JP4018843B2

JP4018843B2 - Manufacturing method of semiconductor device

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Publication number: JP4018843B2
Application number: JP16457899A
Authority: JP
Inventors: 隆順山田; 將森脇
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 1999-06-11
Filing date: 1999-06-11
Publication date: 2007-12-05
Anticipated expiration: 2019-06-11
Also published as: JP2000353674A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルゲート電極を備えた半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる場合における、高融点金属積層膜からなるメタルゲート電極の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ型半導体装置の微細化、高集積度化及び低電圧化を実現するためには、半導体装置を構成する配線又は電極等の材料を低抵抗化することによって、配線抵抗に起因する遅延時間を低減することが必要とされている。
【０００３】
そこで、ＭＯＳトランジスタのゲート電極の材料としては、従来、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、０．１０μｍ以下の微細なプロセスにおいては、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜からなるゲート電極では、十分な低抵抗化を実現することができないので、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜に代えて、タングステン、チタン、モリブデン又はタンタル等の高融点金属膜を用いてゲート電極を形成するメタルゲートプロセスが検討されている。
【０００５】
メタルゲートプロセスによりゲート電極を形成する方法において、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させる手法が報告されている（森脇他、ＰＶＤ−Ｗメタルゲート／酸化膜界面のｉｎ−ｓｉｔｕプラズマ窒化効果、第４６回応用物理学会連合講演会講演予稿集第２分冊３０ａ−ＺＳ−１０）。
【０００６】
以下、前記の手法を用いてメタルゲート電極を形成する半導体装置の製造方法（以下、第１の従来例とする）について説明する。
【０００７】
第１の従来例においては、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステンからなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、半導体基板上に形成されたゲート酸化膜の上に、ゲート電極となるタングステン窒化膜の単層膜を形成する。このとき、スパッタリングの初期過程において窒素がゲート酸化膜表面に供給されることによって、ゲート酸化膜の表面部が窒化されるため、スパッタリングによりゲート酸化膜の表面部に生じるダメージが低減して、ゲート酸化膜の信頼性が向上すると共に、ゲート絶縁膜のリーク電流が抑制される。
【０００８】
ところが、タングステン窒化膜の抵抗値がタングステン膜の抵抗値と比べて約５〜２０倍程度高いため、タングステン窒化膜のみを用いてゲート電極を形成する第１の従来例においては、ゲート電極の抵抗が増大してしまうという問題が生じる。
【０００９】
そこで、高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなる積層膜を用いて、積層メタルゲート電極を形成する方法が検討されている。
【００１０】
以下、積層メタルゲート電極を形成する半導体装置の製造方法（以下、第２の従来例とする）について、図９（ａ）〜（ｄ）及び図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第２の従来例においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００１１】
まず、図９（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１０の表面部に素子分離絶縁膜１１及びｐ型半導体領域１２を順次形成した後、半導体基板１０の上における素子分離絶縁膜１１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜１３を形成する。
【００１２】
次に、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバーに半導体基板１０を搬送した後、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、図９（ｂ）に示すように、半導体基板１０の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍのタングステン窒化膜１４を堆積する。
【００１３】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、アルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン窒化膜１４の上に膜厚９０ｎｍのタングステン膜１５を堆積する。これにより、タングステン窒化膜１４及びタングステン膜１５からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜１６が形成される。
【００１４】
次に、図９（ｃ）に示すように、高融点金属積層膜１６の上に、例えばシリコン窒化膜１７を形成した後、図９（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜１７の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン１８を形成し、その後、図１０（ａ）に示すように、レジストパターン１８をマスクとして、シリコン窒化膜１７に対してドライエッチングを行なって、シリコン窒化膜１７をパターン化する。
【００１５】
次に、レジストパターン１８を除去した後、図１０（ｂ）に示すように、パターン化されたシリコン窒化膜１７Ａをマスクとして、高融点金属積層膜１６及びシリコン窒化酸化膜１３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜１６及びシリコン窒化酸化膜１３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜１６、つまりパターン化されたタングステン窒化膜１４Ａ及びパターン化されたタングステン膜１５ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極１６Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜１３からなるゲート絶縁膜１３Ａが形成される。
【００１６】
次に、図１０（ｃ）に示すように、ゲート電極１６Ａをマスクとして半導体基板１０に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域１９を形成した後、ゲート電極１６Ａの側面にサイドウォールスペーサ２０を形成し、その後、ゲート電極１６Ａ及びサイドウォールスペーサ２０をマスクとして半導体基板１０に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域２１を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、半導体装置を完成させる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第２の従来例における積層メタルゲート電極の下層部となるタングステン窒化膜の堆積条件を、第１の従来例における単層メタルゲート電極となるタングステン窒化膜の堆積条件と同一とした場合、第２の従来例においては、第１の従来例と比べて、ゲート電極の抵抗が減少するという利点がある一方、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大するという問題点がある。
【００１８】
前記に鑑み、本発明は、高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなる積層メタルゲート電極を備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できるようにすることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは、第２の従来例において、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大してしまう原因について検討した。以下、検討結果について説明する。
【００２０】
ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制するためには、ゲート絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成するときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージを低減しなければならない。そのためには、スパッタリングの初期過程において、言い換えると、ゲート絶縁膜の上に高融点金属窒化物膜が形成され始めるときに、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を十分に行なう必要がある。
【００２１】
ところで、第２の従来例においては、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれていると共に、製造コストの削減のために、同一のチャンバーにおいて雰囲気を変えながら、同一のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン窒化膜とタングステン膜との積層膜が堆積されている。
【００２２】
すなわち、第２の従来例においては、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステン窒化膜を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程において用いられたターゲットが、引き続き、タングステン窒化膜を堆積するために用いられる。このとき、タングステン窒化膜を堆積する工程においてはターゲットの表面部が窒化される一方、タングステン膜を堆積する工程においてはターゲットの表面部から窒素が失われるため、タングステン窒化膜を堆積するためのスパッタリングの初期過程においては、ターゲットの表面部が十分に窒化されていないので、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素、又は窒化タングステンが十分に供給されなくなる。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着することに起因して、ゲート絶縁膜に供給される窒素量がさらに減少する。
【００２３】
従って、第２の従来例においては、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を十分に行なうことができないため、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減できないので、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大してしまう。
【００２４】
以上に説明したこと、すなわち、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程がゲート絶縁膜の信頼性に悪影響を与えることが従来知られていなかったため、積層メタルゲート電極を備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制することは困難であった。
【００２５】
本発明は、前記の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなる第１のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、第１のターゲットと同一の高融点金属からなる第２のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、高融点金属窒化物膜の上に、ゲート電極の中層部又は上層部となる高融点金属膜を形成する工程とを備えている。
【００２６】
第１の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程とが、それぞれ異なるターゲットを用いて行なわれるため、高融点金属窒化物膜を形成するための第１のターゲットの表面部に含まれる窒素が、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において失われる事態を回避できる。このため、高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００２７】
第１の半導体装置の製造方法において、高融点金属窒化物膜を形成する工程と高融点金属膜を形成する工程とは、互いに異なるチャンバーにおいて行なわれることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜に供給される窒素が減少する事態を防止できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を一層確実に行なうことができる。
【００２９】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、第１の高融点金属窒化物膜の上に、ゲート電極の中層部となる高融点金属膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、高融点金属膜の上に、ゲート電極の上層部となる第２の高融点金属窒化物膜を形成すると共に、前記のターゲットの表面部を窒化する工程とを備えている。
【００３０】
第２の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中で第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程において用いられたターゲットが、引き続き、第１の高融点金属窒化物膜を形成するために用いられるので、第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、該高融点金属は、前回のウェハー処理で行なわれた第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程において窒化されている。
【００３１】
このため、第１の高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００３２】
また、第２の半導体装置の製造方法によると、第１の高融点金属窒化物膜、高融点金属膜、及び第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するゲート電極が形成されるため、言い換えると、ゲート電極において第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の上に形成されているため、ゲート電極の上に、酸素ガスを含む雰囲気中で、酸化物系の絶縁膜を堆積した場合にも、第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極の酸化に起因したゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００３３】
第２の半導体装置の製造方法において、第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、半導体基板上の段差部においても第１の高融点金属窒化物膜が連続的に形成されるので、後の工程において半導体基板に不純物が混入する事態を回避できる。
【００３５】
第２の半導体装置の製造方法において、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、第２の高融点金属窒化物膜を形成するときに、ターゲットの表面部を確実に窒化でき、また、高融点金属膜の酸化つまりゲート電極の酸化を確実に防止できる。
【００３７】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された凹部の底面に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、凹部における絶縁膜の上に第１の高融点金属窒化物膜を、凹部が途中まで埋まるように形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、第１の高融点金属窒化物膜の上に高融点金属膜を、凹部が完全に埋まるように形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記のターゲットの表面部を窒化する工程と、ターゲットの表面部を窒化する工程において高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去することにより、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程とを備えている。
【００３８】
第３の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれた後、窒素ガスを含む雰囲気中で前記のターゲットの表面部を窒化する工程が行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において表面部が窒化されたターゲットが、引き続き、第１の高融点金属窒化物膜を形成するために用いられるので、第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、該高融点金属は、前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において窒化されている。
【００３９】
このため、第１の高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００４０】
また、第３の半導体装置の製造方法によると、半導体基板上に形成された凹部に、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜を順次埋め込んだ後、ターゲットの表面部を窒化し、その後、該窒化工程において高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去するため、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜のみからなるゲート電極、言い換えると、高融点金属膜よりも高い抵抗を有する第２の高融点金属窒化物膜を含まないゲート電極が形成される。このため、次回のウェハー処理のためにターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行ない、その結果、第２の高融点金属窒化物膜が厚く形成されてしまった場合にも、ゲート電極の抵抗が増大する事態を回避できる。
【００４１】
すなわち、第３の半導体装置の製造方法によると、ゲート電極の高抵抗化を防止しつつ、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうことが可能になるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を一層確実に抑制できる。
【００４２】
第３の半導体装置の製造方法において、ターゲットの表面部を窒化する工程は、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、ターゲットの表面部を一層確実に窒化できる。
【００４４】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたシリコン窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に形成された第１の高融点金属窒化物膜、第１の高融点金属窒化物膜の上に形成された高融点金属膜、及び高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するゲート電極とを備え、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面の近傍に含まれる窒素の重量比は１〜４％程度である。
【００４５】
本発明の半導体装置によると、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度であるため、ゲート絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜をスパッタリングにより形成したときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが低減されるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００４６】
また、本発明の半導体装置によると、ゲート電極が、第１の高融点金属窒化物膜、高融点金属膜、及び第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するため、言い換えると、ゲート電極において第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の上に形成されているため、ゲート電極の上に、酸素ガスを含む雰囲気中で、酸化物系の絶縁膜を堆積したときに、第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極の酸化に起因したゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００４７】
本発明の半導体装置において、第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４８】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００４９】
本発明の半導体装置において、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００５０】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、高融点金属膜の酸化つまりゲート電極の酸化を確実に防止できる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。尚、第１の実施形態においては、マルチチャンバーのスパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００５２】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１００の表面部に素子分離絶縁膜１０１及びｐ型半導体領域１０２を順次形成した後、半導体基板１００の上における素子分離絶縁膜１０１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜１０３を形成する。このとき、シリコン窒化酸化膜１０３に含まれる窒素は、半導体基板１００との界面の近傍に集中するため、シリコン窒化酸化膜１０３の表面部には窒素がほとんど含まれていない。
【００５３】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置の第１のチャンバー（図示省略）に半導体基板１００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなる第１のターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１００の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍのタングステン窒化膜１０４を堆積する。このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、シリコン窒化酸化膜１０３つまりゲート絶縁膜の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージが低減する。
【００５４】
次に、前記のＤＣマグネトロンスパッタリング装置の第２のチャンバー（図示省略）に半導体基板１００を搬送した後、例えばアルゴンガス又はキセノンガス等の不活性ガスの雰囲気中で、タングステンからなる第２のターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図１（ｃ）に示すように、タングステン窒化膜１０４の上に膜厚９０ｎｍのタングステン膜１０５を堆積する。これにより、タングステン窒化膜１０４及びタングステン膜１０５からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜１０６が形成される。
【００５５】
次に、図１（ｄ）に示すように、高融点金属積層膜１０６の上に、例えばシリコン窒化膜１０７を形成した後、図２（ａ）に示すように、シリコン窒化膜１０７の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン１０８を形成し、その後、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン１０８をマスクとして、シリコン窒化膜１０７に対してドライエッチングを行なって、シリコン窒化膜１０７をパターン化する。
【００５６】
次に、レジストパターン１０８を除去した後、図２（ｃ）に示すように、パターン化されたシリコン窒化膜１０７Ａをマスクとして、高融点金属積層膜１０６及びシリコン窒化酸化膜１０３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜１０６及びシリコン窒化酸化膜１０３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜１０６、つまりパターン化されたタングステン窒化膜１０４Ａ及びパターン化されたタングステン膜１０５ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極１０６Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜１０３からなるゲート絶縁膜１０３Ａが形成される。
【００５７】
次に、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極１０６Ａをマスクとして半導体基板１００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域１０９を形成した後、ゲート電極１０６Ａの側面にサイドウォールスペーサ１１０を形成し、その後、ゲート電極１０６Ａ及びサイドウォールスペーサ１１０をマスクとして半導体基板１００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域１１１を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【００５８】
第１の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステン窒化膜１０４を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜１０５を堆積する工程とが、それぞれ異なるターゲットを用いて行なわれるため、タングステン窒化膜１０４を堆積するための第１のターゲットの表面部に含まれる窒素が、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜１０５を堆積する工程において失われる事態を回避できる。このため、タングステン窒化膜１０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、シリコン窒化酸化膜１０３つまりゲート絶縁膜１０３Ａに窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００５９】
また、第１の実施形態によると、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とが互いに異なるチャンバーにおいて行なわれるため、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜１０５を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンに起因して、タングステン窒化膜１０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜１０３Ａに供給される窒素が減少する事態を防止できるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に対する窒化処理を一層確実に行なうことができる。
【００６０】
図３（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示しており、図３（ｃ）は、第１の比較例として、従来の半導体装置の製造方法を用いて、第１の実施形態と同一の膜構成が形成された場合、つまり、タングステンからなる同一のターゲットを用いて、タングステン窒化膜及びタングステン膜が連続的に堆積された場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示している。
【００６１】
尚、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すゲート絶縁膜のリーク電流は、ゲート絶縁膜に５ＭＶ／ｃｍの電界が印加された場合に生じたリーク電流を、連続処理された１０枚のウェハーについて平均したものである。
【００６２】
また、図３（ａ）及び図３（ｃ）において、Ｅ−ｎ（ｎは自然数）は、１０^-nを示している。
【００６３】
図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合と比べて、ゲート絶縁膜のリーク電流を約１桁小さい値に低減することができる。
【００６４】
尚、第１の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。但し、第１のターゲット及び第２のターゲットとしては、同一の高融点金属材料が用いられる。
【００６５】
また、第１の実施形態において、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とを、それぞれ異なるチャンバーを用いて行なったが、これに代えて、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とを、それぞれの工程で用いられる少なくとも２つのターゲットを備えており、各ターゲットの近傍にのみプラズマが生成される、又は各ターゲットの周囲に生成されるプラズマが他のターゲットに影響を及ぼさないようにシャッター等により遮蔽される単一のチャンバーを用いて行なった場合にも、同等の効果が得られる。
【００６６】
また、第１の実施形態において、タングステン窒化膜１０４を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、シリコン窒化酸化膜１０３の表面部、つまりゲート絶縁膜１０３Ａにおけるゲート電極１０６Ａとの界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【００６７】
また、第１の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【００６８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板２００の表面部に素子分離絶縁膜２０１及びｐ型半導体領域２０２を順次形成した後、半導体基板２００の上における素子分離絶縁膜２０１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜２０３を形成する。このとき、シリコン窒化酸化膜２０３に含まれる窒素は、半導体基板２００との界面の近傍に集中するため、シリコン窒化酸化膜２０３の表面部には窒素がほとんど含まれていない。
【００７０】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバー（図示省略）に半導体基板２００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２００の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍの第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する。
【００７１】
このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、シリコン窒化酸化膜２０３つまりゲート絶縁膜の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージが低減する。
【００７２】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、第１のタングステン窒化膜２０４の上に膜厚８０ｎｍのタングステン膜２０５を堆積する。その後、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス（窒素ガスの流量比は、例えば４０％）に変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン膜２０５の上に膜厚１０ｎｍの第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する。これにより、第１のタングステン窒化膜２０４、タングステン膜２０５及び第２のタングステン窒化膜２０６からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜２０７が形成される。
【００７３】
尚、タングステン膜２０５を堆積する工程においては、ターゲットの表面部に含まれる窒素が失われる一方、第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程においては、ターゲットの表面部が再び窒化されるので、異なる半導体基板に対して次回行なわれる、つまり次回のウェハー処理で行なわれる第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は窒化されている。
【００７４】
次に、図４（ｃ）に示すように、酸素ガスを含む雰囲気中で、高融点金属積層膜２０７の上に、例えばシリコン酸化膜２０８を形成した後、図４（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜２０８の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン２０９を形成し、その後、図５（ａ）に示すように、レジストパターン２０９をマスクとして、シリコン酸化膜２０８に対してドライエッチングを行なって、シリコン酸化膜２０８をパターン化する。
【００７５】
次に、レジストパターン２０９を除去した後、図５（ｂ）に示すように、パターン化されたシリコン酸化膜２０８Ａをマスクとして、高融点金属積層膜２０７及びシリコン窒化酸化膜２０３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜２０７及びシリコン窒化酸化膜２０３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜２０７、つまりパターン化された第１のタングステン窒化膜２０４Ａ、パターン化されたタングステン膜２０５Ａ及びパターン化された第２のタングステン窒化膜２０６ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極２０７Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜２０３からなるゲート絶縁膜２０３Ａが形成される。
【００７６】
次に、図５（ｃ）に示すように、ゲート電極２０７Ａをマスクとして半導体基板２００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域２１０を形成した後、ゲート電極２０７Ａの側面にサイドウォールスペーサ２１１を形成し、その後、ゲート電極２０７Ａ及びサイドウォールスペーサ２１１をマスクとして半導体基板２００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域２１２を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【００７７】
第２の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜２０５を堆積する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中で第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程において用いられたターゲットが、引き続き、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積するために用いられるので、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜２０５を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンは、前回のウェハー処理で行なわれた第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程において窒化されている。
【００７８】
このため、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、シリコン窒化酸化膜２０３つまりゲート絶縁膜２０３Ａに窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜２０３Ａの表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜２０３Ａの表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜２０３Ａのリーク電流を抑制できる。
【００７９】
図３（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示している。
【００８０】
尚、図３（ｂ）に示すゲート絶縁膜のリーク電流は、ゲート絶縁膜に５ＭＶ／ｃｍの電界が印加された場合に生じたリーク電流を、連続処理された１０枚のウェハーについて平均したものである。また、図３（ｂ）において、Ｅ−ｎ（ｎは自然数）は、１０^-nを示している。
【００８１】
第２の実施形態においては、従来の半導体装置の製造方法と同様に、同一のターゲットを用いて、タングステン窒化膜及びタングステン膜からなる積層メタルゲート電極を形成しているにも関わらず、図３（ｂ）に示すように、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合（図３（ｃ）参照）と比べて、ゲート絶縁膜のリーク電流を約１／２桁小さい値に低減できる。
【００８２】
また、第２の実施形態によると、第１のタングステン窒化膜２０４、タングステン膜２０５及び第２のタングステン窒化膜２０６が積層された構造を有するゲート電極２０７Ａが形成されるため、言い換えると、ゲート電極２０７Ａにおいて第２のタングステン窒化膜２０６がタングステン膜２０５の上に形成されているため、ゲート電極２０７Ａの上に、例えばハードマスク材料としてシリコン酸化膜２０８が形成された場合にも、第２のタングステン窒化膜２０６がタングステン膜２０５の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極２０７Ａの酸化に起因したゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できる。
【００８３】
尚、第２の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。
【００８４】
また、第２の実施形態において、第１のタングステン窒化膜２０４及び第２のタングステン窒化膜２０６を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する場合、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、シリコン窒化酸化膜２０３の表面部、つまりゲート絶縁膜２０３Ａにおけるゲート電極２０７Ａとの界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜２０３Ａの表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【００８５】
また、第２の実施形態において、第１のタングステン窒化膜２０４の膜厚は、５〜２０ｎｍ程度あることが好ましい。
【００８６】
このようにすると、ゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できると共に、半導体基板２００上の段差部においても第１のタングステン窒化膜２０４が連続的に形成されるので、後の工程において半導体基板２００に不純物が混入する事態を回避できる。
【００８７】
また、第２の実施形態において、第２のタングステン窒化膜２０６の膜厚は、５〜２０ｎｍ程度あることが好ましい。
【００８８】
このようにすると、ゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できると共に、第２のタングステン窒化膜２０６を堆積するときに、ターゲットの表面部を確実に窒化でき、また、タングステン膜２０５の酸化つまりゲート電極２０７Ａの酸化を確実に防止できる。
【００８９】
また、第２の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【００９０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図６（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００９１】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板３００の表面部に素子分離絶縁膜３０１及びｐ型半導体領域３０２を順次形成した後、半導体基板３００の上における素子分離絶縁膜３０１に囲まれた領域に、膜厚１０ｎｍ程度のシリコン酸化膜３０３を形成する。
【００９２】
次に、図６（ｂ）に示すように、半導体基板３００の上に全面に亘って、多結晶シリコン膜３０４を堆積した後、図６（ｃ）に示すように、多結晶シリコン膜３０４の上に、ＭＯＳトランジスタのゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン３０５を形成し、その後、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして、多結晶シリコン膜３０４及びシリコン酸化膜３０３に対して順次ドライエッチングを行なって、多結晶シリコン膜３０４及びシリコン酸化膜３０３をパターン化する。これにより、パターン化された多結晶シリコン膜３０４からなる仮ゲート電極３０４Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン酸化膜３０３からなる仮ゲート絶縁膜３０３Ａが形成される。
【００９３】
次に、図７（ａ）に示すように、仮ゲート電極３０４Ａをマスクとして半導体基板３００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域３０６を形成した後、仮ゲート電極３０４Ａの側面にサイドウォールスペーサ３０７を形成し、その後、仮ゲート電極３０４Ａ及びサイドウォールスペーサ３０７をマスクとして半導体基板３００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域３０８を形成する。
【００９４】
次に、半導体基板３００の上に全面に亘って、層間絶縁膜３０９を堆積した後、図７（ｂ）に示すように、仮ゲート電極３０４Ａの上面が露出するように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて層間絶縁膜３０９を平坦化する。
【００９５】
次に、図７（ｃ）に示すように、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いて、仮ゲート電極３０４Ａに対して選択的にエッチングを行なって、仮ゲート電極３０４Ａを除去した後、フッ酸溶液を用いて、仮ゲート絶縁膜３０３Ａを除去する。これにより、壁部にサイドウォールスペーサ３０７が形成され、底面にｐ型半導体領域３０２の一部、つまりＭＯＳトランジスタのチャネル領域が露出したゲート電極形成用溝３１０が形成される。
【００９６】
次に、図８（ａ）に示すように、ｐ型半導体領域３０２におけるゲート電極形成用溝３１０に露出する部分に対して、酸素ガスを含む雰囲気中で熱酸化を行なうことにより、ＭＯＳトランジスタのチャネル領域の上に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３１１を形成する。
【００９７】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバー（図示省略）に半導体基板３００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極形成用溝３１０を含む層間絶縁膜３０９の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍの第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する。
【００９８】
このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、ゲート絶縁膜３１１の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜３１１の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜３１１の表面部に生じるダメージが低減する。
【００９９】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、第１のタングステン窒化膜３１２の上に膜厚１００ｎｍのタングステン膜３１３を、ゲート電極形成用溝３１０が完全に埋まるように堆積する。その後、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス（窒素ガスの流量比は、例えば４０％）に変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、前記のターゲットの表面部を窒化する。このとき、タングステン膜３１３の上に堆積される第２のタングステン窒化膜３１４の膜厚が５０ｎｍに達するまで、前記のターゲットの表面部を窒化する。これにより、異なる半導体基板に対して次回行なわれる、つまり次回のウェハー処理で行なわれる第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は確実に窒化されている。
【０１００】
次に、図８（ｃ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて、第２のタングステン窒化膜３１４、タングステン膜３１３及び第１のタングステン窒化膜３１２における層間絶縁膜３０９の上に露出する部分を除去することにより、ゲート電極形成用溝３１０の内部に、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３からなるゲート電極３１５を形成する。続いて、図示は省略しているが、周知の方法により、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【０１０１】
第３の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜３１３を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれた後、窒素ガスを含む雰囲気中で前記のターゲットの表面部を窒化する工程が行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において表面部が窒化されたターゲットが、引き続き、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積するために用いられるので、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜３１３を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンは、前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において窒化されている。
【０１０２】
このため、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜３１１に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜３１１の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、ゲート絶縁膜３１１の表面部にスパッタリングにより生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜３１１のリーク電流を抑制できる。
【０１０３】
また、第３の実施形態によると、半導体基板３００上の層間絶縁膜３０９に形成されたゲート電極形成用溝３１０に、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３を埋め込んだ後、ターゲットの表面部を窒化し、その後、該窒化工程においてタングステン膜３１３の上に堆積された第２のタングステン窒化膜３１４を除去するため、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３のみからなるゲート電極３１５、言い換えると、タングステン膜３１３よりも高い抵抗を有する第２のタングステン窒化膜３１４を含まないゲート電極３１５が形成される。このため、次回のウェハー処理のためにターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行ない、その結果、第２のタングステン窒化膜３１４が厚く堆積されてしまった場合にも、ゲート電極３１５の抵抗が増大する事態を回避できる。
【０１０４】
すなわち、第２の実施形態においては、ゲート電極が第１のタングステン窒化膜、タングステン膜及び第２のタングステン窒化膜から形成されるため、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうと、第２のタングステン窒化膜の膜厚が厚くなってしまうので、ゲート電極の抵抗が増大してしまうという問題が生じるのに対して、第３の実施形態においては、ゲート電極３１５の抵抗の増大を防止しつつ、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうことが可能になるので、ゲート絶縁膜３１１のリーク電流を一層確実に抑制できる。
【０１０５】
尚、第３の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。
【０１０６】
また、第３の実施形態において、第１のタングステン窒化膜３１２及び第２のタングステン窒化膜３１４を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する場合、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、ゲート絶縁膜３１１の表面部、つまりゲート絶縁膜３１１におけるゲート電極３１５との界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜３１１の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【０１０７】
また、第３の実施形態において、窒素ガスを含む雰囲気中でターゲットの表面部を窒化する工程は、タングステン膜３１３の上に堆積される第２のタングステン窒化膜３１４の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることが好ましい。
【０１０８】
このようにすると、ターゲットの表面部を一層確実に窒化できる。
【０１０９】
また、第３の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明によると、スパッタリングを用いて、ゲート絶縁膜の上に積層メタルゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成するときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが低減されるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図であり、（ｃ）は第１の比較例として、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１００半導体基板
１０１素子分離絶縁膜
１０２ｐ型半導体領域
１０３シリコン窒化酸化膜
１０３Ａゲート絶縁膜
１０４タングステン窒化膜
１０４Ａパターン化されたタングステン窒化膜
１０５タングステン膜
１０５Ａパターン化されたタングステン膜
１０６高融点金属積層膜
１０６Ａゲート電極
１０７シリコン窒化膜
１０７Ａパターン化されたシリコン窒化膜
１０８レジストパターン
１０９低濃度不純物領域
１１０サイドウォールスペーサ
１１１高濃度不純物領域
２００半導体基板
２０１素子分離絶縁膜
２０２ｐ型半導体領域
２０３シリコン窒化酸化膜
２０３Ａゲート絶縁膜
２０４第１のタングステン窒化膜
２０４Ａパターン化された第１のタングステン窒化膜
２０５タングステン膜
２０５Ａパターン化されたタングステン膜
２０６第２のタングステン窒化膜
２０６Ａパターン化された第２のタングステン窒化膜
２０７高融点金属積層膜
２０７Ａゲート電極
２０８シリコン酸化膜
２０８Ａパターン化されたシリコン酸化膜
２０９レジストパターン
２１０低濃度不純物領域
２１１サイドウォールスペーサ
２１２高濃度不純物領域
３００半導体基板
３０１素子分離絶縁膜
３０２ｐ型半導体領域
３０３シリコン酸化膜
３０３Ａ仮ゲート絶縁膜
３０４多結晶シリコン膜
３０４Ａ仮ゲート電極
３０５レジストパターン
３０６低濃度不純物領域
３０７サイドウォールスペーサ
３０８高濃度不純物領域
３０９層間絶縁膜
３１０ゲート電極形成用溝
３１１ゲート絶縁膜
３１２第１のタングステン窒化膜
３１３タングステン膜
３１４第２のタングステン窒化膜
３１５ゲート電極[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a semiconductor device having a metal gate electrode and a method for manufacturing the same, and more particularly to a method for forming a metal gate electrode made of a refractory metal multilayer film when a wafer serving as a semiconductor substrate is subjected to single wafer processing.
[0002]
[Prior art]
In order to realize miniaturization, high integration, and low voltage of a MOS type semiconductor device, the delay time caused by the wiring resistance is reduced by reducing the resistance of materials such as wiring or electrodes constituting the semiconductor device. There is a need to reduce.
[0003]
Therefore, a laminated film of a polycrystalline silicon film and a metal silicide film has conventionally been used as a material for the gate electrode of the MOS transistor.
[0004]
However, in a fine process of 0.10 μm or less, a gate electrode made of a laminated film of a polycrystalline silicon film and a metal silicide film cannot realize a sufficiently low resistance. A metal gate process in which a gate electrode is formed using a refractory metal film such as tungsten, titanium, molybdenum, or tantalum instead of a laminated film with a silicide film has been studied.
[0005]
In a method of forming a gate electrode by a metal gate process, a technique for improving the reliability of a gate insulating film has been reported (Morakiwaki et al., In-situ plasma nitriding effect at PVD-W metal gate / oxide film interface, 46th Proceedings of the 2nd Annual Meeting of the Japan Society of Applied Physics, 2nd volume 30a-ZS-10).
[0006]
Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device (hereinafter referred to as a first conventional example) in which a metal gate electrode is formed using the above-described method will be described.
[0007]
In the first conventional example, sputtering is performed using a target made of tungsten in an atmosphere containing nitrogen gas, so that a tungsten nitride film serving as a gate electrode is formed on a gate oxide film formed on the semiconductor substrate. A single layer film is formed. At this time, since nitrogen is supplied to the surface of the gate oxide film in the initial process of sputtering, the surface portion of the gate oxide film is nitrided. The reliability of the oxide film is improved and the leakage current of the gate insulating film is suppressed.
[0008]
However, since the resistance value of the tungsten nitride film is about 5 to 20 times higher than the resistance value of the tungsten film, the resistance of the gate electrode is used in the first conventional example in which the gate electrode is formed using only the tungsten nitride film. This causes a problem of increasing.
[0009]
Therefore, a method of forming a laminated metal gate electrode using a laminated film made of a refractory metal nitride film and a refractory metal film has been studied.
[0010]
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device for forming a laminated metal gate electrode (hereinafter referred to as a second conventional example) will be described with reference to FIGS. 9 (a) to 9 (d) and FIGS. 10 (a) to 10 (c). explain. In the second conventional example, a single wafer processing of a wafer to be a semiconductor substrate is performed using a sputtering apparatus.
[0011]
First, as shown in FIG. 9A, an element isolation insulating film 11 and a p-type semiconductor region 12 are sequentially formed on a surface portion of a semiconductor substrate 10 made of silicon, and then the element isolation insulating film 11 on the semiconductor substrate 10 is formed. A silicon oxynitride film 13 having a film thickness of 3.0 nm is formed in a region surrounded by, as a gate insulating film of the MOS transistor.
[0012]
Next, after transporting the semiconductor substrate 10 to the chamber of the DC magnetron sputtering apparatus, sputtering is performed using a target made of tungsten in an atmosphere of a mixed gas of argon gas and nitrogen gas, thereby FIG. 9B. As shown, a tungsten nitride film 14 having a thickness of 10 nm is deposited on the entire surface of the semiconductor substrate 10.
[0013]
Subsequently, the atmosphere of the chamber is changed to an inert gas such as an argon gas, and sputtering is continuously performed using the target, whereby a tungsten film 15 having a thickness of 90 nm is formed on the tungsten nitride film 14. To deposit. As a result, a refractory metal laminated film 16 comprising the tungsten nitride film 14 and the tungsten film 15 and forming the gate electrode is formed.
[0014]
Next, as shown in FIG. 9C, for example, a silicon nitride film 17 is formed on the refractory metal laminated film 16, and then on the silicon nitride film 17 as shown in FIG. 9D. Then, a resist pattern 18 is formed so as to cover the gate electrode formation region, and then, as shown in FIG. 10A, dry etching is performed on the silicon nitride film 17 using the resist pattern 18 as a mask to form silicon nitride. The film 17 is patterned.
[0015]
Next, after the resist pattern 18 is removed, as shown in FIG. 10B, the refractory metal laminated film 16 and the silicon oxynitride film 13 are sequentially dried using the patterned silicon nitride film 17A as a mask. Etching is performed to pattern the refractory metal multilayer film 16 and the silicon oxynitride film 13. As a result, the patterned refractory metal laminated film 16, that is, the gate electrode 16A of the NMOS transistor including the patterned tungsten nitride film 14A and the patterned tungsten film 15A is formed, and patterned silicon is formed. Gate insulating film 13A made of nitrided oxide film 13 is formed.
[0016]
Next, as shown in FIG. 10C, an n-type impurity region 19 is formed by implanting an n-type impurity into the semiconductor substrate 10 using the gate electrode 16A as a mask, and then the gate electrode Sidewall spacers 20 are formed on the side surfaces of 16A, and then n-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 10 using the gate electrode 16A and the sidewall spacers 20 as a mask, thereby forming n-type high-concentration impurity regions 21. Form. Subsequently, although not shown, a semiconductor device is completed by forming an interlayer insulating film, contacts, metal wirings, and the like.
[0017]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the deposition conditions of the tungsten nitride film that is the lower layer portion of the stacked metal gate electrode in the second conventional example are the same as the deposition conditions of the tungsten nitride film that is the single-layer metal gate electrode in the first conventional example, The second conventional example has an advantage that the resistance of the gate electrode is reduced as compared with the first conventional example, but has a problem that the leakage current of the gate insulating film increases.
[0018]
In view of the foregoing, an object of the present invention is to suppress a leakage current of a gate insulating film in a semiconductor device including a laminated metal gate electrode made of a refractory metal nitride film and a refractory metal film.
[0019]
[Means for Solving the Problems]
The inventors of the present invention examined the cause of the increase in leakage current of the gate insulating film in the second conventional example. Hereinafter, the examination results will be described.
[0020]
In order to suppress the leakage current of the gate insulating film, when forming a refractory metal nitride film as a lower layer part of the gate electrode on the gate insulating film, damage caused by sputtering on the surface part of the gate insulating film is prevented. Must be reduced. For this purpose, in the initial stage of sputtering, in other words, when the refractory metal nitride film starts to be formed on the gate insulating film, it is necessary to sufficiently perform nitriding treatment on the surface portion of the gate insulating film.
[0021]
By the way, in the second conventional example, wafer processing as a semiconductor substrate is performed, and sputtering is performed using the same target while changing the atmosphere in the same chamber in order to reduce the manufacturing cost. By continuously performing the above, a laminated film of a tungsten nitride film and a tungsten film is deposited.
[0022]
That is, in the second conventional example, the step of depositing the tungsten nitride film in an atmosphere containing nitrogen gas and the step of depositing the tungsten film in an atmosphere of inert gas are performed continuously using the same target. Therefore, the target used in the process of depositing the tungsten film performed on the different semiconductor substrate in the previous process, that is, performed in the previous wafer process, is continuously used to deposit the tungsten nitride film. . At this time, in the step of depositing the tungsten nitride film, the surface portion of the target is nitrided, while in the step of depositing the tungsten film, nitrogen is lost from the surface portion of the target, so that sputtering for depositing the tungsten nitride film is performed. In the initial process, since the surface portion of the target is not sufficiently nitrided, nitrogen or tungsten nitride is not sufficiently supplied to the gate insulating film formed on the semiconductor substrate. In addition, the amount of nitrogen supplied to the gate insulating film is further reduced due to tungsten adhering to the inner wall of the chamber in the step of depositing the tungsten film performed in the previous wafer processing.
[0023]
Therefore, in the second conventional example, since the nitriding treatment cannot be sufficiently performed on the surface portion of the gate insulating film, the damage generated on the surface portion of the gate insulating film due to sputtering cannot be reduced. Will increase.
[0024]
What has been described above, that is, since it has not been conventionally known that the step of depositing the tungsten film performed in the previous wafer processing has an adverse effect on the reliability of the gate insulating film, a semiconductor having a laminated metal gate electrode In the device, it is difficult to suppress the leakage current of the gate insulating film.
[0025]
The present invention has been made on the basis of the above knowledge. Specifically, in the first method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming an insulating film to be a gate insulating film on a semiconductor substrate. Then, sputtering is performed using a first target made of a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas, thereby nitriding the surface portion of the insulating film and forming a lower layer portion of the gate electrode on the insulating film. The step of forming the refractory metal nitride film and the sputtering using the second target made of the same refractory metal as the first target in an inert gas atmosphere, thereby performing the refractory metal nitride. Forming a refractory metal film to be the middle layer or upper layer of the gate electrode on the film.
[0026]
According to the first method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the refractory metal nitride film in an atmosphere containing nitrogen gas is different from the step of forming the refractory metal film in an atmosphere of inert gas. Since it is performed using the target, nitrogen contained in the surface portion of the first target for forming the refractory metal nitride film was previously performed on a different semiconductor substrate, that is, performed in the previous wafer processing. The situation of being lost in the process of forming the refractory metal film formed can be avoided. Therefore, in the initial stage of sputtering for forming the refractory metal nitride film, nitrogen can be sufficiently supplied to the gate insulating film formed on the semiconductor substrate, so that the nitriding treatment on the surface portion of the gate insulating film is ensured. Can be done. Therefore, damage generated on the surface portion of the gate insulating film by sputtering can be reduced, and leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[0027]
In the first method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the refractory metal nitride film and the step of forming the refractory metal film are preferably performed in different chambers.
[0028]
In this way, the initial process of sputtering for forming the refractory metal nitride film even when the refractory metal adheres to the inner wall of the chamber in the process of forming the refractory metal film performed in the previous wafer processing. In this case, since the situation where the nitrogen supplied to the gate insulating film is reduced can be prevented, the nitriding treatment on the surface portion of the gate insulating film can be more reliably performed.
[0029]
A second method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film to be a gate insulating film on a semiconductor substrate, and sputtering using a target made of a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas. Performing the step of nitriding the surface portion of the insulating film and forming the first refractory metal nitride film serving as the lower layer portion of the gate electrode on the insulating film, and in an inert gas atmosphere, In the atmosphere containing nitrogen gas, the step of forming a refractory metal film serving as the middle layer of the gate electrode on the first refractory metal nitride film by sputtering using the target of The second refractory metal nitride film to be the upper layer portion of the gate electrode is formed on the refractory metal film by sputtering using the target of The surface portion of the Getto and a step of nitriding.
[0030]
According to the second method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the first refractory metal nitride film in an atmosphere containing nitrogen gas, the step of forming the refractory metal film in an atmosphere of inert gas, Since the step of forming the second refractory metal nitride film in an atmosphere containing nitrogen gas is continuously performed using the same target, it was previously performed on different semiconductor substrates. Since the target used in the step of forming the second refractory metal nitride film performed in the wafer processing is subsequently used to form the first refractory metal nitride film, the first high refractory metal nitride film is used. At the start of the step of forming the melting point metal nitride film, the surface portion of the target is sufficiently nitrided. In addition, even when the refractory metal adheres to the inner wall of the chamber in the step of forming the refractory metal film performed in the previous wafer processing, the refractory metal is not removed from the second high processing temperature performed in the previous wafer processing. Nitriding is performed in the step of forming the melting point metal nitride film.
[0031]
Therefore, in the initial process of sputtering for forming the first refractory metal nitride film, nitrogen can be sufficiently supplied to the gate insulating film formed on the semiconductor substrate. Processing can be performed reliably. Therefore, damage generated on the surface portion of the gate insulating film by sputtering can be reduced, and leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[0032]
Further, according to the second method for manufacturing a semiconductor device, a gate electrode having a structure in which the first refractory metal nitride film, the refractory metal film, and the second refractory metal nitride film are stacked is formed. Therefore, in other words, since the second refractory metal nitride film is formed on the refractory metal film in the gate electrode, an oxide-based oxide is formed on the gate electrode in an atmosphere containing oxygen gas. Even when an insulating film is deposited, the second refractory metal nitride film acts as a barrier film that prevents oxidation of the refractory metal film, thereby preventing the gate electrode from increasing in resistance due to oxidation of the gate electrode. it can.
[0033]
In the second method for manufacturing a semiconductor device, the first refractory metal nitride film preferably has a thickness of about 5 to 20 nm.
[0034]
In this way, the resistance of the gate electrode can be prevented from being increased, and the first refractory metal nitride film is continuously formed at the stepped portion on the semiconductor substrate. Can be avoided.
[0035]
In the second method for fabricating a semiconductor device, the second refractory metal nitride film preferably has a thickness of about 5 to 20 nm.
[0036]
In this way, the resistance of the gate electrode can be prevented from being increased, and the surface portion of the target can be securely nitrided when the second refractory metal nitride film is formed. Oxidation of the gate electrode can be reliably prevented.
[0037]
A third method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention includes a step of forming an insulating film to be a gate insulating film on a bottom surface of a recess formed on a semiconductor substrate, and a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas. Forming a first refractory metal nitride film on the insulating film in the recess so that the recess is partially filled in by nitriding the surface portion of the insulating film by sputtering using a target made of And forming a refractory metal film on the first refractory metal nitride film so that the recess is completely filled by performing sputtering in the inert gas atmosphere using the target. And nitriding the surface portion of the target by performing sputtering using the target in an atmosphere containing nitrogen gas, and a target By removing the second refractory metal nitride film formed on the refractory metal film in the step of nitriding the surface portion, the gate electrode comprising the first refractory metal nitride film and the refractory metal film Forming a step.
[0038]
According to the third method for manufacturing a semiconductor device, the step of forming the first refractory metal nitride film in an atmosphere containing nitrogen gas and the step of forming the refractory metal film in an atmosphere of inert gas. Since the step of nitriding the surface portion of the target in an atmosphere containing nitrogen gas is performed after continuously using the same target, it was performed on a different semiconductor substrate last time, that is, the previous time Since the target whose surface portion has been nitrided in the step of nitriding the surface portion of the target performed in this wafer processing is subsequently used to form the first refractory metal nitride film, the first refractory point At the start of the step of forming the metal nitride film, the surface portion of the target is sufficiently nitrided. Further, even when the refractory metal adheres to the inner wall of the chamber in the process of forming the refractory metal film performed in the previous wafer processing, the refractory metal remains on the surface portion of the target performed in the previous wafer processing. Is nitrided in the step of nitriding.
[0039]
Therefore, in the initial process of sputtering for forming the first refractory metal nitride film, nitrogen can be sufficiently supplied to the gate insulating film formed on the semiconductor substrate. Processing can be performed reliably. Therefore, damage generated on the surface portion of the gate insulating film by sputtering can be reduced, and leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[0040]
Further, according to the third method for manufacturing a semiconductor device, the first refractory metal nitride film and the refractory metal film are sequentially embedded in the recesses formed on the semiconductor substrate, and then the surface portion of the target is nitrided. Thereafter, in order to remove the second refractory metal nitride film formed on the refractory metal film in the nitriding step, the gate electrode composed of only the first refractory metal nitride film and the refractory metal film In other words, a gate electrode not including the second refractory metal nitride film having a higher resistance than the refractory metal film is formed. For this reason, even if the step of nitriding the surface portion of the target for the next wafer processing is performed for a long time, and as a result, the second refractory metal nitride film is formed thick, the resistance of the gate electrode Can be avoided.
[0041]
In other words, according to the third method for manufacturing a semiconductor device, the step of nitriding the surface portion of the target can be performed for a long time while preventing the resistance of the gate electrode from being increased. It can suppress more reliably.
[0042]
In the third method for fabricating a semiconductor device, the step of nitriding the surface portion of the target is preferably performed until the thickness of the second refractory metal nitride film reaches about 50 to 100 nm.
[0043]
In this way, the surface portion of the target can be nitrided more reliably.
[0044]
A semiconductor device according to the present invention includes a gate insulating film made of a silicon oxynitride film formed on a semiconductor substrate, a first refractory metal nitride film formed on the gate insulating film, and a first refractory melting point. A gate electrode having a structure in which a refractory metal film formed on the metal nitride film and a second refractory metal nitride film formed on the refractory metal film are stacked. The weight ratio of nitrogen contained in the vicinity of the interface with the gate electrode in the film is about 1 to 4%.
[0045]
According to the semiconductor device of the present invention, since the weight ratio of nitrogen contained in the vicinity of the interface with the gate electrode in the gate insulating film is about 1 to 4%, the second lower portion of the gate electrode is formed on the gate insulating film. When the refractory metal nitride film 1 is formed by sputtering, damage caused by sputtering on the surface portion of the gate insulating film is reduced, so that leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[0046]
According to the semiconductor device of the present invention, the gate electrode has a structure in which the first refractory metal nitride film, the refractory metal film, and the second refractory metal nitride film are stacked. Since the second refractory metal nitride film is formed on the refractory metal film in the gate electrode, an oxide insulating film is deposited on the gate electrode in an atmosphere containing oxygen gas. In some cases, the second refractory metal nitride film acts as a barrier film for preventing the refractory metal film from being oxidized, so that it is possible to prevent the resistance of the gate electrode from being increased due to the oxidation of the gate electrode.
[0047]
In the semiconductor device of the present invention, the thickness of the first refractory metal nitride film is preferably about 5 to 20 nm.
[0048]
This can prevent the gate electrode from increasing in resistance.
[0049]
In the semiconductor device of the present invention, the thickness of the second refractory metal nitride film is preferably about 5 to 20 nm.
[0050]
In this way, the resistance of the gate electrode can be prevented from being increased, and the oxidation of the refractory metal film, that is, the oxidation of the gate electrode can be reliably prevented.
[0051]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
(First embodiment)
Hereinafter, a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 (a) to 1 (d) and FIGS. 2 (a) to 2 (d). In the first embodiment, single wafer processing of a wafer to be a semiconductor substrate is performed using a multi-chamber sputtering apparatus.
[0052]
First, as shown in FIG. 1A, an element isolation insulating film 101 and a p-type semiconductor region 102 are sequentially formed on a surface portion of a semiconductor substrate 100 made of silicon, and then an element isolation insulating film 101 on the semiconductor substrate 100 is formed. A silicon oxynitride film 103 having a film thickness of 3.0 nm is formed in a region surrounded by the gate electrode to be a gate insulating film of the MOS transistor. At this time, nitrogen contained in the silicon oxynitride film 103 is concentrated in the vicinity of the interface with the semiconductor substrate 100, so that the surface portion of the silicon oxynitride film 103 hardly contains nitrogen.
[0053]
Next, after the semiconductor substrate 100 is transferred to a first chamber (not shown) of a DC magnetron sputtering apparatus, for example, a first target (not shown) made of tungsten, for example, in an atmosphere of a mixed gas of argon gas and nitrogen gas. As shown in FIG. 1B, a tungsten nitride film 104 having a film thickness of 10 nm is deposited over the entire surface of the semiconductor substrate 100. At this time, the flow rate ratio of nitrogen gas in the mixed gas of argon gas and nitrogen gas is set to 40%, for example, to nitride the silicon oxynitride film 103, that is, the surface of the gate insulating film, and The weight ratio of nitrogen contained in the surface portion is set to 1% or more. In this way, damage caused to the surface portion of the gate insulating film by sputtering is reduced.
[0054]
Next, after transporting the semiconductor substrate 100 to a second chamber (not shown) of the DC magnetron sputtering apparatus, a second target made of tungsten in an inert gas atmosphere such as argon gas or xenon gas, for example. By performing sputtering using (not shown), a tungsten film 105 having a thickness of 90 nm is deposited on the tungsten nitride film 104 as shown in FIG. As a result, a refractory metal laminated film 106 which is composed of the tungsten nitride film 104 and the tungsten film 105 and forms the gate electrode is formed.
[0055]
Next, as shown in FIG. 1D, for example, a silicon nitride film 107 is formed on the refractory metal laminated film 106, and then on the silicon nitride film 107 as shown in FIG. Then, a resist pattern 108 is formed so as to cover the gate electrode formation region, and then, as shown in FIG. 2B, dry etching is performed on the silicon nitride film 107 using the resist pattern 108 as a mask to form silicon nitride. The film 107 is patterned.
[0056]
Next, after removing the resist pattern 108, as shown in FIG. 2C, the refractory metal laminated film 106 and the silicon oxynitride film 103 are sequentially dried using the patterned silicon nitride film 107A as a mask. Etching is performed to pattern the refractory metal laminated film 106 and the silicon oxynitride film 103. As a result, the patterned refractory metal laminated film 106, that is, the gate electrode 106A of the NMOS transistor composed of the patterned tungsten nitride film 104A and the patterned tungsten film 105A is formed, and patterned silicon is formed. A gate insulating film 103A made of the nitrided oxide film 103 is formed.
[0057]
Next, as shown in FIG. 2D, an n-type impurity region 109 is formed by implanting an n-type impurity into the semiconductor substrate 100 using the gate electrode 106A as a mask, and then the gate electrode Sidewall spacers 110 are formed on the side surfaces of 106A, and then n-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 100 using the gate electrode 106A and the sidewall spacers 110 as a mask, thereby forming n-type high-concentration impurity regions 111. Form. Subsequently, although not shown, a semiconductor device including a metal gate electrode is completed by forming an interlayer insulating film, a contact, a metal wiring, and the like.
[0058]
According to the first embodiment, the step of depositing the tungsten nitride film 104 in an atmosphere containing nitrogen gas and the step of depositing the tungsten film 105 in an atmosphere of inert gas are performed using different targets. Therefore, the nitrogen contained in the surface portion of the first target for depositing the tungsten nitride film 104 deposits the tungsten film 105 that was previously performed on a different semiconductor substrate, that is, performed in the previous wafer processing. The situation that is lost in the process can be avoided. Therefore, in the initial stage of sputtering for depositing the tungsten nitride film 104, nitrogen can be sufficiently supplied to the silicon oxynitride film 103, that is, the gate insulating film 103A, so that the nitriding treatment on the surface portion of the gate insulating film 103A can be ensured. Can be done. Therefore, damage caused to the surface portion of the gate insulating film 103A by sputtering can be reduced, and leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[0059]
In addition, according to the first embodiment, the step of depositing the tungsten nitride film 104 and the step of depositing the tungsten film 105 are performed in different chambers, so that the tungsten film 105 performed in the previous wafer process is deposited. Even when tungsten adheres to the inner wall of the chamber in the process, it is possible to prevent a situation where nitrogen supplied to the gate insulating film 103A decreases due to the tungsten in the initial stage of sputtering for depositing the tungsten nitride film 104. Therefore, the nitriding process can be more reliably performed on the surface portion of the gate insulating film 103A.
[0060]
FIG. 3A shows the leakage current of the gate insulating film when the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment is used, and FIG. 3C shows the first comparative example. When the same film configuration as that of the first embodiment is formed by using the conventional manufacturing method of a semiconductor device, that is, the tungsten nitride film and the tungsten film are continuously deposited using the same target made of tungsten. In this case, the leakage current of the gate insulating film is shown.
[0061]
The leakage current of the gate insulating film shown in FIGS. 3A and 3C is 10 pieces obtained by continuously processing the leakage current generated when an electric field of 5 MV / cm is applied to the gate insulating film. It is the average for the wafers.
[0062]
3A and 3C, En (n is a natural number) is 10 ^-n Is shown.
[0063]
As shown in FIGS. 3A and 3C, when the method for manufacturing the semiconductor device according to the first embodiment is used, the gate insulating film is not formed compared with the case where the method for manufacturing the conventional semiconductor device is used. Leakage current can be reduced to a value that is about an order of magnitude smaller.
[0064]
In the first embodiment, tungsten is used as the refractory metal material for forming the laminated metal gate electrode, but the same effect can be obtained by using, for example, molybdenum, tantalum, or titanium instead. . However, the same refractory metal material is used as the first target and the second target.
[0065]
In the first embodiment, the step of depositing the tungsten nitride film 104 and the step of depositing the tungsten film 105 are performed using different chambers. Instead, the tungsten nitride film 104 is deposited. The step and the step of depositing the tungsten film 105 include at least two targets used in the respective steps, and plasma is generated only in the vicinity of each target, or plasma generated around each target is generated. The same effect can be obtained when using a single chamber shielded by a shutter or the like so as not to affect other targets.
[0066]
In the first embodiment, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is used for depositing the tungsten nitride film 104. Instead, other inert gas such as xenon gas and nitrogen gas are used. A mixed gas may be used. In addition, the flow rate ratio of nitrogen gas in the mixed gas is preferably set to about 40 to 80%. In this case, the weight ratio of nitrogen contained in the surface portion of the silicon oxynitride film 103, that is, in the vicinity of the interface with the gate electrode 106A in the gate insulating film 103A is about 1 to 4%. Damage caused by sputtering on the surface portion is surely reduced.
[0067]
In the first embodiment, the NMOS transistor is formed, but the same effect can be obtained by forming a PMOS transistor instead.
[0068]
(Second Embodiment)
Hereinafter, a semiconductor device and a manufacturing method thereof according to the second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 4 (a) to (d) and FIGS. 5 (a) to (c). Note that in the method for manufacturing a semiconductor device according to the second embodiment, a wafer serving as a semiconductor substrate is subjected to single wafer processing using a sputtering apparatus.
[0069]
First, as shown in FIG. 4A, an element isolation insulating film 201 and a p-type semiconductor region 202 are sequentially formed on a surface portion of a semiconductor substrate 200 made of silicon, and then an element isolation insulating film 201 on the semiconductor substrate 200 is formed. A silicon oxynitride film 203 having a thickness of 3.0 nm is formed as a gate insulating film of the MOS transistor in a region surrounded by. At this time, since nitrogen contained in the silicon oxynitride film 203 is concentrated in the vicinity of the interface with the semiconductor substrate 200, the surface portion of the silicon oxynitride film 203 contains almost no nitrogen.
[0070]
Next, for example, after the semiconductor substrate 200 is transferred to a chamber (not shown) of a DC magnetron sputtering apparatus, sputtering is performed using a target (not shown) made of tungsten in an atmosphere of a mixed gas of, for example, argon gas and nitrogen gas. As shown in FIG. 4B, a first tungsten nitride film 204 having a thickness of 10 nm is deposited over the entire surface of the semiconductor substrate 200.
[0071]
At this time, the flow rate ratio of the nitrogen gas in the mixed gas of argon gas and nitrogen gas is set to 40%, for example, to nitride the silicon oxynitride film 203, that is, the surface portion of the gate insulating film, so that the gate insulating film The weight ratio of nitrogen contained in the surface portion is set to 1% or more. In this way, damage caused to the surface portion of the gate insulating film by sputtering is reduced.
[0072]
Subsequently, the atmosphere in the chamber is changed to an inert gas such as an argon gas, and sputtering is continuously performed using the target, whereby a film thickness of 80 nm is formed on the first tungsten nitride film 204. A tungsten film 205 is deposited. Thereafter, the atmosphere of the chamber is changed to, for example, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas (the flow rate ratio of nitrogen gas is 40%, for example), and by performing sputtering continuously using the target, A second tungsten nitride film 206 having a thickness of 10 nm is deposited on the tungsten film 205. As a result, a refractory metal laminated film 207 that is composed of the first tungsten nitride film 204, the tungsten film 205, and the second tungsten nitride film 206 and forms the gate electrode is formed.
[0073]
In the step of depositing the tungsten film 205, nitrogen contained in the surface portion of the target is lost, whereas in the step of depositing the second tungsten nitride film 206, the surface portion of the target is nitrided again. The surface portion of the target is nitrided at the start of the step of depositing the first tungsten nitride film 204 performed next time on a different semiconductor substrate, that is, performed in the next wafer processing.
[0074]
Next, as shown in FIG. 4C, after forming, for example, a silicon oxide film 208 on the refractory metal laminated film 207 in an atmosphere containing oxygen gas, as shown in FIG. Then, a resist pattern 209 is formed on the silicon oxide film 208 so as to cover the gate electrode formation region, and then, with respect to the silicon oxide film 208 using the resist pattern 209 as a mask, as shown in FIG. Dry etching is performed to pattern the silicon oxide film 208.
[0075]
Next, after removing the resist pattern 209, as shown in FIG. 5B, the refractory metal multilayer film 207 and the silicon oxynitride film 203 are sequentially dried using the patterned silicon oxide film 208A as a mask. Etching is performed to pattern the refractory metal multilayer film 207 and the silicon oxynitride film 203. Thus, the NMOS transistor comprising the patterned refractory metal laminated film 207, that is, the patterned first tungsten nitride film 204A, patterned tungsten film 205A, and patterned second tungsten nitride film 206A. The gate electrode 207A is formed, and the gate insulating film 203A made of the patterned silicon oxynitride film 203 is formed.
[0076]
Next, as shown in FIG. 5C, an n-type impurity region 210 is formed by implanting an n-type impurity into the semiconductor substrate 200 using the gate electrode 207A as a mask, and then the gate electrode Sidewall spacers 211 are formed on the side surfaces of 207A, and then n-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 200 using the gate electrode 207A and the sidewall spacers 211 as a mask, thereby forming n-type high-concentration impurity regions 212. Form. Subsequently, although not shown, a semiconductor device including a metal gate electrode is completed by forming an interlayer insulating film, a contact, a metal wiring, and the like.
[0077]
According to the second embodiment, a step of depositing the first tungsten nitride film 204 in an atmosphere containing nitrogen gas, a step of depositing the tungsten film 205 in an inert gas atmosphere, and an atmosphere containing nitrogen gas The step of depositing the second tungsten nitride film 206 is continuously performed using the same target, so that the second process performed in the previous wafer processing was performed on different semiconductor substrates. Since the target used in the step of depositing the tungsten nitride film 206 is subsequently used to deposit the first tungsten nitride film 204, at the start of the step of depositing the first tungsten nitride film 204, The surface portion of the target is sufficiently nitrided. In addition, when tungsten adheres to the inner wall of the chamber in the step of depositing the tungsten film 205 performed in the previous wafer processing, the tungsten deposits the second tungsten nitride film 206 performed in the previous wafer processing. In the process of performing nitriding.
[0078]
Therefore, in the initial stage of sputtering for depositing the first tungsten nitride film 204, nitrogen can be sufficiently supplied to the silicon oxynitride film 203, that is, the gate insulating film 203A. Therefore, the nitriding process is performed on the surface portion of the gate insulating film 203A. Can be performed reliably. Therefore, damage caused on the surface portion of the gate insulating film 203A by sputtering can be reduced, and leakage current of the gate insulating film 203A can be suppressed.
[0079]
FIG. 3B shows a leakage current of the gate insulating film in the case where the semiconductor device manufacturing method according to the second embodiment is used.
[0080]
Note that the leakage current of the gate insulating film shown in FIG. 3B is an average of the leakage current generated when an electric field of 5 MV / cm is applied to the gate insulating film with respect to 10 wafers that have been continuously processed. It is. In FIG. 3B, En (n is a natural number) is 10 ^-n Is shown.
[0081]
In the second embodiment, as in the conventional method for manufacturing a semiconductor device, the same target is used to form a laminated metal gate electrode made of a tungsten nitride film and a tungsten film, although FIG. As shown in (b), the leakage current of the gate insulating film can be reduced to a value about 1/2 digit smaller than when a conventional method for manufacturing a semiconductor device is used (see FIG. 3C).
[0082]
Further, according to the second embodiment, the gate electrode 207A having a structure in which the first tungsten nitride film 204, the tungsten film 205, and the second tungsten nitride film 206 are stacked is formed. In other words, the gate electrode Since the second tungsten nitride film 206 is formed on the tungsten film 205 in 207A, even when the silicon oxide film 208 is formed on the gate electrode 207A as a hard mask material, for example. Since the nitride film 206 functions as a barrier film for preventing the tungsten film 205 from being oxidized, the resistance of the gate electrode 207A due to the oxidation of the gate electrode 207A can be prevented.
[0083]
In the second embodiment, tungsten is used as the refractory metal material for forming the laminated metal gate electrode, but the same effect can be obtained by using, for example, molybdenum, tantalum, or titanium instead. .
[0084]
In the second embodiment, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is used to deposit the first tungsten nitride film 204 and the second tungsten nitride film 206. Instead, a xenon gas is used. You may use the mixed gas of other inert gas, such as gas, and nitrogen gas. When depositing the first tungsten nitride film 204, the flow rate ratio of nitrogen gas in the mixed gas is preferably set to about 40 to 80%. In this case, the weight ratio of nitrogen contained in the surface portion of the silicon oxynitride film 203, that is, in the vicinity of the interface between the gate insulating film 203A and the gate electrode 207A is about 1 to 4%. Damage caused by sputtering on the surface portion is surely reduced.
[0085]
In the second embodiment, the thickness of the first tungsten nitride film 204 is preferably about 5 to 20 nm.
[0086]
In this way, the resistance of the gate electrode 207A can be prevented from being increased, and the first tungsten nitride film 204 is continuously formed at the stepped portion on the semiconductor substrate 200. The situation where impurities are mixed can be avoided.
[0087]
In the second embodiment, the thickness of the second tungsten nitride film 206 is preferably about 5 to 20 nm.
[0088]
In this way, the resistance of the gate electrode 207A can be prevented from being increased, the surface portion of the target can be nitrided reliably when the second tungsten nitride film 206 is deposited, and the oxidation of the tungsten film 205, that is, the gate electrode The oxidation of 207A can be reliably prevented.
[0089]
In the second embodiment, the NMOS transistor is formed, but the same effect can be obtained by forming a PMOS transistor instead.
[0090]
(Third embodiment)
Hereinafter, with reference to FIGS. 6A to 6D, FIGS. 7A to 7C, and FIGS. 8A to 8C, the semiconductor device manufacturing method according to the third embodiment of the present invention will be described. While explaining. Note that, in the method for manufacturing a semiconductor device according to the third embodiment, a single wafer processing of a wafer to be a semiconductor substrate is performed using a sputtering apparatus.
[0091]
First, as shown in FIG. 6A, an element isolation insulating film 301 and a p-type semiconductor region 302 are sequentially formed on a surface portion of a semiconductor substrate 300 made of silicon, and then an element isolation insulating film 301 on the semiconductor substrate 300 is formed. A silicon oxide film 303 having a thickness of about 10 nm is formed in a region surrounded by.
[0092]
Next, as shown in FIG. 6B, after depositing a polycrystalline silicon film 304 over the entire surface of the semiconductor substrate 300, as shown in FIG. A resist pattern 305 is formed thereon so as to cover the gate electrode formation region of the MOS transistor. Thereafter, as shown in FIG. 6D, the polycrystalline silicon film 304 and the silicon oxide film 303 are formed using the resist pattern 305 as a mask. The polycrystalline silicon film 304 and the silicon oxide film 303 are patterned by sequentially performing dry etching on the film. As a result, a temporary gate electrode 304A made of a patterned polycrystalline silicon film 304 is formed, and a temporary gate insulating film 303A made of a patterned silicon oxide film 303 is formed.
[0093]
Next, as shown in FIG. 7A, an n-type impurity region 306 is formed by implanting an n-type impurity into the semiconductor substrate 300 using the temporary gate electrode 304A as a mask. Sidewall spacers 307 are formed on the side surfaces of the gate electrode 304A, and then n-type impurities are implanted into the semiconductor substrate 300 using the temporary gate electrode 304A and the sidewall spacers 307 as a mask, thereby forming n-type high-concentration impurities. Region 308 is formed.
[0094]
Next, after depositing an interlayer insulating film 309 over the entire surface of the semiconductor substrate 300, as shown in FIG. 7B, chemical mechanical polishing is performed so that the upper surface of the temporary gate electrode 304A is exposed. The interlayer insulating film 309 is planarized using (CMP) method.
[0095]
Next, as shown in FIG. 7C, the temporary gate electrode 304A is selectively etched using an alkaline solution such as KOH to remove the temporary gate electrode 304A, and then the hydrofluoric acid solution is added. Then, the temporary gate insulating film 303A is removed. As a result, a sidewall spacer 307 is formed on the wall, and a gate electrode forming groove 310 is formed on the bottom surface, exposing a part of the p-type semiconductor region 302, that is, the channel region of the MOS transistor.
[0096]
Next, as shown in FIG. 8A, the portion of the p-type semiconductor region 302 exposed in the gate electrode formation groove 310 is thermally oxidized in an atmosphere containing oxygen gas, thereby forming the MOS transistor. A gate insulating film 311 made of a silicon oxide film is formed on the channel region.
[0097]
Next, for example, after the semiconductor substrate 300 is transferred to a chamber (not shown) of a DC magnetron sputtering apparatus, sputtering is performed using a target (not shown) made of tungsten in an atmosphere of a mixed gas of, for example, argon gas and nitrogen gas. Then, as shown in FIG. 8B, a 10-nm-thick first tungsten nitride film 312 is deposited over the entire surface of the interlayer insulating film 309 including the gate electrode formation trench 310. Then, as shown in FIG.
[0098]
At this time, the flow rate ratio of nitrogen gas in the mixed gas of argon gas and nitrogen gas is set to 40%, for example, so that the surface portion of the gate insulating film 311 is nitrided and included in the surface portion of the gate insulating film 311. The weight ratio of nitrogen is 1% or more. In this way, damage caused to the surface portion of the gate insulating film 311 by sputtering is reduced.
[0099]
Subsequently, the atmosphere in the chamber is changed to, for example, an inert gas such as argon gas, and sputtering is continuously performed using the target, whereby a film thickness of 100 nm is formed on the first tungsten nitride film 312. The tungsten film 313 is deposited so that the gate electrode forming groove 310 is completely filled. Thereafter, the atmosphere of the chamber is changed to, for example, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas (the flow rate ratio of nitrogen gas is 40%, for example), and by performing sputtering continuously using the target, The surface portion of the target is nitrided. At this time, the surface portion of the target is nitrided until the thickness of the second tungsten nitride film 314 deposited on the tungsten film 313 reaches 50 nm. Thereby, the surface portion of the target is surely nitrided at the start of the step of depositing the first tungsten nitride film 312 which is performed next on a different semiconductor substrate, that is, performed in the next wafer processing.
[0100]
Next, as illustrated in FIG. 8C, the interlayer insulating film 309 in the second tungsten nitride film 314, the tungsten film 313, and the first tungsten nitride film 312 is formed using a chemical mechanical polishing (CMP) method. By removing the portion exposed above, a gate electrode 315 composed of the first tungsten nitride film 312 and the tungsten film 313 is formed inside the gate electrode forming groove 310. Subsequently, although not shown in the drawings, a semiconductor device including a metal gate electrode is completed by forming a contact, a metal wiring, and the like by a known method.
[0101]
According to the third embodiment, the step of depositing the first tungsten nitride film 312 in an atmosphere containing nitrogen gas and the step of depositing the tungsten film 313 in an atmosphere of inert gas use the same target. Since the step of nitriding the surface portion of the target in an atmosphere containing nitrogen gas is performed after being continuously performed, a different semiconductor substrate was previously performed, that is, performed in the previous wafer processing. Since the target whose surface portion is nitrided in the step of nitriding the surface portion of the target is subsequently used for depositing the first tungsten nitride film 312, the step of depositing the first tungsten nitride film 312 is started. At the time, the surface portion of the target is sufficiently nitrided. Further, even when tungsten adheres to the inner wall of the chamber in the step of depositing the tungsten film 313 performed in the previous wafer processing, the tungsten is in the step of nitriding the surface portion of the target performed in the previous wafer processing. Nitrided.
[0102]
For this reason, in the initial stage of sputtering for depositing the first tungsten nitride film 312, nitrogen can be sufficiently supplied to the gate insulating film 311, so that the nitriding treatment on the surface portion of the gate insulating film 311 can be performed reliably. it can. Therefore, damage caused by sputtering on the surface portion of the gate insulating film 311 can be reduced, and leakage current of the gate insulating film 311 can be suppressed.
[0103]
In addition, according to the third embodiment, after the first tungsten nitride film 312 and the tungsten film 313 are embedded in the gate electrode forming groove 310 formed in the interlayer insulating film 309 on the semiconductor substrate 300, the surface of the target In order to remove the second tungsten nitride film 314 deposited on the tungsten film 313 in the nitridation step, a gate electrode 315 composed of only the first tungsten nitride film 312 and the tungsten film 313, In other words, the gate electrode 315 not including the second tungsten nitride film 314 having a higher resistance than the tungsten film 313 is formed. For this reason, even if the step of nitriding the surface portion of the target for the next wafer processing is performed for a long time and as a result, the second tungsten nitride film 314 is deposited thick, the resistance of the gate electrode 315 is reduced. An increasing situation can be avoided.
[0104]
That is, in the second embodiment, since the gate electrode is formed of the first tungsten nitride film, the tungsten film, and the second tungsten nitride film, if the step of nitriding the surface portion of the target is performed for a long time, Since the thickness of the tungsten nitride film 2 increases, the resistance of the gate electrode increases, whereas in the third embodiment, the increase of the resistance of the gate electrode 315 is prevented. However, since the step of nitriding the surface portion of the target can be performed for a long time, the leakage current of the gate insulating film 311 can be more reliably suppressed.
[0105]
In the third embodiment, tungsten is used as the refractory metal material for forming the laminated metal gate electrode, but the same effect can be obtained by using, for example, molybdenum, tantalum, or titanium instead. .
[0106]
In the third embodiment, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is used to deposit the first tungsten nitride film 312 and the second tungsten nitride film 314. Instead, a xenon gas is used. You may use the mixed gas of other inert gas, such as gas, and nitrogen gas. In addition, when depositing the first tungsten nitride film 312, the flow rate ratio of nitrogen gas in the mixed gas is preferably set to about 40 to 80%. In this case, the weight ratio of nitrogen contained in the surface portion of the gate insulating film 311, that is, in the vicinity of the interface between the gate insulating film 311 and the gate electrode 315 is about 1 to 4%, so the surface of the gate insulating film 311 Damage caused by sputtering on the part is surely reduced.
[0107]
In the third embodiment, in the step of nitriding the surface portion of the target in an atmosphere containing nitrogen gas, the thickness of the second tungsten nitride film 314 deposited on the tungsten film 313 is about 50 to 100 nm. It is preferable to be carried out until the value is reached.
[0108]
In this way, the surface portion of the target can be nitrided more reliably.
[0109]
In the third embodiment, the NMOS transistor is formed, but the same effect can be obtained by forming a PMOS transistor instead.
[0110]
【The invention's effect】
According to the present invention, when sputtering is used to form a refractory metal nitride film as a lower layer part of a laminated metal gate electrode on a gate insulating film, damage caused by sputtering on the surface part of the gate insulating film is reduced. Therefore, the leakage current of the gate insulating film can be suppressed.
[Brief description of the drawings]
FIGS. 1A to 1D are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to a first embodiment.
FIGS. 2A to 2D are cross-sectional views showing respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment. FIGS.
FIG. 3A is a diagram showing a leakage current of a gate insulating film when the method for manufacturing a semiconductor device according to the first embodiment is used, and FIG. 3B is a diagram showing a semiconductor according to the second embodiment. It is a figure which shows the leakage current of a gate insulating film at the time of using the manufacturing method of an apparatus, (c) is a 1st comparative example, when the manufacturing method of the conventional semiconductor device is used as a 1st comparative example It is a figure which shows a leakage current.
4A to 4D are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a second embodiment.
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views showing respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to a second embodiment.
6A to 6D are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment.
7A to 7C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment.
FIGS. 8A to 8C are cross-sectional views illustrating respective steps of a semiconductor device manufacturing method according to a third embodiment.
FIGS. 9A to 9D are cross-sectional views illustrating respective steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device. FIGS.
FIGS. 10A to 10C are cross-sectional views illustrating steps of a conventional method for manufacturing a semiconductor device. FIGS.
[Explanation of symbols]
100 Semiconductor substrate
101 Element isolation insulating film
102 p-type semiconductor region
103 Silicon oxynitride film
103A Gate insulation film
104 Tungsten nitride film
104A patterned tungsten nitride film
105 Tungsten film
105A patterned tungsten film
106 refractory metal laminate film
106A Gate electrode
107 Silicon nitride film
107A patterned silicon nitride film
108 resist pattern
109 Low concentration impurity region
110 Sidewall spacer
111 High concentration impurity region
200 Semiconductor substrate
201 Element isolation insulating film
202 p-type semiconductor region
203 silicon oxynitride film
203A Gate insulating film
204 First tungsten nitride film
204A Patterned first tungsten nitride film
205 Tungsten film
205A patterned tungsten film
206 Second tungsten nitride film
206A Patterned second tungsten nitride film
207 Refractory metal laminated film
207A Gate electrode
208 Silicon oxide film
208A patterned silicon oxide film
209 resist pattern
210 Low concentration impurity region
211 Sidewall spacer
212 High concentration impurity region
300 Semiconductor substrate
301 Element isolation insulating film
302 p-type semiconductor region
303 Silicon oxide film
303A Temporary gate insulating film
304 Polycrystalline silicon film
304A Temporary gate electrode
305 resist pattern
306 Low concentration impurity region
307 Sidewall spacer
308 High concentration impurity region
309 Interlayer insulation film
310 Gate electrode forming groove
311 Gate insulating film
312 First tungsten nitride film
313 Tungsten film
314 Second tungsten nitride film
315 Gate electrode

Claims

半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなる第１のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記第１のターゲットと同一の高融点金属からなる第２のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記高融点金属窒化物膜の上に、前記ゲート電極の中層部又は上層部となる高融点金属膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film to be a gate insulating film on a semiconductor substrate;
Sputtering is performed using a first target made of a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas, thereby nitriding the surface portion of the insulating film and forming a lower layer portion of the gate electrode on the insulating film. Forming a refractory metal nitride film;
Sputtering is performed using a second target made of the same refractory metal as the first target in an inert gas atmosphere, so that the middle layer of the gate electrode is formed on the refractory metal nitride film. Forming a refractory metal film to be a part or an upper layer part. A method for manufacturing a semiconductor device, comprising:

前記高融点金属窒化物膜を形成する工程と前記高融点金属膜を形成する工程とは、互いに異なるチャンバーにおいて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。 2. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 1, wherein the step of forming the refractory metal nitride film and the step of forming the refractory metal film are performed in different chambers.

半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記第１の高融点金属窒化物膜の上に、前記ゲート電極の中層部となる高融点金属膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記高融点金属膜の上に、前記ゲート電極の上層部となる第２の高融点金属窒化物膜を形成すると共に、前記ターゲットの表面部を窒化する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film to be a gate insulating film on a semiconductor substrate;
By performing sputtering using a target made of a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas, the surface portion of the insulating film is nitrided, and the first lower portion of the gate electrode is formed on the insulating film. Forming a refractory metal nitride film;
Forming a refractory metal film serving as a middle layer of the gate electrode on the first refractory metal nitride film by performing sputtering using the target in an inert gas atmosphere; ,
By performing sputtering using the target in an atmosphere containing nitrogen gas, a second refractory metal nitride film serving as an upper layer portion of the gate electrode is formed on the refractory metal film, And a step of nitriding the surface portion of the target.

前記第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であること特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the first refractory metal nitride film has a thickness of about 5 to 20 nm.

前記第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であること特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。 4. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 3, wherein the thickness of the second refractory metal nitride film is about 5 to 20 nm.

半導体基板上に形成された凹部の底面に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記凹部における前記絶縁膜の上に第１の高融点金属窒化物膜を、前記凹部が途中まで埋まるように形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記第１の高融点金属窒化物膜の上に高融点金属膜を、前記凹部が完全に埋まるように形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記ターゲットの表面部を窒化する工程と、
前記ターゲットの表面部を窒化する工程において前記高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去することにより、前記第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。Forming an insulating film to be a gate insulating film on the bottom surface of the recess formed on the semiconductor substrate;
By performing sputtering using a target made of a refractory metal in an atmosphere containing nitrogen gas, the surface portion of the insulating film is nitrided, and the first refractory metal nitriding is performed on the insulating film in the recess. Forming a material film so that the concave portion is partially filled;
Forming a refractory metal film on the first refractory metal nitride film so that the recess is completely filled by performing sputtering using the target in an inert gas atmosphere; ,
Nitriding a surface portion of the target by performing sputtering using the target in an atmosphere containing nitrogen gas; and
The first refractory metal nitride film and the refractory metal are removed by removing the second refractory metal nitride film formed on the refractory metal film in the step of nitriding the surface portion of the target. And a step of forming a gate electrode made of a film.

前記ターゲットの表面部を窒化する工程は、前記第２の高融点金属窒化物膜の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。 7. The method of manufacturing a semiconductor device according to claim 6, wherein the step of nitriding the surface portion of the target is performed until the thickness of the second refractory metal nitride film reaches about 50 to 100 nm. .