JPH11340238A

JPH11340238A - 半導体装置の製造方法

Info

Publication number: JPH11340238A
Application number: JP10145295A
Authority: JP
Inventors: Hiroko Kubo; 裕子久保
Original assignee: Matsushita Electronics Corp
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1998-05-27
Filing date: 1998-05-27
Publication date: 1999-12-10

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲート
絶縁膜及びゲート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成工程
の後に急速熱処理を行う製造方法において、急速熱処理
により発生した界面準位を低減し、しきい値電圧のシフ
トを回復させる。【解決手段】すべての熱処理工程の後、最終熱処理工
程として、４００℃以上の水素雰囲気中で熱処理を３０
分以上行う。あるいは６００℃以上の窒素雰囲気中で熱
処理を１時間以上行う。あるいは、４００〜６００℃の
水素雰囲気中で急速熱処理を３０〜１２０秒間行う。好
ましくは、ゲート絶縁膜形成工程後の急速熱処理工程と
最終熱処理工程との間に、電気炉による熱処理工程を更
に備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、集積回路等の半導
体装置の製造方法に関する。詳しくは、急速熱処理によ
る界面準位の増大、そしてしきい値電圧のシフトを改善
する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体装置の微細化・高集積化が
急速に進み、それに伴って半導体装置のゲート絶縁膜で
あるゲート酸化膜は１０ｎｍ以下に薄膜化されつつあ
る。一方、サーマルバジェット（熱履歴、温度×時間）
の更なる低減や、サリサイドのような新しい半導体製造
プロセスの開発に伴い、急速熱処理（Rapid Thermal Pr
ocess、以下、ＲＴＰ処理という）が多用されるように
なってきた。しかし、ゲート酸化膜形成後に加えられる
ＲＴＰ処理がゲート酸化膜及び半導体基板に与える影響
については現在のところ十分検討されているとはいえな
い状況にある。以下に従来の半導体装置の製造方法につ
いて説明する。

【０００３】図９に半導体装置の断面構造を示す。図９
において、１はシリコンからなる半導体基板、２は素子
分離絶縁膜、３は半導体基板１の主面上に形成された半
導体装置のゲート絶縁膜、４は半導体装置のゲート絶縁
膜３の上に形成され不純物がドープされた多結晶シリコ
ンからなる電極である。このような構造を有する半導体
装置の製造方法において、ランプ照射等によるＲＴＰ処
理を施すことにより、電極の不純物活性化やサリサイド
形成等が従来から行われている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ような従来の半導体装置の製造方法において、ＲＴＰ処
理を施すことによる弊害として、シリコン酸化膜と基板
との界面における界面準位が増大し、しきい値電圧がシ
フトするという問題を発見した。

【０００５】そこで、本発明は、ＲＴＰ処理により増大
した界面準位を低減させ、しきい値電圧のシフトを抑制
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
を目的とする。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明による半導体装置
の第１の製造方法は、半導体基板上にＭＯＳトランジス
タのゲート絶縁膜及びゲート電極を形成し、ゲート絶縁
膜形成工程の後に急速熱処理を行う半導体装置の製造方
法において、すべての熱処理工程の後、最終熱処理工程
として、４００℃以上の水素雰囲気中で熱処理を行うこ
とを特徴とする。これにより、ＲＴＰ処理により発生し
た界面準位を低減し、しきい値電圧のシフトを回復する
ことができるので、製造歩留りが向上する。最終熱処理
工程における水素雰囲気中での熱処理は、３０分以上行
うことが好ましい。

【０００７】また、本発明による第２の製造方法は、半
導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜及びゲ
ート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成工程の後に急速熱
処理を行う半導体装置の製造方法において、すべての熱
処理工程の後、最終熱処理工程として、６００℃以上の
窒素雰囲気中で熱処理を行うことを特徴とする。最終熱
処理工程における窒素雰囲気中での熱処理は１時間以上
行うことが好ましい。

【０００８】また、本発明による第３の製造方法は、半
導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜及びゲ
ート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成工程の後に急速熱
処理を行う半導体装置の製造方法において、すべての熱
処理工程の後、最終熱処理工程として、４００〜６００
℃の水素雰囲気中で急速熱処理を行うことを特徴とす
る。最終熱処理工程における水素雰囲気中で急速熱処理
は、３０〜１２０秒間行うことが好ましい。

【０００９】上記の各製造方法において、ゲート絶縁膜
形成工程後の急速熱処理工程と最終熱処理工程との間
に、電気炉による熱処理工程を更に備えていることが好
ましい。電気炉による熱処理工程により、ＲＴＰ処理で
発生した界面準位をある程度低減した後、最終熱処理工
程で界面準位をほぼ完全に無くすることができる。これ
によって、しきい値電圧のシフトがほぼ完全に回復す
る。

【００１０】また、最終熱処理工程の熱処理を水素雰囲
気中で行う場合、水素分圧が３０〜１００％の範囲内に
あることが好ましい。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態につい
て、図面を参照しながら説明する。（実施形態１）本発明の実施形態１に係る半導体装置の
製造方法を図１（ａ）〜（ｄ）に示す。これらの図は、
熱処理に関する各工程における半導体装置の断面を示し
ている。熱処理前の状態を示す図１（ａ）において、１
１はシリコンからなる半導体基板、１２はシリコン酸化
膜からなる素子分離絶縁膜、１３は半導体基板１１の主
面上に形成された半導体装置のゲート絶縁膜、１４は半
導体装置のゲート絶縁膜１３の上に形成され不純物をド
ープされた多結晶シリコンからなる電極である。

【００１２】つぎに、図１（ｂ）の工程では、ゲート絶
縁膜１４の上からランプ加熱によりＲＴＰ処理（例えば
ＲＴＡ（急速アニール））を少なくとも１回行う。アニ
ール温度は６００〜９５０℃に設定している。アニール
温度が高いと、しきい値のシフトが大きくなり好ましく
ないので、上記温度範囲に設定する。この処理により電
極の不純物活性化やサリサイド形成等が行われる。反
面、ゲート絶縁膜と基板との界面の界面準位密度が増加
し、ＭＯＳトランジスタのしきい値電圧が１００ｍＶ程
度シフトし、これは１０％程度のずれに相当する。この
現象は、電気炉によるアニールを実施した後にＲＴＰ処
理（例えばＲＴＡ処理）した場合も同様に観察されるこ
とから、ＲＴＰ処理が加えられることにより必然的に発
生するものと考えられる。

【００１３】そこで、ＲＴＰ処理後に、図１（ｃ）の工
程で電気炉による熱処理（アニール）を１回以上実施す
る。これにより、発生した界面準位が低減し、しきい値
電圧のシフトも回復する。

【００１４】図１（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後、最終熱処理工程とし
て、４００〜６００℃の温度範囲で電気炉による４００
℃以上の電気炉による水素雰囲気中での熱処理（水素シ
ンター）を実施する。この処理により、ＲＴＰ処理で発
生した界面準位はほぼ完全に消滅し、しきい値電圧のシ
フトもほぼ完全に回復する。

【００１５】以上のように、本実施形態の製造方法によ
れば、ＲＴＰ処理の後に電気炉による熱処理工程を１回
以上備え、更に、すべての熱処理工程の最後に最終熱処
理として４００℃以上の電気炉による水素雰囲気中での
熱処理工程を備えることにより、ＲＴＰ処理によって発
生した界面準位をほぼ完全に消滅でき、しきい値電圧の
シフトを回復することができる。

【００１６】（実施形態２）つぎに、本発明の実施形態
２に係る半導体装置の製造方法を図２（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
２（ａ）における半導体装置の構造は実施形態２と同じ
である。図２（ｂ）の急速熱処理工程、及び図２（ｃ）
の電気炉による熱処理工程についても、実施形態１と同
じである。

【００１７】図２（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では水素雰囲気中での熱処理を３０分以
上行う。熱処理温度は実施形態１と同じく４００℃以上
である。ＲＴＰ処理後の電気炉による水素雰囲気中での
熱処理温度が４００℃の場合、１０分程度の熱処理時間
ではしきい値電圧の完全な回復には十分でなく、３０分
以上の熱処理時間をかければしきい値電圧がほぼ完全に
回復することがわかった。

【００１８】以上のように、本実施形態によれば、最終
熱処理工程における水素雰囲気中での熱処理を３０分以
上行うことにより、ＲＴＰ処理後に発生した界面準位が
ほぼ完全に消滅し、しきい値電圧のシフトがほぼ完全に
回復する。

【００１９】（実施形態３）つぎに、本発明の実施形態
３に係る半導体装置の製造方法を図３（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
３（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図３（ｂ）の急速熱処理工程、及び図３
（ｃ）の電気炉による熱処理工程についても、既述の実
施形態と同じである。

【００２０】図３（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では、既述の実施形態における４００℃
以上の水素雰囲気中での熱処理に代えて、６００℃以上
の窒素雰囲気中での熱処理を行う。窒素雰囲気中での熱
処理の場合は、４００℃程度の温度では界面準位の低減
効果があまり得られないが、６００℃以上になると界面
準位の低減効果が十分に得られることがわかった。

【００２１】以上のように、本実施形態によれば、最終
熱処理を６００℃以上の窒素雰囲気中で行うことによ
り、ＲＴＰ処理後に発生した界面準位がほぼ完全に消滅
し、しきい値電圧のシフトが回復する。

【００２２】（実施形態４）つぎに、本発明の実施形態
４に係る半導体装置の製造方法を図４（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
４（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図４（ｂ）の急速熱処理工程、及び図４
（ｃ）の電気炉による熱処理工程についても、既述の実
施形態と同じである。

【００２３】図４（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では窒素雰囲気中での熱処理を１時間以
上行う。熱処理温度は実施形態３と同じく６００℃以上
である。６００℃で１時間以上、窒素雰囲気中での熱処
理を行うと、界面準位は激減しＭＯＳトランジスタのし
きい値電圧のシフトもほぼ完全に回復することがわかっ
た。

【００２４】以上のように、本実施形態によれば、最終
熱処理である６００℃以上の窒素中での熱処理時間を１
時間以上行うことにより、ＲＴＰ処理後に発生した界面
準位がほぼ完全に消滅し、しきい値電圧のシフトが回復
する。

【００２５】（実施形態５）つぎに、本発明の実施形態
５に係る半導体装置の製造方法を図５（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
５（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図５（ｂ）の急速熱処理工程、及び図５
（ｃ）の電気炉による熱処理工程についても、既述の実
施形態と同じである。

【００２６】図５（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では４００℃〜６００℃の水素雰囲気中
での急速熱処理（ＲＴＰ）を行う。ＲＴＰであっても水
素雰囲気中での熱処理であれば、水素による界面準位の
ターミネート効果で、界面準位を低減することができ
る。

【００２７】以上のように、本実施形態によれば、最終
熱処理として４００℃〜６００℃の水素雰囲気中での急
速熱処理を行うことにより、ＲＴＰ処理後に発生した界
面準位がほぼ完全に消滅し、しきい値電圧のシフトが回
復する。

【００２８】（実施形態６）つぎに、本発明の実施形態
６に係る半導体装置の製造方法を図６（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
６（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図６（ｂ）の急速熱処理工程、及び図６
（ｃ）の電気炉による熱処理工程についても、既述の実
施形態と同じである。

【００２９】図６（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では４００℃〜６００℃の水素雰囲気中
での急速熱処理を３０〜１２０秒間行う。急速熱処理
（ＲＴＰ）はその処理自体が界面準位を発生させる要因
となるので、処理時間が長すぎると界面準位を増大させ
ることになる。一方、処理時間が短すぎると水素が界面
に十分供給されず、水素ターミネートの効果が十分に発
揮されない。４００℃〜６００℃の水素雰囲気中でのＲ
ＴＰ処理により界面準位を消滅させるのに適当な処理時
間として、３０〜１２０秒が好ましいことがわかった。

【００３０】以上のように本実施形態によれば、最終熱
処理工程における４００℃〜６００℃の水素雰囲気中で
の急速熱処理を３０〜１２０秒間行うことにより、ＲＴ
Ｐ処理後に発生した界面準位がほぼ完全に消滅し、しき
い値電圧のシフトが回復する。

【００３１】（実施形態７）つぎに、本発明の実施形態
７に係る半導体装置の製造方法を図７（ａ）〜（ｃ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
７（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図７（ｂ）の急速熱処理工程についても、
既述の実施形態と同じである。

【００３２】本実施形態の製造方法は、既述の実施形態
と異なり、図７（ｂ）の急速熱処理工程の後、電気炉に
よる熱処理工程を経ずに、図７（ｃ）の最終工程が実施
される。つまり、ＭＯＳトランジスタの形成後、第１の
層間絶縁膜１５を形成し、この層間絶縁幕１５にコンタ
クトホール１６を形成する。そして、コンタクトホール
１６に埋め込んだ配線とＭＯＳトランジスタのソース１
７及びドレイン１８とを電気的に接続する。配線の上に
更に第２の層間絶縁膜１９を形成して集積回路が完成す
る。この後、最終熱処理工程が行われる。この場合、電
気炉による熱処理工程での界面準位低減効果は得られな
いが、最終熱処理工程で熱処理が実施されることにより
界面準位が低減し、しきい値電圧のシフトが回復する。
最終熱処理工程における熱処理は、既述の実施形態で説
明した水素又は窒素雰囲気中でのいずれの熱処理でも良
い。

【００３３】以上のように、本実施形態によれば、急速
熱処理後、最終熱処理工程として水素又は窒素雰囲気中
での熱処理を行うことにより、急速熱処理で発生した界
面準位が消滅し、しきい値電圧のシフトが回復する。

【００３４】（実施形態８）つぎに、本発明の実施形態
８に係る半導体装置の製造方法を図８（ａ）〜（ｄ）に
示す。これらの図は、熱処理に関する各工程における半
導体装置の断面を示している。熱処理前の状態を示す図
８（ａ）における半導体装置の構造は既述の実施形態と
同じである。図８（ｃ）の急速熱処理工程、及び図８
（ｃ）の電気炉による熱処理工程についても、既述の実
施形態１〜６と同じである。

【００３５】図８（ｄ）に示すように、ＭＯＳトランジ
スタの形成後、第１の層間絶縁膜１５を形成し、この層
間絶縁幕１５にコンタクトホール１６を形成する。そし
て、コンタクトホール１６に埋め込んだ配線とＭＯＳト
ランジスタのソース１７及びドレイン１８とを電気的に
接続する。配線の上に更に第２の層間絶縁膜１９を形成
して集積回路が完成する。この後の最終熱処理工程とし
て、本実施形態では、水素分圧が３０〜１００％の水素
雰囲気中で熱処理を行う。実施形態１及び２と同様に４
００℃以上で３０分以上の熱処理を行うことが好まし
い。水素分圧が高い方が好ましい（１００％の水素分圧
が最も好ましい）が、３０％以上の水素分圧であれば水
素ターミネート効果が得られる。

【００３６】以上のように、本実施の形態によれば、最
終熱処理工程において水素分圧が３０〜１００％の水素
雰囲気中で熱処理を行うことにより、ＲＴＰ処理後に発
生した界面準位がほぼ完全に消滅し、しきい値電圧のシ
フトが回復する。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の半導体装
置の製造方法によれば、ゲート絶縁膜形成工程後の急速
熱処理によって増大した界面準位を低減させ、しきい値
電圧のシフトを抑制することができる。これにより、半
導体装置の製造歩留りが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図1】本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図２】本発明の第２の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図３】本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図４】本発明の第４の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図５】本発明の第５の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図６】本発明の第６の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図７】本発明の第７の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図８】本発明の第８の実施形態に係る半導体装置の製
造方法を示す図

【図９】半導体装置の断面図

【符号の説明】

１１半導体基板１２素子分離絶縁膜１３ゲート絶縁膜１４電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】半導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲ
ート絶縁膜及びゲート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成
工程の後に６００〜９５０℃雰囲気中での急速熱処理を
行う半導体装置の製造方法において、すべての熱処理工
程の後、最終熱処理工程として、４００℃以上の水素雰
囲気中で熱処理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】前記水素雰囲気中での熱処理を３０分以
上行う請求項１記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】半導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲ
ート絶縁膜及びゲート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成
工程の後に６００〜９５０℃雰囲気中での急速熱処理を
行う半導体装置の製造方法において、すべての熱処理工
程の後、最終熱処理工程として、６００℃以上の窒素雰
囲気中で熱処理を行うことを特徴とする半導体装置の製
造方法。
【請求項４】前記窒素雰囲気中での熱処理を１時間以
上行う請求項３記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】半導体基板上にＭＯＳトランジスタのゲ
ート絶縁膜及びゲート電極を形成し、ゲート絶縁膜形成
工程の後に６００〜９５０℃雰囲気中での急速熱処理を
行う半導体装置の製造方法において、すべての熱処理工
程の後、最終熱処理工程として、４００〜６００℃の水
素雰囲気中で急速熱処理を行うことを特徴とする半導体
装置の製造方法。
【請求項６】前記急速熱処理を３０〜１２０秒間行う
請求項５記載の半導体装置の製造方法。
【請求項７】前記ゲート絶縁膜形成工程後の急速熱処
理工程と前記最終熱処理工程との間に、電気炉による熱
処理工程を更に備えている請求項１〜６のいずれか１項
記載の半導体装置の製造方法。
【請求項８】前記最終熱処理工程における水素雰囲気
の水素分圧が３０〜１００％の範囲内にある請求項１，
２，５，６又は７記載の半導体装置の製造方法。