JP2000021781A - Manufacture of semiconductor device - Google Patents
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置の製造
方法に係わり、特に多結晶シリコン膜の表面に形成され
た自然酸化膜等の酸化膜の除去方法に特徴がある半導体
装置の製造方法に関する。The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device, and more particularly to a method for manufacturing a semiconductor device characterized by a method for removing an oxide film such as a natural oxide film formed on the surface of a polycrystalline silicon film. .
【０００２】[0002]
【従来の技術】シリコン半導体プロセスにおいては、シ
リコン基板上にシリコン膜を堆積し、これらの間の電気
的接続を行う工程が必要とされている。このとき、シリ
コン基板とシリコン膜との界面（Ｓｉ／Ｓｉ界面）にお
ける接触抵抗を低く保つためには、シリコン膜の堆積前
にシリコン基板の表面に形成された自然酸化膜を十分に
除去しておく必要がある。2. Description of the Related Art In a silicon semiconductor process, a step of depositing a silicon film on a silicon substrate and making an electrical connection therebetween is required. At this time, in order to keep the contact resistance at the interface between the silicon substrate and the silicon film (Si / Si interface) low, the natural oxide film formed on the surface of the silicon substrate before the deposition of the silicon film is sufficiently removed. Need to be kept.
【０００３】これまでは、弗酸などによりシリコン基板
表面の自然酸化膜を除去し、速やかにシリコン膜を堆積
するといった方法で、Ｓｉ／Ｓｉ界面の酸化膜量の増加
をできるだけ抑える試みがなされてきた。Hitherto, attempts have been made to minimize the increase in the amount of oxide film at the Si / Si interface by removing the natural oxide film on the silicon substrate surface with hydrofluoric acid or the like and quickly depositing the silicon film. Was.
【０００４】しかしながら、この方法では、弗酸処理後
からシリコン膜の堆積までの間における自然酸化膜の形
成は避けられず、近年の素子の微細化に伴うＳｉ／Ｓｉ
界面の酸化膜量の低減化の要求には応えられなくなって
きている。また、自然酸化膜の存在は、後工程でのＲＩ
Ｅ（Reactive Ion Etching）などによる加工工程におけ
る障害ともなっている。However, in this method, formation of a natural oxide film from the hydrofluoric acid treatment to the deposition of the silicon film is unavoidable, and the Si / Si film accompanying the recent miniaturization of the device is inevitable.
It has become impossible to meet the demand for reducing the amount of oxide film at the interface. In addition, the presence of a natural oxide film is
It also becomes an obstacle in the processing process by E (Reactive Ion Etching).
【０００５】この自然酸化膜を除去するための手法とし
て提案されているのが、シリコン膜の堆積を行うのと同
じ真空容器内における、水素雰囲気中での熱処理による
自然酸化膜の還元処理である。As a technique for removing the natural oxide film, a reduction treatment of the natural oxide film by heat treatment in a hydrogen atmosphere in the same vacuum vessel as that for depositing the silicon film has been proposed. .
【０００６】この方法により、シリコン基板表面の自然
酸化膜の剥離工程とシリコン酸化膜の堆積工程を真空連
続的に行うことができ、Ｓｉ／Ｓｉ界面の自然酸化膜の
形成を完全に防止できる。According to this method, the step of removing the natural oxide film on the surface of the silicon substrate and the step of depositing the silicon oxide film can be continuously performed in vacuum, and the formation of the natural oxide film at the Si / Si interface can be completely prevented.
【０００７】ここで、水素雰囲気中での熱処理は、同時
にシリコン基板表面のシリコンのマイグレーションを起
こり易くしてしまうが、シリコン基板は単結晶であるた
め、シリコン基板の形状劣化は起こらない。Here, the heat treatment in a hydrogen atmosphere simultaneously facilitates the migration of silicon on the surface of the silicon substrate, but since the silicon substrate is a single crystal, the shape of the silicon substrate does not deteriorate.
【０００８】しかしながら、例えば図６（ａ）に示すよ
うに、シリコン基板８１上に多結晶シリコン膜８２が形
成されている場合に、水素雰囲気中での熱処理による自
然酸化膜８３の除去を行うと、図６（ｂ）に示すよう
に、シリコン基板８１および多結晶シリコン膜８２の表
面の自然酸化膜８３が除去されると同時に、多結晶シリ
コン膜８２表面のシリコンのマイグレーションによっ
て、多結晶シリコン膜８２の形状が劣化する。However, as shown in FIG. 6A, when a polycrystalline silicon film 82 is formed on a silicon substrate 81, the natural oxide film 83 is removed by heat treatment in a hydrogen atmosphere. As shown in FIG. 6B, the natural oxide film 83 on the surfaces of the silicon substrate 81 and the polycrystalline silicon film 82 is removed, and at the same time, the polycrystalline silicon film 82 is migrated by the silicon on the surface of the polycrystalline silicon film 82. The shape of 82 deteriorates.
【０００９】そのため、自然酸化膜８３の除去工程後
に、形状劣化した多結晶シリコン膜８２上にシリコン膜
等の他の導電膜を堆積すると、多結晶シリコン膜８２の
加工形状が変化してしまっているため、多結晶シリコン
膜８２と導電膜との間の接触抵抗が増加するという問題
生じる。Therefore, if another conductive film such as a silicon film is deposited on the polycrystalline silicon film 82 whose shape has been deteriorated after the step of removing the natural oxide film 83, the processed shape of the polycrystalline silicon film 82 changes. Therefore, there arises a problem that the contact resistance between the polycrystalline silicon film 82 and the conductive film increases.
【００１０】[0010]
【発明が解決しようとする課題】上述の如く、シリコン
基板表面の自然酸化膜の除去方法として、水素雰囲気中
での熱処理が提案されていたが、この熱処理の際にシリ
コン基板上に多結晶シリコン膜が形成されていると、多
結晶シリコン膜の形状が劣化するため、多結晶シリコン
膜上に導電膜を堆積するとこれらの間の接触抵抗が増大
するという問題があった。As described above, a heat treatment in a hydrogen atmosphere has been proposed as a method for removing a natural oxide film on the surface of a silicon substrate. When the film is formed, the shape of the polycrystalline silicon film is deteriorated. Therefore, when a conductive film is deposited on the polycrystalline silicon film, there is a problem that the contact resistance therebetween increases.
【００１１】本発明は、上記事情を考慮してなされたも
ので、その目的とするところは多結晶シリコン膜の形状
劣化を招くことなく、該多結晶シリコン膜の表面に形成
された酸化膜を除去でき、もって多結晶シリコン膜上に
該多結晶シリコン膜と良好なコンタクトが取れる膜を堆
積することができる半導体装置の製造方法を提供するこ
とにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to form an oxide film formed on the surface of a polycrystalline silicon film without deteriorating the shape of the polycrystalline silicon film. It is an object of the present invention to provide a method of manufacturing a semiconductor device which can be removed and which can deposit a film on the polycrystalline silicon film which can make good contact with the polycrystalline silicon film.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】［構成］上記目的を達成
するために、本発明（請求項１）に係る半導体装置の製
造方法は、シリコン基板上に多結晶シリコン膜を形成す
る工程と、所定の条件に設定された水素を主成分とする
雰囲気中での熱処理により、前記多結晶シリコン膜の表
面の酸化膜を除去する工程と、この酸化膜を除去する工
程と真空連続的に、前記多結晶シリコン膜上に絶縁膜ま
たは導電膜を形成する工程とを有することを特徴とす
る。[Means for Solving the Problems] To achieve the above object, a method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention (Claim 1) comprises a step of forming a polycrystalline silicon film on a silicon substrate; A step of removing an oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film by a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen as a main component set at a predetermined condition; and Forming an insulating film or a conductive film over the polycrystalline silicon film.
【００１３】ここで、多結晶シリコン膜はシリコン基板
の全面に形成されたものであっても良いし、あるいはパ
ターニングされたものであっても良い。また、本発明
（請求項２）に係る半導体装置の製造方法は、シリコン
基板上にアモルファスシリコン膜を形成する工程と、酸
化性雰囲気中での熱処理により、前記アモルファスシリ
コン膜を多結晶シリコン膜に変化させる工程と、所定の
条件に設定された水素を主成分とする雰囲気中での熱処
理により、前記多結晶シリコン膜の表面の酸化膜を除去
する工程と、この酸化膜を除去する工程と真空連続的
に、前記多結晶シリコン膜上に絶縁膜または導電膜を形
成する工程とを有することを特徴とする。Here, the polycrystalline silicon film may be formed on the entire surface of the silicon substrate or may be patterned. Further, in the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention (claim 2), a step of forming an amorphous silicon film on a silicon substrate and a heat treatment in an oxidizing atmosphere convert the amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film. Changing the oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film by performing a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen as a main component set to predetermined conditions, a step of removing the oxide film, and a step of vacuuming. Forming an insulating film or a conductive film on the polycrystalline silicon film continuously.
【００１４】ここで、アモルファスシリコン膜はシリコ
ン基板の全面に形成されたものであっても良いし、ある
いはパターニングされたものであっても良い。また、前
記酸化性雰囲気中での熱処理を５５０℃以上の熱処理温
度で行うことが好ましい。Here, the amorphous silicon film may be formed on the entire surface of the silicon substrate or may be patterned. Further, the heat treatment in the oxidizing atmosphere is preferably performed at a heat treatment temperature of 550 ° C. or higher.
【００１５】また、前記所定の条件は、例えば温度をＴ
（℃）、圧力をＰ（Ｔｏｒｒ）とした場合に、６００＜
Ｔ＜１１００および（Ｔ−９００）／１００＜ｌｏｇＰ
＜（Ｔ−５００）／１００の二つの不等式を同時に満た
すものである。The predetermined condition is, for example, that the temperature is T
(° C.) and P (Torr), 600 <
T <1100 and (T-900) / 100 <logP
<(T-500) / 100 are simultaneously satisfied.
【００１６】また、前記導電膜は例えばシリコン膜、酸
化膜は例えば自然酸化膜である。 ［作用］本発明者らの研究によれば、所定の条件に設定
された水素を主成分とする雰囲気中で多結晶シリコン膜
を熱処理することにより、多結晶シリコン膜の形状劣化
を招くことなく、多結晶シリコン膜の表面の酸化膜を除
去できることが分かった。The conductive film is, for example, a silicon film, and the oxide film is, for example, a natural oxide film. [Action] According to the study of the present inventors, heat treatment of a polycrystalline silicon film in an atmosphere containing hydrogen as a main component set at a predetermined condition does not cause deterioration of the shape of the polycrystalline silicon film. It was found that the oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film could be removed.
【００１７】したがって、このような知見に基づき、所
定の条件に設定された水素を主成分とする雰囲気中での
熱処理により、多結晶シリコン膜の表面の酸化膜を除去
するようにした本発明によれば、多結晶シリコン膜上に
該多結晶シリコン膜と良好なコンタクトが取れる膜を堆
積することができる。Therefore, based on such knowledge, the present invention is intended to remove an oxide film on the surface of a polycrystalline silicon film by heat treatment in an atmosphere containing hydrogen as a main component set under predetermined conditions. According to this, a film that can make good contact with the polycrystalline silicon film can be deposited on the polycrystalline silicon film.
【００１８】なお、多結晶シリコン膜がパターニングさ
れたものであれば、シリコン基板の露出面の酸化膜も同
時に除去できる。ここで、シリコン基板は通常単結晶で
あるので、シリコン基板表面の形状劣化は熱処理の条件
に係わらず通常起こらない。If the polycrystalline silicon film is patterned, the oxide film on the exposed surface of the silicon substrate can be removed at the same time. Here, since the silicon substrate is usually a single crystal, deterioration of the shape of the silicon substrate surface does not usually occur regardless of the conditions of the heat treatment.
【００１９】[0019]
【発明の実施の形態】以下、図面を参照しながら本発明
の実施の形態（以下、実施形態という）を説明する。 （第１の実施形態）図１は、本発明の第１の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。Embodiments of the present invention (hereinafter, referred to as embodiments) will be described below with reference to the drawings. (First Embodiment) FIG. 1 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention.
【００２０】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン
基板１上にシリコン酸化膜２を形成し、続いてシリコン
酸化膜２上に厚さ３０ｎｍの第１の多結晶シリコン膜３
を形成する。First, as shown in FIG. 1A, a silicon oxide film 2 is formed on a silicon substrate 1, and then a first polycrystalline silicon film 3 having a thickness of 30 nm is formed on the silicon oxide film 2.
To form
【００２１】次に図１（ｂ）に示すように、第１の多結
晶シリコン膜３をパターニングし、続いて全面にシリコ
ン酸化膜４を形成した後、このシリコン酸化膜４に接続
孔を開孔して、第１の多結晶シリコン膜３の一部を露出
させる。Next, as shown in FIG. 1B, the first polycrystalline silicon film 3 is patterned, a silicon oxide film 4 is formed on the entire surface, and a connection hole is formed in the silicon oxide film 4. A hole is made to expose a part of the first polycrystalline silicon film 3.
【００２２】次に減圧ＣＶＤ装置の成膜室内にシリコン
基板１を導入し、一旦１０Ｔｏｒｒ以下の真空度まで減
圧し、次に水素雰囲気中で圧力を６００Ｔｏｒｒまで昇
圧してから９００℃まで加熱し、次にそのまま同一成膜
室内で６００℃まで降温し、次に１００Ｔｏｒｒまで減
圧してからＳｉＨ4 を流して、図１（ｃ）に示すよう
に、第２の多結晶シリコン膜５を全面に堆積する。この
後、第２の多結晶シリコン膜５をパターニングして、図
１（ｄ）に示す構造を形成する。Next, the silicon substrate 1 is introduced into the film forming chamber of the low pressure CVD apparatus, and the pressure is once reduced to a degree of vacuum of 10 Torr or less, then the pressure is raised to 600 Torr in a hydrogen atmosphere, and then heated to 900 ° C. Next, the temperature is lowered to 600 ° C. in the same film forming chamber, and then the pressure is reduced to 100 Torr, and SiH 4 is flown to deposit a second polycrystalline silicon film 5 on the entire surface as shown in FIG. I do. Thereafter, the second polycrystalline silicon film 5 is patterned to form a structure shown in FIG.
【００２３】このようにして形成された第１の多結晶シ
リコン膜３と第２の多結晶シリコン膜５との界面（Ｓｉ
／Ｓｉ界面）における電気抵抗（contact resistivit
y ）を測定したところ、その値は１×１０-8Ωｃｍ2 以
下という十分に小さい値であり、Ｓｉ／Ｓｉ界面にはほ
とんど接触抵抗が存在しないことが確認された。The interface between the first polycrystalline silicon film 3 and the second polycrystalline silicon film 5 thus formed (Si
/ Contact resistance (contact resistivit)
When y) was measured, the value was a sufficiently small value of 1 × 10 −8 Ωcm 2 or less, and it was confirmed that there was almost no contact resistance at the Si / Si interface.
【００２４】比較のため、水素雰囲気中での熱処理を行
わなかった試料に対して同様にＳｉ／Ｓｉ界面における
電気抵抗を測定したところ、その値は約１×１０-6Ωｃ
ｍ2という値であり、Ｓｉ／Ｓｉ界面には接触抵抗が存
在することが確認された。For comparison, the electric resistance at the Si / Si interface was similarly measured for a sample which was not subjected to a heat treatment in a hydrogen atmosphere, and the value was about 1 × 10 −6 Ωc.
m 2 , and it was confirmed that contact resistance exists at the Si / Si interface.
【００２５】このような接触抵抗の違いの生じた要因を
調べるために、これらの試料のＳｉ／Ｓｉ界面における
酸素量をＳＩＭＳにて測定した。その結果、水素雰囲気
中での熱処理を行った試料の場合には、Ｓｉ／Ｓｉ界面
には全く酸素が検出されなかったのに対し、水素雰囲気
中での熱処理を行わなかった試料の場合には、Ｓｉ／Ｓ
ｉ界面には面密度にして約２×１０15ｃｍ-2の酸素濃
度、すなわち約１原子層の酸素が存在することが確認さ
れ、この酸素がＳｉ／Ｓｉ界面における接触抵抗の要因
となっていることが明らかになった。In order to investigate the cause of such a difference in contact resistance, the amount of oxygen at the Si / Si interface of these samples was measured by SIMS. As a result, in the case of the sample subjected to the heat treatment in the hydrogen atmosphere, no oxygen was detected at the Si / Si interface, whereas in the case of the sample not subjected to the heat treatment in the hydrogen atmosphere, , Si / S
It was confirmed that an oxygen concentration of about 2 × 10 15 cm −2 in surface density, that is, about 1 atomic layer of oxygen was present at the i interface, and this oxygen became a factor of contact resistance at the Si / Si interface. It became clear that there was.
【００２６】ところが、第２の多結晶シリコン膜５の堆
積前に、水素雰囲気中での熱処理を同様に９００℃で行
った場合でも、そのときの圧力を１０Ｔｏｒｒとした場
合には、第１の多結晶シリコン膜３と第２の多結晶シリ
コン膜５との間で電気的接触が全く取れなくなってしま
った。However, even if the heat treatment in a hydrogen atmosphere is similarly performed at 900 ° C. before the deposition of the second polycrystalline silicon film 5, if the pressure at that time is 10 Torr, the first Electrical contact between the polycrystalline silicon film 3 and the second polycrystalline silicon film 5 cannot be obtained at all.
【００２７】この原因を調べるべく、上記水素雰囲気中
での熱処理（温度９００℃、圧力１０Ｔｏｒｒ）を行っ
た直後の試料の様子を断面ＴＥＭにより観察した。その
結果、図２に示すように、第２の多結晶シリコン膜５の
うち、表面が露出していたものは、粒状に孤立してしま
っていることが分かった。In order to investigate the cause, the state of the sample immediately after the heat treatment (temperature 900 ° C., pressure 10 Torr) in the hydrogen atmosphere was observed by a cross-sectional TEM. As a result, as shown in FIG. 2, it was found that the surface of the second polycrystalline silicon film 5 whose surface was exposed was isolated in a granular manner.
【００２８】このような第２の多結晶シリコン膜５の形
状劣化により、第１の多結晶シリコン膜３と第２の多結
晶シリコン膜５との間の接触面積が極めて少なくなって
しまい、電気的導通が取れなくなっと考えられる。Due to such deterioration of the shape of the second polycrystalline silicon film 5, the contact area between the first polycrystalline silicon film 3 and the second polycrystalline silicon film 5 becomes extremely small, and electric It is considered that electrical continuity cannot be obtained.
【００２９】以上のことから、多結晶シリコン膜を堆積
する前の同一減圧ＣＶＤ装置の成膜室内での水素雰囲気
下での熱処理は、自然酸化膜を十分に除去でき、接触抵
抗を低減する方法としては極めて有効な方法であるが、
熱処理の条件によっては同時にシリコンのマイグレーシ
ョンを引き起こし、例えば多結晶シリコン膜においては
その形状を粒状に変えてしまうという形状劣化を引き起
こし、接触抵抗の増加を招く原因となることが分かっ
た。As described above, the heat treatment under the hydrogen atmosphere in the film formation chamber of the same low-pressure CVD apparatus before the polycrystalline silicon film is deposited can sufficiently remove the natural oxide film and reduce the contact resistance. Is an extremely effective method,
It has been found that, depending on the conditions of the heat treatment, migration of silicon is caused at the same time, and for example, in a polycrystalline silicon film, the shape is changed to a granular shape, thereby deteriorating the shape and causing an increase in contact resistance.
【００３０】すなわち、接触抵抗の増加を抑制するため
には、水素雰囲気下での熱処理における条件を適切に制
御し、多結晶シリコン膜の形状劣化を防止する必要のあ
ることが分かった。That is, in order to suppress the increase in the contact resistance, it was found that it is necessary to appropriately control the conditions in the heat treatment in a hydrogen atmosphere to prevent the polycrystalline silicon film from being deteriorated in shape.
【００３１】ここで、水素雰囲気中での熱処理による自
然酸化膜の除去は、 ＳｉＯ2 ＋Ｓｉ→２ＳｉＯ↑ という形態での気化によるものであり、当然反応温度が
高いほど起こり易い。また、シリコンのマイグレーショ
ンも温度が高いほど起こり易いと考えられる。このよう
に、自然酸化膜の除去とシリコンのマイグレーションと
はいずれも雰囲気温度（熱処理温度）が大きく影響する
が、温度以外のパラメータとしては、上述したように、
水素雰囲気中での熱処理時（加熱時）の圧力にも大きく
影響されると考えられる。Here, the removal of the natural oxide film by heat treatment in a hydrogen atmosphere is due to vaporization in the form of SiO 2 + Si → 2SiO ↑. Naturally, the higher the reaction temperature, the more likely it is to occur. Further, it is considered that migration of silicon is more likely to occur as the temperature is higher. As described above, both the removal of the natural oxide film and the migration of silicon are greatly affected by the ambient temperature (heat treatment temperature), but the parameters other than the temperature are as described above.
It is considered that the pressure during heat treatment (heating) in a hydrogen atmosphere is greatly affected.
【００３２】そこで、温度、圧力をパラメータとして、
多結晶シリコン膜上の自然酸化膜の除去の程度と、多結
晶シリコン膜表面のシリコンのマイグレーションの程度
を調べる実験を行った。Therefore, using temperature and pressure as parameters,
An experiment was conducted to examine the degree of removal of the natural oxide film on the polycrystalline silicon film and the degree of migration of silicon on the surface of the polycrystalline silicon film.
【００３３】自然酸化膜の除去の程度についてはＳＩＭ
Ｓにより評価した。一方、多結晶シリコン膜表面のシリ
コンのマイグレーションの程度についてはシリコン膜表
面の荒れから評価した。なお、この表面荒れの評価はＡ
ＦＭによる非接触測定にて行った。また、多結晶シリコ
ン膜の膜厚は３０ｎｍとした。Regarding the degree of removal of the natural oxide film, SIM
It evaluated by S. On the other hand, the degree of migration of silicon on the surface of the polycrystalline silicon film was evaluated from the roughness of the surface of the silicon film. The evaluation of the surface roughness was A
The measurement was performed by non-contact measurement using FM. The thickness of the polycrystalline silicon film was 30 nm.
【００３４】図３に、自然酸化膜の除去の程度およびシ
リコンのマイグレーション（表面荒れ）の程度の評価結
果を示す。図中、○印は表面荒れを招かずに自然酸化膜
を除去できる温度・圧力、△印は甚だしい表面荒れを招
くが自然酸化膜を除去できる温度・圧力、×印は表面荒
れは起こらないが自然酸化膜を除去できない温度・圧力
を示している。FIG. 3 shows the evaluation results of the degree of removal of the natural oxide film and the degree of migration of silicon (surface roughness). In the figure, the mark ○ indicates the temperature and pressure at which the natural oxide film can be removed without causing surface roughness, the mark Δ indicates the temperature and pressure at which severe surface roughness can be removed but the natural oxide film can be removed, and the mark × indicates no surface roughness. Indicates the temperature and pressure at which the natural oxide film cannot be removed.
【００３５】この評価結果からいえることは、多結晶シ
リコン膜上の自然酸化膜を除去するためには、図３に示
される○印の温度・圧力で規定される温度・圧力領域内
で水素雰囲気中の熱処理を行う必要があるということで
ある。It can be said from this evaluation result that in order to remove the natural oxide film on the polycrystalline silicon film, a hydrogen atmosphere was used in a temperature and pressure range defined by the temperature and pressure indicated by the circle in FIG. That is, it is necessary to perform the heat treatment in the inside.
【００３６】ここで、温度をＴ（℃）、圧力をＰ（Ｔｏ
ｒｒ）とすると、○印の温度・圧力で規定される温度・
圧力領域は、下記の二つの不等式（１），（２）を同時
に満たす温度・圧力領域であると定式化できる。Here, the temperature is T (° C.) and the pressure is P (To
rr), the temperature defined by the temperature and pressure indicated by ○
The pressure region can be formulated as a temperature / pressure region that simultaneously satisfies the following two inequalities (1) and (2).
【００３７】 ６００＜Ｔ＜１１００ （１） （Ｔ−９００）／１００＜ｌｏｇＰ＜（Ｔ−５００）／１００ （２） なお、本実施形態では、パターニングされ、かつ側面が
シリコン酸化膜４で覆われた多結晶シリコン膜３の場合
について説明したが、側面がシリコン酸化膜４で覆われ
ていない多結晶シリコン膜３の場合にも同様の効果が得
られる。600 <T <1100 (1) (T-900) / 100 <logP <(T-500) / 100 (2) In this embodiment, the patterning is performed and the side surface is covered with the silicon oxide film 4. Although the description has been given of the case of the polycrystalline silicon film 3 described above, the same effect can be obtained in the case of the polycrystalline silicon film 3 whose side surface is not covered with the silicon oxide film 4.
【００３８】自然酸化膜を除去するべく、水素雰囲気中
で熱処理を行った場合、その圧力が上述した２つの不等
式（１），（２）を同時に満足しないときは、パターニ
ングされた多結晶シリコン膜のコーナー部の曲率半径が
大きくなってしまうなどの問題が生じてしまうことがあ
り得る。特に多結晶シリコン膜のコーナー部が露出して
いる場合には起きやすい。このような問題を避けるに
は、本実施形態で示した条件での水素雰囲気中での熱処
理を行うことが極めて有効となる。When a heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere to remove the natural oxide film, if the pressure does not satisfy the above two inequalities (1) and (2) at the same time, a patterned polycrystalline silicon film is formed. However, a problem such as an increase in the radius of curvature of the corner portion may occur. In particular, this is likely to occur when the corner portion of the polycrystalline silicon film is exposed. To avoid such a problem, it is extremely effective to perform a heat treatment in a hydrogen atmosphere under the conditions described in this embodiment.
【００３９】また、本実施形態では、水素のみを含む雰
囲気中での熱処理により、自然酸化膜の除去を行った
が、還元性雰囲気である限り、他のガスとの混合ガス雰
囲気中であってもかまわない。例えばＡｒガスなどの不
活性ガスで希釈された水素雰囲気もしくは酸素や水蒸気
などの酸化性のガスの分圧を十分に下げた雰囲気であっ
てもかまわない。In this embodiment, the natural oxide film is removed by heat treatment in an atmosphere containing only hydrogen. However, as long as the atmosphere is a reducing atmosphere, the natural oxide film is removed in a mixed gas atmosphere with another gas. It doesn't matter. For example, a hydrogen atmosphere diluted with an inert gas such as Ar gas or an atmosphere in which the partial pressure of an oxidizing gas such as oxygen or water vapor is sufficiently reduced may be used.
【００４０】また、本実施形態では、第１の多結晶シリ
コン膜３の膜厚が３０ｎｍの場合について説明したが、
膜厚はそれよりも厚くても逆に薄くても、本実施形態に
示した効果は得られる。In this embodiment, the case where the thickness of the first polycrystalline silicon film 3 is 30 nm has been described.
The effect shown in the present embodiment can be obtained regardless of whether the film thickness is larger or smaller.
【００４１】なお、多結晶シリコン膜は膜厚が薄いほど
熱処理による粒化が起こり易く、また十分に厚ければ粒
化することはない。ただし、結晶構造が多結晶である限
り、本実施形態に示した条件の範囲外で水素雰囲気中で
の熱処理を行うと、表面荒れは起きてしまう。したがっ
て、本実施形態の熱処理は、多結晶シリコン膜の膜厚を
問わずに意義があるといえる。The polycrystalline silicon film is more likely to be grained by heat treatment as the film thickness is smaller, and is not grained if it is sufficiently thick. However, as long as the crystal structure is polycrystalline, if the heat treatment is performed in a hydrogen atmosphere outside the range of the conditions described in this embodiment, surface roughness will occur. Therefore, it can be said that the heat treatment of this embodiment is significant regardless of the thickness of the polycrystalline silicon film.
【００４２】また、本実施形態では、自然酸化膜を除去
した後に堆積する導電膜として、多結晶シリコン膜（半
導体膜）の場合について示したが、これは他の導電膜、
あるいは絶縁膜を堆積する場合でも有効である。In the present embodiment, a polycrystalline silicon film (semiconductor film) is shown as a conductive film deposited after removing a natural oxide film.
Alternatively, it is effective even when an insulating film is deposited.
【００４３】他の導電膜としては、例えばＷＳｉ膜等の
金属シリサイド膜、Ｃｕ膜やＡｌ膜等の金属膜があげら
れる。この場合、下地の多結晶シリコン膜と導電膜との
界面における電気抵抗を本実施形態の場合と同様に低減
できる。Examples of other conductive films include a metal silicide film such as a WSi film and a metal film such as a Cu film and an Al film. In this case, the electric resistance at the interface between the underlying polycrystalline silicon film and the conductive film can be reduced as in the case of the present embodiment.
【００４４】また、下地の多結晶シリコン膜の表面の自
然酸化膜を除去した後、Ｃｏ膜やＴｉ膜等の高融点金属
膜を堆積し、その後熱処理によりシリサイド化を行う場
合には、多結晶シリコン膜とシリサイド膜との界面をフ
ラットな均一な形状できる。In the case where a natural oxide film on the surface of the underlying polycrystalline silicon film is removed, a high melting point metal film such as a Co film or a Ti film is deposited, and then silicidation is performed by heat treatment, the polycrystalline silicon film is used. The interface between the silicon film and the silicide film can be made flat and uniform.
【００４５】また、下地の多結晶シリコン膜の表面の自
然酸化膜を除去した後、ＣＶＤ法によりシリコン窒化膜
を堆積する場合には、多結晶シリコン膜とシリコン窒化
膜との界面における酸化膜量を減らすことができ、これ
により例えば多結晶シリコン膜を電極として用いた場合
には、シリコン窒化膜よりも誘電率の低い絶縁膜である
酸化膜の増加を抑制できるので、リーク電流の増加を抑
制することが可能となる。 （第２の実施形態）図４は、本発明の第２の実施形態に
係る半導体装置の製造方法を示す工程断面図である。When a silicon nitride film is deposited by CVD after removing the natural oxide film on the surface of the underlying polycrystalline silicon film, the amount of oxide film at the interface between the polycrystalline silicon film and the silicon nitride film is reduced. For example, when a polycrystalline silicon film is used as an electrode, an increase in an oxide film, which is an insulating film having a lower dielectric constant than a silicon nitride film, can be suppressed, thereby suppressing an increase in leak current. It is possible to do. Second Embodiment FIG. 4 is a process sectional view showing a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment of the present invention.
【００４６】まず、図４（ａ）に示すように、シリコン
基板１１上に厚さ６ｎｍのシリコン酸化膜１２、厚さ５
０ｎｍのアモルファスシリコン膜１３ａを順次堆積す
る。次にシリコン基板１１を減圧可能な処理容器内に導
入し、一旦５Ｔｏｒｒの真空度まで減圧した後、圧力６
００Ｔｏｒｒの酸素雰囲気中で７００℃の熱処理を行
う。First, as shown in FIG. 4A, a silicon oxide film 12 having a thickness of 6 nm and a thickness 5
A 0 nm amorphous silicon film 13a is sequentially deposited. Next, the silicon substrate 11 is introduced into a processing container capable of reducing the pressure, and once the pressure is reduced to 5 Torr, the pressure is reduced to 6 Torr.
A heat treatment at 700 ° C. is performed in an oxygen atmosphere of 00 Torr.
【００４７】この熱処理により、図４（ｂ）に示すよう
に、表面荒れを招かずに、アモルファスシリコン膜１３
ａを多結晶シリコン膜１３ｐに変えることができる。ま
た、このときの熱処理によって、同図（ｂ）に示すよう
に、多結晶シリコン膜１３ｐ上には２ｎｍ程度の薄い酸
化膜１４が形成される。By this heat treatment, as shown in FIG. 4B, the amorphous silicon film 13 is formed without causing surface roughness.
a can be changed to the polycrystalline silicon film 13p. By the heat treatment at this time, a thin oxide film 14 of about 2 nm is formed on the polycrystalline silicon film 13p as shown in FIG.
【００４８】次に同一処理容器内で基板温度を６００℃
まで降温するとともに、０．１Ｔｏｒｒの真空度まで減
圧した後、雰囲気をアルゴンで１０％に希釈した水素と
置換する。この後、圧力を４００Ｔｏｒｒとし、雰囲気
はアルゴンで１０％に希釈したままで８５０℃まで昇温
する。このような熱処理によって、多結晶シリコン膜１
３ｐの表面の薄い酸化膜１４は除去される。Next, the substrate temperature is set to 600 ° C. in the same processing vessel.
After the temperature was lowered to 0.1 Torr and the pressure was reduced to 0.1 Torr, the atmosphere was replaced with hydrogen diluted to 10% with argon. Thereafter, the pressure is set to 400 Torr, and the temperature is raised to 850 ° C. while the atmosphere is diluted to 10% with argon. By such a heat treatment, the polycrystalline silicon film 1
The thin oxide film 14 on the 3p surface is removed.
【００４９】次に図４（ｃ）に示すように、同一処理容
器内で５５０℃まで降温し、その状態でＳｉ2 Ｈ6 ガス
を流して厚さ１００ｎｍのアモルファスシリコン膜１５
を多結晶シリコン膜１３ｐ上に堆積した後、ＣＶＤ法を
用いてシリコン酸化膜１６をアモルファスシリコン膜１
５上に堆積する。この後、同図（ｃ）に示すように、シ
リコン酸化膜１６上にフォトレジストパターン１７を形
成する。Next, as shown in FIG. 4C, the temperature is lowered to 550 ° C. in the same processing vessel, and in this state, an Si 2 H 6 gas is flowed to form an amorphous silicon film 15 having a thickness of 100 nm.
Is deposited on the polycrystalline silicon film 13p, and then the silicon oxide film 16 is changed to the amorphous silicon film 1 using the CVD method.
5 is deposited. After that, a photoresist pattern 17 is formed on the silicon oxide film 16 as shown in FIG.
【００５０】次に図４（ｄ）に示すように、フォトレジ
ストパターン１７をマスクにしてＲＩＥ（Reactive Ion
Etching）によってシリコン酸化膜１６をパターニング
し、フォトレジストパターン１７のパターンをシリコン
酸化膜１６に転写する。この後、フォトレジストパター
ン１７を炭化して剥離する。Next, as shown in FIG. 4D, RIE (Reactive Ion) is performed using the photoresist pattern 17 as a mask.
The silicon oxide film 16 is patterned by etching, and the pattern of the photoresist pattern 17 is transferred to the silicon oxide film 16. Thereafter, the photoresist pattern 17 is carbonized and peeled.
【００５１】次に図４（ｅ）に示すように、シリコン酸
化膜１６をマスクにして、酸化シリコンに対してのシリ
コンのエッチング選択比が高い条件でのＲＩＥによっ
て、アモルファスシリコン膜１５、多結晶シリコン膜１
３ｐをパターニングする。アモルファスシリコン膜１
５、多結晶シリコン膜１３ｐのエッチング形状は、シリ
コン酸化膜１６のパターンをきれいに反映した形状であ
った。Next, as shown in FIG. 4E, the amorphous silicon film 15 and the polycrystalline silicon are removed by RIE using the silicon oxide film 16 as a mask under the condition that the etching selectivity of silicon to silicon oxide is high. Silicon film 1
3p is patterned. Amorphous silicon film 1
5. The etching shape of the polycrystalline silicon film 13p was a shape that clearly reflected the pattern of the silicon oxide film 16.
【００５２】比較のため、上記水素雰囲気中での熱処理
を行わなかった場合について、同じ条件でのエッチング
を行ったところ、図５（ａ）に示すように、シリコン酸
化膜１２上にエッチング残渣１８が生じることが分かっ
た。For comparison, when etching was performed under the same conditions when the heat treatment in the hydrogen atmosphere was not performed, etching residues 18 were formed on the silicon oxide film 12 as shown in FIG. Was found to occur.
【００５３】これは多結晶シリコン膜１３ｐとアモルフ
ァスシリコン膜１５との界面に存在する自然酸化膜の膜
厚にばらつきがあり、膜厚が厚いところではエッチング
が抑制され、除去できずに残ったからだと考えられる。This is because the thickness of the natural oxide film existing at the interface between the polycrystalline silicon film 13p and the amorphous silicon film 15 varies, and the etching is suppressed at a thicker film, and the film remains without being removed. it is conceivable that.
【００５４】このようなエッチング残渣１８を避けるた
めの方法としては、ＲＩＥにおける選択比を下げる方法
もあるが、低い選択比でＲＩＥを行ったところ、図５
（ｂ）に示すように、シリコン基板１１までもがエッチ
ングされてしまった。As a method for avoiding such an etching residue 18, there is a method of lowering the selectivity in RIE. However, when RIE is performed at a low selectivity, FIG.
As shown in (b), even the silicon substrate 11 has been etched.
【００５５】これはシリコン酸化膜１２の膜厚は６ｎｍ
と薄いため、選択比が低いとシリコン酸化膜２２では多
結晶シリコン膜１３ｐのエッチングが止まらなかったか
らであると考えられる。This is because the silicon oxide film 12 has a thickness of 6 nm.
It is considered that if the selectivity was low, the etching of the polycrystalline silicon film 13p was not stopped in the silicon oxide film 22 when the selectivity was low.
【００５６】また、本実施形態では、アモルファスシリ
コン膜１３ａをまず酸化性雰囲気中で熱処理して多結晶
化したが、その理由はアモルファスシリコン膜１３を水
素雰囲気中などの非酸化性雰囲気中で熱処理（加熱）す
ると、自然酸化膜が除去されるよりも低温でアモルファ
スシリコン膜１３の多結晶化が生じるものの、これと同
時にアモルファスシリコン膜１３表面のシリコンがマイ
グレーションしてしまうからである。In this embodiment, the amorphous silicon film 13a is first polycrystallized by heat treatment in an oxidizing atmosphere. This is because the amorphous silicon film 13 is heat-treated in a non-oxidizing atmosphere such as a hydrogen atmosphere. When (heating), the amorphous silicon film 13 is polycrystallized at a lower temperature than the natural oxide film is removed, but at the same time, silicon on the surface of the amorphous silicon film 13 migrates.
【００５７】実際、酸化性雰囲気での熱処理（加熱）を
行わなかった場合には、アモルファスシリコン膜１３が
粒化してしまう現象が起きた。したがって、アモルファ
スシリコン膜上の自然酸化膜を除去する場合には、本実
施形態のように、まず酸化性雰囲気中での熱処理を行う
ことで、アモルファスシリコン膜１３ｐを多結晶化する
ことが重要である。Actually, when the heat treatment (heating) in the oxidizing atmosphere was not performed, the phenomenon that the amorphous silicon film 13 was granulated occurred. Therefore, when removing the natural oxide film on the amorphous silicon film, it is important to polycrystallize the amorphous silicon film 13p by first performing a heat treatment in an oxidizing atmosphere as in the present embodiment. is there.
【００５８】なお、本実施形態では、具体的な素子構造
について説明したなかったが、例えば多結晶シリコン膜
１３ｐ、アモルファスシリコン膜１５の積層シリコン膜
は、ＥＥＰＲＯＭ等の不揮発性メモリのフローティング
ゲート電極として使用されるものである。Although no specific element structure has been described in the present embodiment, for example, a laminated silicon film of the polycrystalline silicon film 13p and the amorphous silicon film 15 is used as a floating gate electrode of a nonvolatile memory such as an EEPROM. What is used.
【００５９】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。例えば酸化性雰囲気中におけるアモル
ファスシリコン膜１３ａの結晶化と、薄い自然酸化膜１
４の還元除去は、一旦試料を大気中に出して異なった反
応容器中で行っても良い。The present invention is not limited to the above embodiment. For example, the crystallization of the amorphous silicon film 13a in an oxidizing atmosphere and the thin natural oxide film 1
The reduction removal of 4 may be performed in a different reaction vessel once the sample is taken out to the atmosphere.
【００６０】また、上記実施形態では、自然酸化膜の除
去工程とその後の多結晶シリコン膜またはアモルファス
シリコン膜の堆積工程とを同一処理容器内で連続して行
うことで、これらの２つの工程を真空連続的に行った
が、それらの２つの工程をマルチチャンバーを用いてそ
れぞれ別の処理容器で行うことで、真空連続的に行って
も良い。In the above embodiment, the step of removing the natural oxide film and the subsequent step of depositing the polycrystalline silicon film or the amorphous silicon film are continuously performed in the same processing vessel, so that these two steps can be performed. Although the steps are performed continuously in vacuum, the two steps may be performed in separate processing containers using a multi-chamber to perform the steps continuously in vacuum.
【００６１】また、結晶化のための酸化性雰囲気は、意
図的に酸素や水素などを流さずに、雰囲気中に残留した
これらのガスを用いて、還元性とならない雰囲気として
も良い。その他、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種
々変形して実施できる。The oxidizing atmosphere for crystallization may be an atmosphere that does not become reducible by using these gases remaining in the atmosphere without intentionally flowing oxygen or hydrogen. In addition, various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
【００６２】[0062]
【発明の効果】以上詳説したように本発明によれば、所
定の条件に設定された水素を主成分とする雰囲気中で多
結晶シリコン膜を熱処理することにより、多結晶シリコ
ン膜の形状劣化を招くことなく、多結晶シリコン膜の表
面の酸化膜を除去できるので、多結晶シリコン膜上に該
多結晶シリコン膜と良好なコンタクトが取れる膜を堆積
することができるようになる。As described above in detail, according to the present invention, the polycrystalline silicon film is subjected to a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen as a main component set under a predetermined condition, whereby the deterioration of the shape of the polycrystalline silicon film is prevented. Since the oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film can be removed without inviting the polycrystalline silicon film, a film that can make good contact with the polycrystalline silicon film can be deposited on the polycrystalline silicon film.
【図１】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図FIG. 1 is a process sectional view illustrating a method for manufacturing a semiconductor device according to a first embodiment of the present invention;
【図２】水素雰囲気中での熱処理を９００℃、１０Ｔｏ
ｒｒの条件で行った場合の熱処理直後の試料の様子を断
面ＴＥＭにより観察した結果を示す図FIG. 2 shows a heat treatment in a hydrogen atmosphere at 900 ° C. and 10 To.
FIG. 9 is a diagram showing a result of observing a state of a sample immediately after heat treatment under a condition of rr by a cross-sectional TEM.
【図３】温度、圧力をパラメータとして、多結晶シリコ
ン膜上の自然酸化膜の除去の程度と、多結晶シリコン膜
表面のシリコンのマイグレーションの程度を調べた結果
を示す図FIG. 3 is a diagram showing the results of examining the degree of removal of a native oxide film on a polycrystalline silicon film and the degree of migration of silicon on the surface of a polycrystalline silicon film using temperature and pressure as parameters.
【図４】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す工程断面図FIG. 4 is a process sectional view illustrating the method for manufacturing the semiconductor device according to the second embodiment of the present invention;
【図５】第２の実施形態に対しての比較例を示す断面図FIG. 5 is a sectional view showing a comparative example with respect to the second embodiment;
【図６】従来の問題点を説明するための断面図FIG. 6 is a cross-sectional view for explaining a conventional problem.
１…シリコン基板 ２…シリコン酸化膜 ３…第１の多結晶シリコン膜 ４…シリコン酸化膜 ５…第２の多結晶シリコン膜 １１…シリコン基板 １２…シリコン酸化膜 １３ａ…アモルファスシリコン膜 １３ｐ…多結晶シリコン膜 １４…薄い酸化膜 １５…アモルファスシリコン膜 １６…シリコン酸化膜 １７…フォトレジストパターン １８…エッチング残渣 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Silicon substrate 2 ... Silicon oxide film 3 ... 1st polycrystalline silicon film 4 ... Silicon oxide film 5 ... 2nd polycrystalline silicon film 11 ... Silicon substrate 12 ... Silicon oxide film 13a ... Amorphous silicon film 13p ... Polycrystal Silicon film 14 ... Thin oxide film 15 ... Amorphous silicon film 16 ... Silicon oxide film 17 ... Photoresist pattern 18 ... Etching residue
フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F045 AA06 AB03 AB32 AC01 AD09 AD10 AE25 AF03 BB16 DA66 EB15 HA16 5F052 AA11 CA02 CA09 DA01 DA02 DB02 EA15 GC03 HA08 Continued on the front page F term (reference) 5F045 AA06 AB03 AB32 AC01 AD09 AD10 AE25 AF03 BB16 DA66 EB15 HA16 5F052 AA11 CA02 CA09 DA01 DA02 DB02 EA15 GC03 HA08
Claims (5)
する工程と、 所定の条件に設定された水素を主成分とする雰囲気中で
の熱処理により、前記多結晶シリコン膜の表面の酸化膜
を除去する工程と、 この酸化膜を除去する工程と真空連続的に、前記多結晶
シリコン膜上に絶縁膜または導電膜を形成する工程とを
有することを特徴とする半導体装置の製造方法。An oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film is formed by a step of forming a polycrystalline silicon film on a silicon substrate and a heat treatment in an atmosphere containing hydrogen as a main component set under predetermined conditions. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising: a step of removing; and a step of forming an insulating film or a conductive film on the polycrystalline silicon film in a vacuum continuous manner with the step of removing the oxide film.
を形成する工程と、 酸化性雰囲気中での熱処理により、前記アモルファスシ
リコン膜を多結晶シリコン膜に変化させる工程と、 所定の条件に設定された水素を主成分とする雰囲気中で
の熱処理により、前記多結晶シリコン膜の表面の酸化膜
を除去する工程と、 この酸化膜を除去する工程と真空連続的に、前記多結晶
シリコン膜上に絶縁膜または導電膜を形成する工程とを
有することを特徴とする半導体装置の製造方法。2. A step of forming an amorphous silicon film on a silicon substrate; a step of changing the amorphous silicon film into a polycrystalline silicon film by a heat treatment in an oxidizing atmosphere; Removing an oxide film on the surface of the polycrystalline silicon film by heat treatment in an atmosphere containing as a main component an insulating film on the polycrystalline silicon film in a vacuum continuous with the step of removing the oxide film. Or a step of forming a conductive film.
以上の熱処理温度で行うことを特徴とする請求項２に記
載の半導体装置の製造方法。3. A heat treatment in an oxidizing atmosphere at 550 ° C.
3. The method according to claim 2, wherein the heat treatment is performed at the above-described heat treatment temperature.
をＰ（Ｔｏｒｒ）とした場合に、 ６００＜Ｔ＜１１００および（Ｔ−９００）／１００＜
ｌｏｇＰ＜（Ｔ−５００）／１００の二つの不等式を同
時に満たすものであることを特徴とする請求項１ないし
請求項３のいずれに記載の半導体装置の製造方法。4. The predetermined conditions are as follows: when temperature is T (° C.) and pressure is P (Torr), 600 <T <1100 and (T-900) / 100 <
4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein two inequalities of logP <(T-500) / 100 are satisfied at the same time.
然酸化膜であることを特徴とする請求項１ないし請求項
３のいずれに記載の半導体装置の製造方法。5. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein said conductive film is a silicon film, and said oxide film is a natural oxide film.
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|---|---|---|---|
| JP10182428A JP2000021781A (en) | 1998-06-29 | 1998-06-29 | Manufacture of semiconductor device |
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| JP2011176095A (en) * | 2010-02-24 | 2011-09-08 | Hitachi Kokusai Electric Inc | Method for manufacturing semiconductor device, and substrate processing method and substrate processing apparatus |
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-
1998
- 1998-06-29 JP JP10182428A patent/JP2000021781A/en not_active Abandoned
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