(57)【要約】      （修正有）【課題】複合シリコン／バリア層／金属膜によって電極及び及び相互接続を形成するにあたり、高抵抗金属シリサイド膜を形成する可能性があるシリコン膜と金属膜との間での拡散及び相互作用を防止し，複合膜が高抵抗となることを防ぐ方法を提供する。【解決手段】複合膜を選択的に酸化する方法で有って、下側のシリコン膜と、バリア層と、バリア層上の上側金属膜とを備えた複合膜を有する基板を反応チャンバ内に配置し、その後、反応チャンバ内に不活性ガスを供給し、反応チャンバ内に不活性環境を形成する。その後、その不活性環境下で、基板の温度を第１の温度から第２の温度に高める、即ち、昇温する。基板の温度を第２の温度まで昇温した後、シリコンを酸化するが金属を酸化しない環境下で基板上の複合膜を選択的に酸化する事により、課題が克服される。【選択図】図３
2012094879.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合膜を選択的に酸化するための方法であって、
下側シリコン膜と、バリア層と、バリア層上の上側金属膜とを備えた複合膜を有する基板を配置し、
チャンバ内に不活性ガスを流して、前記チャンバ内に不活性環境を形成し、
前記チャンバ内に前記不活性ガスを流している間に、前記基板の温度を、第１の温度から第２の温度まで上昇させ、
前記基板の温度を前記第２の温度まで上昇させた後、前記シリコン膜を酸化し且つ前記金属膜を酸化しない酸化環境に前記基板を晒す方法。
【請求項２】
前記酸化環境がＨ2Ｏを含む請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記Ｈ2Ｏは、前記チャンバ内でＨ2とＯ2とを反応させることによって形成される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記第１の温度が１００℃よりも低い請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記第２の温度が８００℃よりも高い請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記不活性ガスが窒素（Ｎ2）である請求項１に記載の方法。
【請求項７】
複合電極を選択的酸化する方法であって、
下側ポリシリコン膜と、ポリシリコン膜上のタングステンナイトライドバリア層と、タングステンナイトライドバリア層上のタングステン膜とを備えた電極を有する基板を反応チャンバ内に配置し、
前記チャンバ内に不活性ガスを供給して、前記チャンバ内に不活性環境を形成し、
前記チャンバ内に前記不活性ガスを供給している間に、前記基板の温度を、第１の温度から第２の温度まで上昇させ、
前記基板の温度を前記第２の温度まで上昇させた後、前記複合電極を選択的に酸化する酸化環境を前記チャンバ内に形成する方法。
【請求項８】
前記第２の温度が８００℃以上である請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記第２の温度が９５０℃〜１１００℃である請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の温度が１００℃よりも低い請求項７に記載の方法。
【請求項１１】
前記第１の温度が室温〜１００℃である請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記不活性ガスが窒素（Ｎ2）である請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記不活性ガスがアルゴン（Ａｒ）である請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記不活性ガスがヘリウム（Ｈｅ）である請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記不活性ガスがキセノン（Ｘｅ）である請求項７に記載の方法。
【請求項１６】
前記選択的酸化がＨ2／Ｈ2Ｏ環境で生じる請求項７に記載の方法。
【請求項１７】
前記Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境は、前記酸化中において２０％以下のＨ2Ｏを含む請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境は、分子パーセントが２．５〜１０％のＯ2及び９７．５〜９０％のＨ2を前記チャンバ内に流して、前記Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境を形成するべく前記Ｈ2とＯ2とを前記チャンバ内で反応させることによって形成される請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境が前記チャンバの外側で形成される請求項１６に記載の方法。
【請求項２０】
電極を選択的に酸化する方法であって、
下側ポリシリコン膜と、ポリシリコン膜上のタングステンナイトライドバリア層と、タングステンナイトライドバリア層上のタングステン膜とを備えた電極を有する基板を反応チャンバ内に配置し、
前記チャンバ内に窒素（Ｎ2）ガスを供給しながら、前記基板の温度を、１００℃よりも低い第１の温度から８００℃よりも高い第２の温度まで上昇させ、
前記基板の温度を前記第２の温度まで上昇させた後、Ｈ2及びＯ2を前記チャンバ内に供給して、前記Ｈ2及びＯ2を前記チャンバ内で反応させることにより、Ｈ2及びＨ2Ｏから成る酸化環境であって５〜２０％のＨ２Ｏと９５〜８０％のＨ2とから成る酸化環境を形成する方法。
【請求項２１】
前記不活性ガスがキセノン（Ｘｅ）である請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
１．発明の分野 本発明は、半導体製造分野に関し、特に、複合シリコン／金属膜の選択的酸化のための方法及び装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
２．関連技術の説明 マイクロプロセッサ及びメモリ等の現代の集積回路の製造においては、シリコン膜上に含まれる金属膜を酸化することなくシリコン膜を表面安定化処理する即ち酸化するために、選択的酸化プロセスが使用される。例えば、複合シリコン／バリア層／金属膜によって電極及び及び相互接続を形成することができる。バリア層の目的は、高抵抗金属シリサイド膜を形成する可能性があるシリコン膜と金属膜との間での拡散及び相互作用を防止することである。残念ながら、金属上ではなくシリコン膜上に酸化物を形成するために使用される水素濃度が高い（Ｈ2が８０％を越える）Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境といった何らかの選択的酸化プロセス中においては、バリア層がＨ2によって攻撃されることにより一体性が損なわれ、望ましくない金属シリサイドが形成されるため、複合膜が高抵抗となる可能性がある。
【０００３】
従って、バリア層の一体性に影響を与えることなく、水素濃度が高いＨ2／Ｈ2Ｏ環境で複合膜を選択的に酸化する方法が望ましい。
【発明の概要】
【０００４】
複合膜を選択的に酸化する方法。本発明においては、下側のシリコン膜と、バリア層と、バリア層上の上側金属膜とを備えた複合膜を有する基板が反応チャンバ内に配置される。その後、反応チャンバ内に不活性ガスが供給されて、反応チャンバ内に不活性環境が形成される。その後、不活性環境で、基板の温度が第１の温度から第２の温度まで高められ、即ち、上昇される。基板の温度が第２の温度まで上昇された後、シリコンを酸化するが金属を酸化しない環境に基板が晒される。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】本発明の選択的酸化プロセスを実施することができる急速熱加熱装置の図である。
【図２】図１の急速熱加熱装置の光源の配置図である。
【図３】複合膜を選択的に酸化する本発明に係る方法を示すフローチャートである。
【図４】図４Ａは、本発明の選択的酸化プロセス前の半導体ウェーハ基板の断面図である。図４Ｂは、不活性環境で基板の温度を選択的酸化温度まで上昇させた後における図４Ａの基板を示す断面図である。図４Ｃは、本発明の選択的酸化プロセス後における図４Ｃの基板を示す断面図である。図４Ｄは、図４Ｃの基板におけるソース／ドレン領域の形成を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
本発明の詳細な説明
本発明は、シリコン／金属電極の選択的酸化中にバリア層のバリア質を向上させるための新規な方法及び装置について説明する。以下の説明では、本発明を十分に理解できるように、装置構成等の特定の内容及び時間や温度等のプロセスの詳細を述べる。当業者であれば、本発明の範囲から逸脱することなく、開示された内容に代わる他の構成やプロセスを使用することができる。なお、本発明が不必要にあいまいにならないように、良く知られた半導体処理装置及び技術については詳しく説明していない。
【０００７】
本発明は、シリコン／金属複合電極の選択的酸化における新規な方法について説明する。本発明において、複合電極を有する基板は、反応チャンバ内に配置される。本発明の実施例において、複合電極は、下側ポリシリコン膜と、ポリシリコン膜上に形成されたタングステンナイトライドバリア層と、タングステンナイトライドバリア上に配置されたタングステン膜とを有している。その後、Ｎ2等の不活性ガスが反応チャンバ内に供給され、反応チャンバ内に不活性環境が形成される。その後、基板の温度が１００℃を下回る温度から８００℃を越える第２の高い酸化温度まで上昇される。温度上昇中に不活性ガスが流入することにより、バリア層の質及び性能を向上させる昇温中にタングステンナイトライドバリア層が改質される。酸化温度に達すると、不活性ガスに代えて、水素（Ｈ2）と酸素（Ｏ2）との混合ガスである選択的酸化プロセスガスが流入される。水素ガス及び酸素ガスが反応チャンバ内に流入すると、加熱された基板によって、水素と酸素とが反応し、反応チャンバ内に蒸気（Ｈ2Ｏ）相が形成される。Ｈ2ガス及びＯ2ガスは、タングステン膜又はタングステンナイトライドバリアを酸化することなく電極の下側シリコン部分を選択的に酸化することができるＨ2／Ｈ2Ｏ環境を形成するような割合で反応チャンバ内に供給される。タングステンナイトライドバリア層が昇温中に改質されるため、選択的酸化プロセスでは、Ｈ2濃度が高い環境（Ｈ2の割合が８０％以上）を含む任意のＨ2／Ｈ2Ｏ環境を使用することができる。また、８００℃以上の適当な高い酸化温度に達するまでＨ2及びＯ2が反応チャンバ内に供給されないため、任意のＨ2／Ｈ2Ｏ環境を形成しても選択的酸化を行なうことができる。
【０００８】
本発明の選択的酸化プロセスは、アプライドマテリアル社のハニカム源を有するＲＴＰセンタラに限定されないが、そのような急速熱加熱装置内で実行されることが好ましい。他の適した急速熱加熱装置及びその動作方法は、本出願の譲受人に譲渡された米国特許第５，１５５，３３６号に記載されている。また、本発明の選択的酸化プロセスは急速熱加熱装置内で実行されることが好ましいが、エピタキシャルシリコン、ポリシリコン酸化物及び窒化物等の高温膜（ＨＴＦ）を形成するために使用されるアプライドマテリアル社のエピ又はポリセンタラシングルウェーハ“コールド・ウォール”反応装置等の他のタイプの熱反応装置を使用しても良い。
【０００９】
図１及び図２は、本発明の選択的酸化プロセスを実行するために使用できる急速熱加熱装置１００を示している。図１に示される急速熱加熱装置１００は、側壁１４及び底壁１５によって囲まれた真空処理チャンバ１３を有している。側壁１４及び底壁１５は、ステンレススチールによって形成されていることが好ましい。真空処理チャンバ１３の側壁１４の上部は、“Ｏ”リング１６によりウィンド・アセンブリ１７に対してシールされている。ウィンド・アセンブリ１７上には放射エネルギ光パイプアセンブリ１８が連結して配置されている。放射エネルギアセンブリ１８は、例えばシルバニアＥＹＴランプ等の複数のタングステンハロゲンランプ１９を有している。これらの各ランプは、ステンレススチール、真鍮、アルミニウム、他の金属であっても良い光パイプ２１内に挿入して装着されている。
【００１０】
基板即ちウェーハ６１の縁部は、サイドチャンバ１３内で、シリコンカーバイドから成る支持リング６２により支持されている。支持リング６２は、回転可能な石英シリンダ６３上に装着されている。石英シリンダ６３を回転させることにより、支持リング６２及びウェーハ６１を回転させることができる。別のシリコンカーバイドアダプタリングを使用して、様々な直径（例えば、１５０ｍｍ、２００ｍｍ）のウェーハを処理できるようにしても良い。支持リング６２の外縁は、ウェーハ６１の外径から２インチに満たない距離で延びていることが好ましい。真空処理チャンバ１３の容積は約２リットルである。
【００１１】
装置１００の底壁１５は、ウェーハ６１の裏面に向けてエネルギを反射するための金メッキされた上面１１を有している。また、急速熱加熱装置１００は複数の光ファイバプローブ７０を有している。これらの光ファイバプローブ７０は、装置１００の底壁１５を貫通して位置しており、底面にわたる複数の場所でウェーハ６１の温度を検出する。シリコンウェーハ６１の裏面と反射面１１との間での反射は、温度測定をウェーハの裏面での放射率に依存させないようにすることにより正確な温度測定能を与える黒体キャビティを形成する。
【００１２】
様々な処理工程をチャンバ１３内で実行できるように、急速熱加熱装置１００は、側壁１４を貫通して形成され且つプロセスガスをチャンバ１３内に導入するためのガス吸入口６９を有している。ガス吸入口６９には、Ｏ2等の酸素含有ガスタンク等のガス源と、Ｎ2等の窒素含有ガスタンク等のガス源とが連結されている。ガス吸入口６９の反対側には、ガス排気口６８が側壁１４に位置されている。チャンバ１３からプロセスガスを排気してチャンバ１３内を減圧するために、ガス排気口６８はポンプ等の真空源に連結されている。真空源は、処理中にプロセスガスがチャンバ内に連続的に供給されている間、所望の圧力を維持する。
【００１３】
ランプ１９は、ランプ外囲体の軸と平行な軸を有するコイルのようなフィラメント巻線を有している。大部分の光は、周囲の光パイプの壁に向って軸に対して垂直に放射される。光パイプの長さは、対応するランプの長さと少なくとも同じ長さに選択される。ウェーハに達するパワーが反射の増大によって実質的に減じられない場合には、光パイプが更に長くても良い。光アセンブリ１８は、六角形の配列又は図２に示されるような“ハニカム形状”で位置された１８７個のランプを有していることが好ましい。ランプ１９は、ウェーハ６１及び支持リング６２の表面領域の全体を十分に覆うように配置される。ランプ１９は、ウェーハ６１を極めて均一に加熱するべく個別に制御可能な複数の領域にグループ化されている。加熱パイプ２１は、様々な加熱パイプ間に水等の冷却剤を流すことによって冷却することができる。複数の光パイプ２１及び対応するランプ１９を備えた放射エネルギ源１８により、石英ウィンドを使用すると、真空処理チャンバ内で基板を加熱するための光ポートを形成することができる。
【００１４】
ウィンド・アセンブリ１７は複数の短い光パイプ４１を有している。これらの光パイプ４１は上／下のフランジプレートに蝋付けされており、上／下のフランジプレートの外縁は外壁４４に対してシールされている。光パイプ４１及びフランジを冷却できるように、光パイプ４１間の空間内に水等の冷却剤を導入しても良い。光パイプ４１は、発光体の光パイプ２１と位置合わせされている。ランプハウジングと位置合わせされる光パイプパターンを有する水冷却フランジは、２つの石英プレート４７，４８間に挟まれている。これらのプレートは、フランジの外周近傍で、“Ｏ”リング４９，５１を用いてフランジに対してシールされている。上下のフランジプレートは、光パイプ同士を繋ぐ溝を有している。光パイプ４１のうちの１つに接続されたチューブ５３を通じて吸引することにより、複数の光パイプ４１内に真空を形成することができる。この場合、チューブ５３に接続された１つの光パイプ４１は、フランジの表面に形成された非常に小さな凹部即ち溝により、残りの光パイプ４１に接続される。このように、真空チャンバ１３上にサンドイッチ構造が配置されると、一般にステンレススチールから成り且つ優れた機械的強度を有する金属フランジは、十分な構造的支持を与える。実際に真空チャンバをシールする下側の石英ウィンド４８は、両側で真空引きされるため、圧力差が殆ど無く或は全く無く、そのため、非常に薄く形成することができる。ウィンド・アセンブリ１７におけるアダプタプレートの概念により、石英ウィンドをクリーニング又は解析のために簡単に交換することができる。また、ウィンド・アセンブリの石英ウィンド４７，４８間の真空度により、反応チャンバから逃げる有毒ガスに対する保護が更に与えられる。
【００１５】
急速熱加熱装置１００は、ウェーハ６１又は基板の温度を２５〜１００℃／秒の割合で上昇させることができる枚葉式の反応チャンバである。急速熱加熱装置１００は、酸化プロセス中におけるウェーハの温度がチャンバの側壁１４の温度を上回る少なくとも４００℃となることから、“コールド・ウォール”反応チャンバと呼ばれている。側壁１４や底壁１５を通じて加熱／冷却流体を循環させて、これらの壁を所望の温度に維持することができる。蒸気形成を利用する選択的蒸気酸化プロセスの場合、凝結を防止するため、チャンバ壁１４，１５は、室温（２３℃）を上回る温度に維持される。急速熱加熱装置１００は、ロボットアームを有するロードロック搬送チャンバを含む“クラスターツール”の一部として構成されることが好ましい。
【００１６】
本発明に係る複合シリコン／金属膜堆積物を選択的に酸化する方法が図３のフローチャート３００に示されている。図１及び図２に示される急速熱加熱装置での選択的酸化について、本発明の方法を説明する。また、図４Ａに示されるシリコンウェーハ６１の複合シリコン／タングステンタイトライド／タングステンゲート電極４０２及びシリコン基板４０６の選択的蒸気酸化又は表面安定化処理について、本発明の酸化プロセスを説明する。
【００１７】
フローチャート３００のブロック３０２に示された本発明に係るこの第１のステップは、シリコン／バリア層／金属複合膜堆積物を有する基板ウェーハを装置１００の真空チャンバ１３内に移動させることである。図４Ａは、シリコン酸化物又は酸窒化物等のゲート絶縁層４０４上に形成された複合ゲート電極４０２を示している。この場合、ゲート絶縁層４０４はドープシリコン基板４０６上に形成されている。図４Ａに示されるように、複合ゲート堆積物４０２は、ゲート絶縁層４０４上に形成された下側の多結晶シリコン膜４０８と、下側ポリシリコン層４０８上に配置されたタングステンナイトライド（ＷＮｘ）バリア層４１０と、タングステンナイトライドバリア層４１０上に配置されたタングステン金属層４１２とを有している。タングステン金属層４１２の目的は、低抵抗膜を形成して複合ゲート電極４０２の全抵抗を低減することである。タングステンナイトライド（ＷＮｘ）バリア層４１０の目的は、高温処理中にシリコン膜４０４とタングステン膜４１０との間の相互作用を防止し、タングステン膜がシリコン膜と反応して望ましくない高抵抗（ＷＳｉｘ）膜を形成しないようにすることである。
【００１８】
複合ゲート電極４０２は、まず最初に、化学蒸着（ＣＶＤ）法や物理的気相成長（ＰＶＤ）法等の良く知られた技術によって、アモルファス又は多結晶シリコン膜をゲート絶縁層４０４上に２００〜８００Åの厚さで全面的に堆積させることにより形成することができる。シリコン膜は、ドーピングされなくても良いが、１×１０19atom/cm3よりも高い濃度レベルでドープされることが好ましい。シリコン膜は、その場で（即ち、シリコン膜の堆積中に）ドーピングされても良く、或は、堆積後に例えばイオン注入によってドーピングされても良い。次に、ＰＶＤやＣＶＤ等の良く知られた技術により、タングステンナイトライドバリア層をシリコン膜４０８上に全面的に堆積させることができる。タングステンナイトライドバリア層は、複合電極４０２の抵抗に悪影響を与えないように１００Åを下回るできる限り薄い厚さで形成されることが好ましいが、シリコン膜４０８とその後に堆積されるタングステン膜４１２との間の相互作用を十分に防止できる厚さで形成される。厚さが２５〜７５Å、好ましくは５０Åであるタングステンナイトライドバリアが適していることが分かった。次に、ＰＶＤやＣＶＤ等の任意の良く知られた技術により、タングステン膜がタングステンナイトライドバリア４１０上にわたって全面的に２００〜７００Åの厚さで堆積される。全面的に堆積されたシリコン膜、タングステンナイトライド膜、タングステン膜は、その後、良く知られたフォトリソグラフィと、反応性イオンエッチング又はプラズマエッチングに限定されないがこれらのエッチングを含むエッチング技術とを使用して、ゲート電極を形成するべくパターン化される。
【００１９】
本発明の選択的酸化プロセスは、図４Ａに示されるポリシリコン／タングステンナイトライド／タングステンゲート電極堆積物４０２を選択的に酸化するのに理想的には適しているが、本発明は、他の複合シリコン／バリアメタル／金属膜堆積物を選択的に酸化する場合にも等しく使用することができることは言うまでもない。例えば、バリアメタル４１０はタングステンナイトライド（ＷＮｘ）であることが好ましいが、窒化チタン（ＴｉＮ）（これに限定されない）等の他の適当なバリアメタルを使用しても良い。同様に、金属層４１０はタングステン（Ｗ）であることが好ましいが、コバルト（Ｃｏ）やチタン（Ｔｉ）（これらに限定されない）等の他の金属層を使用しても良い。更にまた、複合膜は、ゲート電極を形成するために必ずしも使用する必要はないが、コンデンサ電極及び相互接続（これらに限定されない）等の他のデバイス形態を形成するために使用することができる。
【００２０】
次に、フローチャート３００のブロック３０４に示されるように、チャンバ１３が不活性環境で満たされ、基板の温度が室温に略等しい搬送温度から８００〜１１００℃の選択的酸化温度まで上昇される。昇温中、窒素（Ｎ2）、ヘリウム（Ｈｅ）、アルゴン（Ａｒ）、キセノン（Ｘｅ）等の不活性ガスだけがチャンバ１３内に供給され、不活性環境のみが昇温中に形成される。不活性ガスは、昇温中に金属層４１２と反応しないガスである。本発明において、昇温速度、不活性ガス流量、チャンバ圧のプロセスパラメータは、不活性ガス昇温中にバリア層４１０が十分に改質されて図４Ｂに示されるような改質バリア層４１４が形成されるように制御される。改質バリア層４１４は、金属膜４１２とシリコン膜４０８との間での拡散及び反応を防止できるバリア特性が向上したバリアである。
【００２１】
本発明の不活性昇温の実施例において、ウェーハ６１は、１００℃を下回る温度、好ましくは室温〜１００℃の温度でチャンバ１３内に搬送される。その後、ランプ１９に電力を供給してウェーハ６１及びシリコンカーバイドリング６２を照射することにより、ウェーハ６１（及びシリコンカーバイド６２）の温度は、少なくとも８００℃、好ましくは９５０℃〜１１００℃の選択的酸化温度まで上昇される。ウェーハの温度は２５〜７５℃／秒の速度で上昇される。昇温中、チャンバ１３内の全圧が５０〜２５０torr、好ましくは１００torrに維持された状態で、２〜１０ＳＬＭ（標準リットル／分）の流量で窒素ガス（Ｎ2）がチャンバ１３内に供給される。チャンバ１３内への不活性ガスの流入は、選択的酸化が生じる温度に達するまで続けられる。このようなプロセスによって、バリア層４１０が十分に改質し、タングステンナイトライド（ＷＮ）バリアの場合、このバリアがタングステンナイトライドシリコン膜４１４に変化する。
【００２２】
次に、フローチャート３００のブロック３０６に示されるように、所望の選択的酸化温度に達した時点で、図４Ｃに示されるような複合ゲート電極を選択的に酸化する（即ち、金属膜４１２及び改質バリア層４１４を酸化することなくシリコン膜４０８及び基板４０６を酸化する）ことができる環境を形成するべく、直ちに不活性ガス流が切換えられる。本発明の実施例において、選択的酸化は、チャンバ１３内にＨ2／Ｈ2Ｏ環境を形成又は供給することにより生じる。本発明の実施例において、選択的酸化は、水素濃度が濃くＨ2Ｏが低い環境で生じる。好ましい実施例において、選択的酸化環境は、Ｈ2Ｏが２０％以下（理想的には、５〜２０％Ｈ2Ｏ）で且つ残りがＨ2（理想的には、８０〜９５％Ｈ2）である。本発明の実施例において、選択的酸化環境は、Ｈ2及びＨ2Ｏのみから成る。
【００２３】
本発明の実施例において、Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境は、“現位置蒸気形成（in-situ steam generation）”（ＩＳＳＧ）プロセスによって形成される。現位置蒸気形成プロセスにおいては、Ｈ2に限定されないがＨ2等の水素含有ガスとＯ2に限定されないがＯ2等の酸素含有ガスとを含む酸化プロセス混合ガスが、チャンバ１３内に供給される。この場合、ウェーハ６１及びシリコンカーバイドリング６２からの熱によって、水素含有ガスと酸素含有ガスとが反応して、湿気即ち蒸気（Ｈ2Ｏ）が形成される。水素（Ｈ2）が好ましい水素含有ガスであるが、ＮＨ3等の他の水素含有ガスを使用することができる。同様に、酸素（Ｏ2）が好ましい酸素含有ガスであるが、Ｎ2Ｏ等の他の酸素含有ガスを必要に応じて使用しても良い。
【００２４】
急速熱加熱装置１００は“コールド・ウォール”反応装置であるため、チャンバ１３内において反応を開始する十分熱い表面は、ウェーハ６１及び支持リング６２だけである。従って、本発明において、蒸気形成反応は、ウェーハ６１の表面から約１ｃｍの場所で生じる。装置１００内で、蒸気形成反応は、ウェーハの約２インチ内即ち支持リング６２がウェーハ６１の外縁を通り過ぎて延びる範囲にほぼ制限される。蒸気形成反応を開始する又はＯＮするのはウェーハ（及び支持リング）の温度であるため、蒸気形成反応は、ウェーハ６１（及び支持リング６２）の温度によって熱的に制御されると言える。また、本発明の蒸気形成反応は、ウェーハの加熱された表面が反応を生じさせるために必要であるが水蒸気形成反応において消耗されないことから、“表面触媒作用”と言われる。
【００２５】
好ましい８０〜９５％Ｈ2／２０〜５％Ｈ2Ｏ環境は、Ｏ2が２．５〜１０分子パーセントで且つ残りがＨ2（即ち、９７．５〜９０分子パーセントＨ2）となる濃度比率の酸化プロセス混合ガスを供給することによりＩＳＳＧで形成することができる。チャンバ１３内の全圧を５０〜２５０torr、好ましくは１００torrに維持しながら、所望の濃度のＨ2及びＯ2から成る酸化プロセス混合ガスを５〜２０ＳＬＭの流量でチャンバ１３内に供給することにより、適した環境を形成することができる。選択的酸化中、ウェーハ６１の温度は、８００℃を上回る温度、好ましくは９５０〜１１００℃に維持される。
【００２６】
ＩＳＳＧを使用する本発明の実施例においては、Ｏ2の流れを開始する前に、僅かな量のＨ2がチャンバ１３内に流出し、これにより、Ｏ2とＨ2との初期反応中において、Ｈ2と共に存在するＯ2は殆どなくなる。初期反応中においてＨ2中におけるＯ2の初期の濃度を非常に低く維持することにより、チャンバ１３内で酸化プロセスガス全体が自然発火することを防止することができる。反応が開始され、既存の酸化プロセスガスが使い果されると、濃度比率を所望のレベルまで増大させることができる。このようにして、反応の開始に利用できる燃料の量が少なく維持され、安全な作動状態が確保される。
【００２７】
湿った環境を形成するために現位置蒸気形成プロセスを使用する他の実施例においては、外位置（ex-situ）プロセスを使用することができる。外位置プロセスにおいては、例えばpryogenicトーチによって、所望の濃度のＨ2／Ｈ2Ｏ環境がチャンバ１３の外側で形成される。その後、外側で形成されたＨ2／Ｈ2Ｏ環境をチャンバ１３内に供給することができる。燃焼性が高い蒸気（Ｈ2Ｏ）形成反応がチャンバ１３の外側で生じるため、チャンバ１３内での選択的酸化プロセスが大気圧で生じ得る。大気圧での選択的酸化プロセスは、酸化速度が減圧時よりも高いため、望ましい。また、選択的酸化プロセスが外位置形成された湿気環境を大気圧で使用する場合、不活性昇温も大気圧で生じることが好ましい。選択的酸化が起きる圧力と同じ圧力で不活性昇温を行なうことが望ましいことは言うまでもない。
【００２８】
圧力、プロセスガス流量、ウェーハ温度は、図４Ｃに示される複合膜堆積物を湿気環境によって選択的に酸化することができる十分な時間の間、一定に保たれる。プロセス時間、温度、プロセスガスの濃度は、一般に、形成される酸化膜４１６の厚さに影響を与える。ウェーハ６１は、一般に、３０〜１２０秒間、選択的酸化温度に保持される。図４Ｃに示されるように、Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境は、シリコン電極４０８の側壁及びシリコン基板４０６の表面を酸化して、その上にシリコン酸化膜４１６を成長させる。しかしながら、この環境は、タングステン金属膜４１２及び改質タングステン金属ナイトライドバリア層４１４を酸化しない。シリコン膜４０８及び基板４０６の酸化の目的は、バードビーク４１８（即ち、ゲート電極の縁部の僅かに厚いゲート酸化層）を形成して、エッジ効果を取り除き、その後に形成されるＭＯＳトランジスタの電気的特性を向上させることである。また、選択的酸化は、シリコン基板４０６の欠点を矯正する。基板４０６の矯正が難しくなるソース／ドレンイオン注入工程の前にシリコン基板４０６の欠点を矯正することは有益である。選択的酸化は、金属膜４１２及びバリア層４１４の酸化を防止するために必要である。仮に金属膜４１２及びバリア層４１４が酸化されると、形成されたゲート電極の抵抗が大きくなり、形成されるトランジスタの性能に悪影響が及ぶ。厚さが２０〜１００Åのシリコン酸化膜４１６を成長させることが望ましいことが分かった。
【００２９】
タングステンナイトライドバリア層は、選択的酸化プロセス温度までの昇温中に不活性環境で改質されるため、水素濃度が高い（即ち、８０％を越えるＨ2濃度）Ｈ2／Ｈ2Ｏ環境に晒されてもそれに耐えることができ、破壊されることがない。バリア層は、改質されない場合、水素濃度が高い環境に晒されると、破壊されて、シリコン膜４０８とタングステン膜４１２との間の望ましくない反応を引き起こし、望ましくないタングステンシリサイドを形成して、抵抗を増大させるとともに、性能を低下させる。本発明のように昇温中にバリア層を改質することにより、バリア層を破壊することなく、Ｈ2だけのアニールを含む任意のＨ2／Ｈ2Ｏ環境を使用することができる。また、選択的酸化プロセスのため、昇温中にタングステンナイトライド膜を改質することにより、バリア膜の別個のアニールが不要となり、これにより、最小限の熱量で選択的酸化プロセスを行なうことができる。
【００３０】
十分に厚い酸化物４１６がシリコン膜４０８及び基板４０６上に形成されると、チャンバ１３内への酸化プロセスガスの流入を停止して、ウェーハ６１の温度を下げることにより、選択的酸化プロセスが停止される。この時点で、本発明の選択的酸化プロセスが完了する。良く知られた半導体製造プロセスを使用して、ＭＯＳトランジスタの形成を完了することができる。例えば、良く知られたイオン注入及びスペーサ技術を使用して、図４Ｄに示されるようなソース／ドレン領域４２０を形成することができる。
【００３１】
以上、シリコン／金属複合膜の選択的酸化のための方法及び装置について説明した。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【外国語明細書】
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