求項１または２記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記不活性ガスは、ヘリウム、ネオン、アルゴン若しくは窒素の少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記希土類元素は、Ｌｕ、Ｅｕ、Ｓｍ、Ｐｒ、Ｌａ、Ｙｂ、Ｇｄ、Ｄｙの少なくとも１種を含むことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記絶縁膜はゲート絶縁膜であり、前記ゲート絶縁膜上にゲート電極を形成する工程と、前記ゲート絶縁膜の両脇にソース・ドレイン領域を形成する工程を備えることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【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、半導体基板上に希土類元素を含む絶縁膜を形成する工程と、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、不活性ガス雰囲気中で１ａｔｍ以上の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
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2004273585.tif 000009
【図８】
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【図９】
2004273585.tif 000011
【図１０】
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【図１１】
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