[发明专利]半导体集成电路器件的制造工艺和半导体集成电路器件

说明书

本发明涉及一种制造半导体集成电路器件的工艺，特别涉及具有多晶硅金属结构的MOSFET(金属氧化物半导体场效应晶体管)的半导体集成电路器件的制造技术，所说MOSFET中栅极由含硼(B)多晶硅与难熔金属的层叠膜构成。

日本专利特许公开132136/1984(此后称之为Kobayashi1)公开了一种技术，在Si(硅)衬底上形成含有W膜或Mo膜的多晶硅金属(polymetal)结构的栅极后，在蒸汽和氢的混合气氛中进行轻度氧化，以便只选择氧化Si，而不氧化W(Mo)膜。这种技术利用了这样的特性，即氧化还原反应平衡时的蒸汽/氢分压比在W(Mo)和Si间不同，并且Si的选择氧化是以该分压比设置在一个范围内的方式实现的，在该范围内，一旦W(Mo)被氧化，便会立即被同时存在的氢还原，但Si仍被氧化。蒸汽和氢的混合气氛利用气泡法形成，其中氢气供应到装于容器中的纯水中，通过改变纯水的温度控制蒸汽/氢分压比。

另外，根据上述文献的这些发明人的其它涉及选择氧化的主要文献包括日本专利特许公开89943/1985(此后称为Kobayashi2)和日本专利特许公开150236/1986(此后称之为Iwata)。

日本专利特许公开94716/1995(此后称之为Muraoka)公开了一种技术，通过栅氧化膜在Si衬底上形成了含有如TiN等金属氮化物层和如W等金属层的多晶硅金属结构栅极后，在用氮稀释的还原气体(氢)和氧化气体(蒸汽)的气氛中进行轻度氧化。根据该文献，可以说，只有Si可以被选择氧化，而不会氧化金属层，由于通过用氮稀释蒸汽/氢混合气体，防止了金属氮化层的脱氮反应，所以还可以防止金属氮化层的氧化。

1992年11月1-2日举办的第45届半导体集成电路技术学术会议的文献丛书pp.128-133(此后称之为Nakamura)公开了一种技术，在含由不锈催化剂合成的蒸汽的强还原气氛中形成氧化膜。

在CMOS LSI中，其电路由栅长为0.18微米或更小的微细MOSFET构成，考虑采用利用包括金属层的低阻导电材料的栅加工工艺，通过减少低电压下工作时栅的延迟，来确保高工作速度。

最可能的这种低阻栅极材料是通过在多晶硅膜上层叠难熔金属膜得到的多晶硅金属。由于多晶硅金属具有约每方块2Ω的低薄层电阻，所以它不仅可以用作栅极材料，而且可用于互连材料。难熔金属用W(钨)、Mo(钼)和Ti(钛)，甚至在800℃或以下的低温处理时它们也具有良好的低阻特性，并且具有高抗电迁移性。在这些难熔金属膜直接层叠于多晶硅膜上时，它们之间的粘附强度会减小，在高温热处理工艺中在它们之间的界面上形成高阻硅化物层。因此，实际的多晶硅金属栅由三层结构构成，其中包括如TiN(氮化钛)和WN(氮化钨)等金属氮化膜的阻挡层插在多晶硅膜和难熔金属膜之间。

以下是常规栅加工工艺概述。对半导体衬底进行热氧化，以在其表面上形成栅氧化膜。一般情况下，热氧化膜的形成在干氧气氛中进行，但在形成栅氧化膜的情况下，由于可以减少膜的缺陷密度，所以可以采用湿氧化法。在湿氧化法中，采用热解(pyrogenic)法，其中氢在氧气氛中燃烧形成水，这样形成的水与氧一起提供到半导体晶片的表面上。

然而，在热解法中，由于要点燃并燃烧从固定于由石英构成的氢气体导管顶端的喷嘴排出的氢，所以可能会发生由于热熔化喷嘴形成的颗粒变成半导体晶片的污染源。所以已提出了利用催化法而不是燃烧法形成水的方法(日本专利特许公开152282/1993)。

栅极材料堆积于湿氧化法形成的栅氧化膜上后，利用光刻胶作掩模进行干法腐蚀，构图栅极材料。此后，通过灰化去掉光刻胶，并利用如氢氟酸等腐蚀液去掉残留于衬底表面上的干法腐蚀残留物和灰化残留物。

在进行上述的湿法腐蚀时，去掉了除栅极下部区域外所有区域中的栅氧化膜，同时，也各向同性地腐蚀了栅极侧壁边缘处的栅氧化膜，引起了钻蚀。因此，按现实的情况来说，发生了降低栅极的耐压性的问题。所以，为了改善已被钻蚀的栅极侧壁边缘处的外形，要进行一种处理，再对衬底进行热氧化，以在表面上形成氧化膜(此后称之为轻度氧化工艺)。

然而，由于上述难熔金属如W和Mo极易在高温氧气氛中发生氧化，所以在对具有多晶硅及金属结构的栅极进行轻度氧化工艺时，氧化了难熔金属，增大了电阻，其一部分会从衬底上剥离下来。因此，在利用多晶硅及金属的栅加工工艺中，需要在进行轻度氧化工艺时防止难熔金属氧化的措施。

在形成具有多晶硅金属结构的栅极的工艺中，在具有预定分压比的蒸汽/氢混合气体中轻度氧化对提高栅氧化膜的耐压性和防止金属膜氧化是有效的方法。