(57)【要約】【課題】  現在のゲート長の微細化に伴ない、Ｓｉ基板表面の平坦性が要求されている。【解決手段】  本発明は、少なくともシリコン面が部分的に露出したシリコン基板の表面に、高温のフッ化アンモニア溶液を定常的に供給することで、シリコン面の平坦化を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくともシリコン面が部分的に露出したシリコン基板の表面に、高温のフッ化アンモニア溶液を定常的に供給することで、シリコン面の平坦化を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
少なくとも基板の一部にシリコンが露出したシリコン基板を回転させる工程と、
該回転しているシリコン基板上にフッ化アンモニウム溶液を供給する基板平坦化工程と、
前記フッ化アンモニウム溶液の供給を停止した後、前記シリコン基板上に純水を供給するリンス工程と、
前記純水の供給を停止した後、前記シリコン基板を回転させ乾燥する工程とを有することを特徴とする半導体装値の製造方法。
【請求項３】
前記シリコン基板は、裏面に多結晶シリコン膜あるいは損傷層が形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記シリコン基板は、素子分離溝と該素子分離溝に素子分離膜が形成されたシリコン基板である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記シリコン基板は、素子分離溝が形成されたシリコン基板である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
前記シリコン基板は、少なくとも素子分離溝と該素子分離溝に素子分離膜が埋め込まれ、ゲート酸化膜と、該ゲート酸化膜上に多結晶シリコンまたは非晶質シリコンからなるゲートと、該ゲートの側面に側壁絶縁膜が形成されているシリコン基板である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記フッ化アンモニウム溶液が３０重量％以上である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】
前記高温のフッ化アンモニウム溶液の温度が、５０℃以上１００℃以下である請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項９】
前記フッ化アンモニウム溶液が５００ｃｃ／分以上３５００ｃｃ／分以下の割合で供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１０】
前記フッ化アンモニウム溶液が１２０秒以上供給されることを特徴とする請求項１または２に記載の半導体装値の製造方法。
【請求項１１】
シリコン基板を固定する手段を有する基板固定台と、
該基板固定台を回転させる基板固定台回転手段と、
フッ化アンモニウム溶液を一定温度に保持する薬液保持手段と、
該薬液保持手段から前記フッ化アンモニウム溶液をノズルに供給する薬液供給手段と、
予め決められた所定の時間経過後に前記フッ化アンモニウム薬液の前記ノズルへの供給を停止し、純水をノズルに供給する手段と、
予め決められた所定の時間経過後に前記純水の前記ノズルへの供給を停止する手段と、
フ前記純水の前記ノズルへの供給を停止後、予め決められた所定の時間で前記基板固定手段の回転を停止させる基板固定台回転停止手段とを有することを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体装置の製造方法およびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の半導体集積回路装置の微細化は、著しく、Ｓｉ基板表面の平滑性がゲート長の微細化に追いついていないため、Ｓｉ基板表面の凹凸が、ゲート耐圧不良、電流リーク不良およびランダムアクセスメモリのレフレッシュ不良等の原因と考えられている。
【０００３】
従来Ｓｉ基板表面の平坦化は、
（１）インゴットからスライスされたときに生じる表面傷や凹凸などを除去するために平面研磨を行う。
（２）上記である程度平坦化されたウェハ表面の加工歪層除去のために酸またはアルカリに浸漬してエッチングを行う。薬液としては具体的にフッ酸などが使用されている。
（３）Ｓｉ基板表裏両面のラフネスや厚さムラなどを除去するために粗研磨を行う。
（４）微小な表面凹凸平坦化のため仕上げ研磨を行う。
ことが一般に行われている。
【０００４】
特許文献１に、平面研削などの平坦化加工で生じた加工歪層を、ウェハ表面の平坦度を損なうことなく、効率よく除去するために、エッチングレートが速く、しかも均一なエッチング特性を有する混酸（フッ酸、硝酸、硫酸、リン酸）を用いたスピンエッチングを用いるものがある。
【０００５】
しかしながら、従来のＳｉ基板表面の平坦化方法では、基板表面を十分に平坦化することができないため、基板表面の凹凸に起因すると考えられる、ゲート耐圧不良、電流リーク不良およびランダムアクセスメモリのレフレッシュ不良等を低減することは困難であった。
【特許文献１】特開平１１−１３５４６４号公報
【非特許文献１】２００２年、春季第４９回応用物理学会予稿集、筆者  谷口豊、岡村陽介、坂上弘之、新宮原正三、高萩隆行、「加熱ＮＨ４Ｆ処理したＳｉ（１００）表面の水素終端構造」
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
現在のゲート長が２００ｎｍ以下の半導体デバイスでは、トランジスタゲート酸化膜の薄膜化が急激に進んでおり、その膜厚は４ｎｍよりも薄くなっている。Ｓｉ基板の表面の平均二乗粗さが０．２ｎｍであれば最大凹凸は２ｎｍを程度になっていると考えられ、これはゲート酸化膜厚の５０％を占めるものであり、半導体デバイスにとってもはや無視できないレベルになっているため。
【０００７】
しかしながら上記手法での平坦性は平均二乗荒さで０．２〜０．３ｎｍ程度であり、現在の２００ｎｍ以下の半導体デバイスにおいては必ずしも十分な平坦化がなされていない。
【０００８】
これに対し、発明者等は、フッ化アンモニウムによる浸積式ＷＥＴ法により、Ｓｉ基板表面の凹凸制御（非特許文献１）を研究し、平均二乗荒さを０．１ｎｍに低減できることを見出した。しかしながら、直径２０ｃｍのＳｉ基板に適用したところ平均二乗荒さが０．１５ｎｍとなり、現在のランダムアクセスメモリの主流である直径３０ｃｍのＳｉ基板に適用すると更に平均二乗荒さの値は悪化するものと考えられる。更に、平均二乗荒さが０．１５ｎｍでは、今後のゲート長の微細化には不十分である。
【０００９】
更に、非特許文献１の内容は、従来技術のＳｉ基板表面に適用することはできるが、半導体集積回路装置の製造においては、ゲート酸化膜を形成する直前の基板の荒さが問題となる。ゲート酸化膜を形成する前に、通常の半導体集積装置では、ゲッタリングのために裏面に多結晶シリコンを形成し、更に、表面に素子分離のため、溝を形成後、溝に酸化膜を埋め込むことが行われている。
【００１０】
裏面の多結晶シリコンがフッ化アンモニウム処理によりエチングされ、凹凸が生じ、後工程での表面尾の平坦性に影響することがわかった。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は、少なくともシリコン面が部分的に露出したシリコン基板の表面に、高温のフッ化アンモニア溶液を定常的に供給することで、シリコン面の平坦化を行うことを特徴とする半導体装置の製造方法である。本発明では、少なくとも基板の一部にシリコンが露出したシリコン基板を回転させる工程と、該回転しているシリコン基板上にフッ化アンモニウム溶液を供給する基板平坦化工程と、前記フッ化アンモニウム溶液の供給を停止した後、前記シリコン基板上に純水を供給するリンス工程と、前記純水の供給を停止した後、前記シリコン基板を回転させ乾燥する工程とを有することを特徴とする半導体装値の製造方法である。
【００１２】
前記シリコン基板は、裏面に多結晶シリコン膜あるいは損傷層が形成されている、あるいは、素子分離溝と該素子分離溝に素子分離膜が形成された、あるいは、素子分離溝が形成された、あるいは、少なくとも素子分離溝と該素子分離溝に素子分離膜が埋め込まれ、ゲート酸化膜と、該ゲート酸化膜上に多結晶シリコンまたは非晶質シリコンからなるゲートと、該ゲートの側面に側壁絶縁膜が形成されているシリコン基板である。
【００１３】
本発明に使用される、前記フッ化アンモニウム溶液は、３０重量％以上４５重量％以下であることが好ましい。更に、前記フッ化アンモニウム溶液が５０℃以上１００℃以下であることが好ましい。
【００１４】
前記フッ化アンモニウム溶液が、５００ｃｃ／分以上３５００ｃｃ／分以下の割合で供給されることが好ましく、また、前記フッ化アンモニウム溶液が１２０秒以上供給されることが好ましい。
【００１５】
更に、本発明は、シリコン基板を固定する手段を有する基板固定台と、該基板固定台を回転させる基板固定台回転手段と、フッ化アンモニウム溶液を一定温度に保持する薬液保持手段と、該薬液保持手段から前記フッ化アンモニウム溶液をノズルに供給する薬液供給手段と、予め決められた所定の時間経過後に前記フッ化アンモニウム薬液の前記ノズルへの供給を停止し、純水をノズルに供給する手段と、予め決められた所定の時間経過後に前記純水の前記ノズルへの供給を停止する手段と、フ前記純水の前記ノズルへの供給を停止後、予め決められた所定の時間で前記基板固定手段の回転を停止させる基板固定台回転停止手段とを有することを特徴とする半導体製造装置である。
【発明の効果】
【００１６】
本発明は、Ｓｉ基板表面凹凸の高精度な平坦化を可能とする半導体ウェハ製造方法の提供することを目的とする。
【００１７】
高温のフッ化アンモニウムを、Ｓｉ基板表面に継続的に供給することで、常にフレッシュな薬液がＳｉ基板表面に接触することで、マイクロバブル抑制効果を利用でき、表面凹凸平坦化効果を極大化することが可能となった、
Ｓｉ基板を回転させているので、Ｓｉ基板表面凹凸の平坦化をウェハ裏面にダメージを与えることなく達成できる。
【００１８】
ゲッタリングを、裏面に損傷を与えて行う場合でも、本方法で行えば、裏面に薬液が回り込まないために、裏面に凹凸を形成することがない。
【００１９】
裏面に形成したポリシリコンや損傷層がエッチング除去されることがないので、裏面に凹凸が生じ後工程の、例えば、フォトリソグラフ工程等の平坦性以外に、ゲッタリング効果が得られなくなるという問題も発生しない。
【００２０】
本発明は、半導体集積回路装置のゲート酸化膜膜質、膜均一性の向上、素子分離からのリークを抑制し、ゲート耐圧、微小電流不良およびランダムアクセスメモリのレフレッシュ不良等の改善を行うことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明は、Ｓｉ基板を回転させながら、フッ化アンモニウムをＳｉ基板表面に供給することで、Ｓｉ基板裏面へのフッ化アンモニウムの回り込みを防止すると同時に、常にフレッシュな薬液の接触によるマイクロバブル抑制効果を利用した表面凹凸平坦化効果の極大化によるものである。
【００２２】
本発明は、Ｓｉ基板にフッ化アンモニウム溶液を定期的に供給し、反応したフッ化アンモニウム溶液をＳｉ基板表面から除去すればよく、必ずしも基板を回転さえる必要はない。例えば、基板を傾けておいて基板にフッ化アンモニウム溶液を吹きつけることでも達成できるが、Ｓｉ基板とフッ化アンモニウムとの反応を停止するという点で基板を回転させるほうが好ましい。
【００２３】
Ｓｉ基板表面へのフッ化アンモニウムの供給は、通常のノズルを用いフッ化アンモニウム溶液を垂れ流す状態で行った。
【００２４】
フッ化アンモニウム処理によるＳｉ基板表面凹凸制御は、Ｓｉ基板表面を原子レベルで見た時に、水素終端されているとすればＳｉＨ2が最表面にあることになる。ダメージも無く表面が平坦に保たれているＳｉ基板表面では、Ｓｉに結合する２つの水素原子が対称伸縮振動している。また、凹凸のある状態では非対称の伸縮振動と対称の伸縮振動が混在している。フッ化アンモニウム処理を行う前後の赤外線吸収スペクトルを比較すると、処理後では非対称のスペクトルが見られず、平坦化が進行していることを裏付けている。ＡＦＭ、ＳＴＭ観察よりフッ化アンモニウム処理後のＳｉ基板表面には、部分的にステップ／テラス構造が観察されており、ＳｉＨ2が対称伸縮振動しやすい原子列欠損構造を有しているといえる。
【実施例】
【００２５】
本発明のＳｉ基板は、以下の実施例１〜３ともに、裏面への多結晶シリコンの形成が行われた後の工程についてのみ説明している。裏面への多結晶シリコンの形成はゲッタリング効果を得ることを目的とするもので、裏面へダメージ層を形成する等の既知のゲッタリング効果を得る方法を用いることができることは言うまでもない。
（実施例１  トランジスタゲート耐圧性能向上）
第２図は、本発明を用いトランジスタゲート耐圧性能を向上させる為の半導体デバイス製造工程を示すものである。まずＳｉ基板（０１）の表面にＳｉＮ膜（０２）を形成し、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジストの素子分離溝となる部分のフォトレジストを除去し、通常のエッチング法を用いて素子分離溝（０３）を形成する。その後、シリコン酸化膜からなる素子分離膜（０４）で溝を埋設する。その後、トランジスタのゲート酸化膜（０５）を形成する工程の直前でフッ化アンモニウム処理を行う。このフッ化アンモニウム処理でトランジスタのチャネルが形成されるＳｉ基板の表面が平坦化され、ゲート酸化膜の膜質が向上する。その後、通常の工程で、トランジスタのゲート酸化膜（０５）形成し、その後、多結晶シリコン等からなるトランジスタのゲート（０６）の形成等を行い、半導体装置を完成させる。
【００２６】
本実施例では、ゲート酸化膜の形成直前にシリコン面の平坦化が行われるので、平坦で均一なゲート酸化膜が得られるという効果がある。
（実施例２  素子分離からの電流リーク不良低減・リフレッシュ不良低減）
第３図は、本発明を用い電流リーク不良およびリフレッシュ不良を低減させる為の半導体デバイス製造工程を示すものである。まずＳｉ基板（０１）にＳｉＮ膜（０２）を形成し、フォトリソグラフィーを用いてフォトレジストの素子分離溝となる部分のフォトレジストを除去し、通常のエッチング法を用いて素子分離溝（０３）を形成する。次にフッ化アンモニウム処理を行う。このフッ化アンモニウム処理により、素子分離溝構成で使用したドライエッチングによるＳｉ基板のダメージが除去される。その後、素子分離溝を酸化膜からなる阻止分離膜で埋設する。
【００２７】
本実施例では、素子分離溝表面のエッチングダメージ層が除去されるので、素子分離溝のダメージ層からの電流リークが低減される。
【００２８】
その後、実施例１と同様にシリコン基板の表面のフッ化アンモニウム処理を行い、シリコン基板表面の平坦化を行っても良い。シリコン基板の平坦化を行うことで、素子分離溝のエッチングダメージ層が除去されたことによる、素子分離溝に起因する電流リークの低減とシリコン基板表面の平坦かも行われるので均一なゲート酸化膜が得られるという効果がある。
【００２９】
その後、トランジスタのゲート酸化膜（０５）を形成し、更に、トランジスタのゲートとなる多結晶シリコン（０６）の形成等を行い、半導体装置を完成させる。
（実施例３  拡散層メタルシリサイド層形成不良低減）
第４図は、本発明を用いメタルシリサイド層形成不良を低減させる為の半導体デバイス製造工程を示すものである。トランジスタのゲート酸化膜（０５）を形成するところまでは実施例１および実施例２と同様の工程をとることができる。
【００３０】
素子分離溝のエッチングダメージ層を、フッ化アンモニウム処理を行って除去すると素子分離溝起因の電流リークが低減でき、ゲート酸化膜の成長前にフッ化アンモニウム処理行うと、シリコン基板表面の平坦化が行われるので均一なゲート酸化膜が得られるという効果が得られる点は実施例１および実施例２と同様である。
【００３１】
本実施例では、ゲート酸化膜（０５）を形成後、トランジスタのゲート（０６）多結晶シリコンを形成し、ゲート(０６）の側面に酸化膜からなるサイドウォール（０７）を形成する。
【００３２】
サイドウォール(０７)は、ゲート(０６)を形成後、全面に酸化膜を形成し、異方性のドライエッチングでゲート(０６)上の酸化膜を除去することで形成される。
【００３３】
尚、実施例１〜３で酸化膜、ＳｉＮ膜と称している膜は絶縁膜であることが必要条件で酸化膜、でＳｉＮ膜なければならないわけではない。近年の半導体集積回路装置の微細化でてい誘電率で酸化膜、ＳｉＮ膜に置き換えられる種々の膜が発表されている。これらの膜であっても問題ないことは言うまでもない。
【００３４】
サイドウォールが形成されたゲートの表面には異方性ドライエッチングによるエッチングダメージが生じている。このエッチングダメージ層をフッ化アンモニウム処理で除去する。シリコン表面のエチングダメージ層は、その後行われるシリサイドの形成時に、シリサイドの以上成長によるゲートとソース・ドレイン間の短絡、シリサイド層の抵抗値が十分に下がらない等の問題を発生させる原因となっている。
【００３５】
このエッチングダメージ層を除去することでメタルシリサイド層の形成不良を軽減することができる。その後メタルシリサイド層（０８）を形成し、通常通りのフローで半導体デバイスを完成させる。
【００３６】
実施例２および実施例３で示したフッ化アンモニウムによるエッチングダメージ層の除去は、従来のフッ酸やバッファードフッ酸処理によるエッチングに比べてＳｉ基板表面のＳｉのダングリングボンドに水素を終端することができるという効果がある。
【００３７】
次に本発明のフッ化アンモニウム処理について詳細に述べる。
【００３８】
第５図の枚葉式ＷＥＴ装置の構成を説明する。
【００３９】
枚葉式ＷＥＴ装置は、シリコン基板を固定する台を備えたウェハ回転動力支柱とウェハ回転動力支柱を回転させるモータ(図示せず）を有している。シリコン基板は、真空吸着（吸引モータ(図示せず）により減圧状態にする）によりウェハ回転動力支柱に固定されている。
【００４０】
フッ化アンモニウム溶液を一定温度に保持する薬液タンク中のフッ化アンモニウム溶液を２５００ｃｃ／／分の割合で薬液突出ノズルに一定時間供給する。
【００４１】
薬液突出ノズルはシリコン基板の中央に位置し、薬液が薬液突出ノズルに供給後、例えばモータを用いて一定の速度でシリコン基板の直径方向を移動できるようになっている（図示せず）。
【００４２】
例えばタイマーを用いて、予め決められた所定の時間経過後にフッ化アンモニウム薬液の薬液突出ノズルへの供給を停止し、予め決められた所定の時間純水をノズルに供給しシリコン基板の洗浄（リンス）を行う。薬液突出ノズルと純水供給のノズルは同一ノズルを用いても、異なったノズルを用いても良い。
【００４３】
予め決められた所定の時間経過後に純水のノズルへの供給を停止し、その後一定の時間シリコン基板の回転を維持しシリコン基板の乾燥を行う。
【００４４】
次に、本発明のシリコン基板平坦化の工程を説明する。
【００４５】
薬液である４０％フッ化アンモニウムを薬液タンクにて８０℃に保ち、シリコン基板を３００ｒｐｍで回転させ、フッ化アンモニウム突出ノズルから２５００ｃｃ／分の割合で基板に供給し、更に、ノズルを、ウェハ半径上で３．３ｃｍ／秒で移動させながら、１２０秒間処理を行う。次に、ウェハを１５００ｒｐｍで回転させながら１１０秒間超純水を突出、リンスを行い、その後ウェハを３０００ｒｐｍで回転させながら３０秒乾燥を行うものである。
【００４６】
フッ化アンモニウム溶液は、５０℃以上１００℃以下であることが好ましい。５０℃以上であればシリコン基板の平坦化の効果が得られ、１００℃以下であればシリコン基板の表面を荒らすことがない。６０℃以上９０℃以下であることがより好ましい。
【００４７】
フッ化アンモニウム溶液は、市販のステラケミファ社製の４０重量％の濃度のものを用いた。フッ化アンモニウム溶液の濃度は、上限は溶解度により決められるが、３０重量％以上であれば平坦性に問題はなかった。
【００４８】
シリコン基板の回転数は特に平坦性への影響はないが、１００ｒｐｍ以上１０００ｒｐｍ以下であることが好ましい。１０００ｒｐｍ以下であれば、薬液のシリコン基板へのあたりが強くなりすぎ平坦性を乱すことも、フッ化アンモニウム溶液が装置の外に飛び出すこともなかった。１００ｒｐｍ以上であればシリコン基板へ常に新鮮な良く液が供給されシリコン基板の平坦化が行われ、且つ、フッ化アンモニウム溶液がシリコン基板の裏面に回り込むこともなかった。
【００４９】
ノズルが固定されていると、フッ化アンモニウム薬液が基板の特定の箇所に当たるため基板表面の平坦性にバラつきが生じるので移動させておくことが好ましく、フッ化アンモニウム溶液の供給量、基板の寸法で移動速度の最適値は異なるが、通常２ｃｍ／秒から５ｃｍ／秒の速度で移動しておけば平坦性にばらつきは生じなかった。
【００５０】
薬液は、スプレー方式・垂れ流し方式のいずれを用いても同様な結果が得られた。
【００５１】
なお薬液処理時間は、図６に示すように１２０秒以上で最大の平坦化効果が得られた。
【００５２】
枚葉式ＷＥＴ装置を使うことで、選択的にＳｉ基板表面のみの薬液処理が可能となり、シリコン基板裏面の多結晶シリコンがフッ化アンモニウム溶液によりエッチングされ凹凸が形成されることがなかった。
【００５３】
シリコン基板裏面に凹凸が形成されると、次工程のパターンニングフォトレジスト工程で、パターンの形成不良の原因となるため、ウェハ裏面に凹凸が形成されることは避けなければならない。
【００５４】
高温のフッ化アンモニウムはＳｉ原子配列を整える作用があり、本発明は基本的にこの原理を利用している。浸漬式ＷＥＴ装置でも表面凹凸平坦化効果は得られるが、本発明のように、シリコン基板表面に常に新鮮なフッ化アンモニウム溶液を供給することで、図１に示すように、平均二乗荒さが０．１０ｎｍとなり、従来の浸漬法に比べて３０％良好な平坦性が得られた。
【００５５】
尚、Ｓｉ基板表面の荒さは、原子間力顕微鏡（ＡＭＦ）を用いて測定を行った。
【００５６】
本発明の枚葉型ＷＥＴ装置の場合、直径２０ｃｍのＳｉ基板を用いた場合でも３０ｃｍのＳｉ基板の場合でも同様な平坦性が得られた。
【００５７】
浸漬式ＷＥＴ装置では薬液の対流が少ないため、どうしても微小な気泡（マイクロバブル）などにより、フッ化アンモニウムによるＳｉ原子配列を整える作用を阻害する要因が除去しきれない。これに対し本発明のように、シリコン基板表面に常に新鮮なフッ化アンモニウム溶液を供給することでより高い平坦性が得られる。さらに純水によるリンスに関しても、浸積式に比較すると短時間で且つ均一に薬液除去が可能であり、フッ化アンモニウムのＳｉ原子配列整列作用を均一に終了させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】従来の浸漬方式と発明の枚葉方式の平均二乗荒さを比較する図。
【図２】実施例１の製造工程を示す断面図。
【図３】実施例２の製造工程を示す断面図。
【図４】実施例３の製造工程を示す断面図。
【図５】発明の枚葉式ＷＥＴ製造装置の概略図。
【図６】薬液処理時間と平均二乗荒さとの関係を示す図。
【符号の説明】
【００５９】
０１  Ｓｉ基板
０２  ＳｉＮ
０３  素子分離溝
０４  素子分離膜
０５  ゲート酸化膜
０６  ゲート
【図１】
2005228965.tif 000002
【図２】
2005228965.tif 000003
【図３】
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【図４】
2005228965.tif 000005
【図５】
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【図６】
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