電極構造体の形成方法及び半導体装置の製造方法
【課題】 ポリメタル構造を有するゲート電極において、ポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くする。
【解決手段】 半導体基板１０上にゲート絶縁膜１１を介してポリシリコン膜１２を堆積した後、該ポリシリコン膜１２の上に、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６からなるバリア膜を形成する。バリア膜の上にタングステン膜１８を堆積して、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及びタングステン膜１８からなる電極構造体を形成した後、該電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理を施す。このようにすると、第１の窒化チタン膜１４中の窒素がチタン膜１５及びポリシリコン膜１２に拡散して、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間に新たな窒化チタン膜１９が形成されると共に、ポリシリコン膜１２の表面に窒化シリコンからなり厚さの小さい反応層２０が形成される。
【解決手段】 半導体基板１０上にゲート絶縁膜１１を介してポリシリコン膜１２を堆積した後、該ポリシリコン膜１２の上に、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６からなるバリア膜を形成する。バリア膜の上にタングステン膜１８を堆積して、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及びタングステン膜１８からなる電極構造体を形成した後、該電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理を施す。このようにすると、第１の窒化チタン膜１４中の窒素がチタン膜１５及びポリシリコン膜１２に拡散して、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間に新たな窒化チタン膜１９が形成されると共に、ポリシリコン膜１２の表面に窒化シリコンからなり厚さの小さい反応層２０が形成される。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポリシリコン又はアモルファスシリコンからなる下層膜と、高融点金属からなる上層膜とを有する電極構造体の製造方法、及び該電極構造体からなるゲート電極を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のＭＯＳトランジスタにおいては、ゲート電極はポリシリコン膜により形成されていたが、ＬＳＩの微細化及び高速化の進展に伴って、ＭＯＳトランジスタのゲート電極の低抵抗化の要求が大きくなってきた。
【０００３】そこで、ゲート電極の低抵抗化を図るべく、ゲート電極として、下層のポリシリコン膜と上層の高融点金属膜との積層膜からなるポリメタルゲート電極を用いる技術が提案されていると共に、上層の高融点金属膜としてはタングステン膜が提案されている。上層の高融点金属膜としてタングステン膜を用いると、ゲート電極の抵抗値を小さくすることができる。
【０００４】ところで、ポリシリコン膜とタングステン膜との間には、ポリシリコン膜中に導入された不純物（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）のタングステン膜への拡散を防止するために、窒化タングステン（ＷＮx ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜が必要になる（例えば、特開平１１−２６１０５９号公報又は特開平７−２３５５４２号公報を参照）。
【０００５】図１２（ａ）は、第１の従来例に係る電極構造体の断面構造を示している。図１２（ａ）に示すように、半導体基板１の上にゲート絶縁膜２を介してゲート電極が形成されており、該ゲート電極は、下側から順次形成された、ポリシリコン膜３、窒化タングステン（ＷＮx ）からなるバリア膜４Ａ及びタングステン膜５により構成されている。
【０００６】図１２（ｂ）は、第２の従来例に係る電極構造体の断面構造を示している。図１２（ａ）に示すように、半導体基板１の上にゲート絶縁膜２を介してゲート電極が形成されており、該ゲート電極は、下側から順次形成された、ポリシリコン膜３、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜４Ｂ及びタングステン膜５により構成されている。
【０００７】ところで、第１の従来例においては、後工程において熱処理が施されると、図１２（ｃ）に示すように、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａの窒素が蒸発してバリア膜４Ａがタングステン膜５に変化すると共に、バリア膜４Ａの窒素とポリシリコン膜３のシリコンとが反応して、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に抵抗値が極めて大きい窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる反応層６が形成され、これによって、ゲート電極の抵抗値が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】そこで、特開平７−２３５５４２号公報においては、窒化シリコンからなる反応層６の窒素の面密度を所定値以下にすると、反応層６のシート抵抗が低くなって、ゲート電極の抵抗値を低減することができると提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、本件発明者は、第１の従来例において、反応層６の窒素の面密度を所定値以下にしても、ゲート電極の抵抗値を低減することはできないという事実に直面した。
【００１０】そこで、第１の従来例においてゲート電極の抵抗値を低減することができない理由について種々の検討を加えた結果、以下のことを見い出した。すなわち、反応層６における窒素の面密度を低減するべく、バリア膜４Ａの厚さを０．１〜１．０ｎｍ程度に小さくすると、バリア膜４Ａがバリア機能を発揮することができずタングステンシリサイド（ＷＳｉx ）が形成されてしまうため、ゲート電極の抵抗値を低くすることができない。一方、バリア膜４Ａの厚さを１．０ｎｍを超える程度に大きくすると、バリア機能は発揮されるが、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に、抵抗値が極めて大きい窒化シリコンからなる反応層６が形成されるので、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗値が大きくなってしまう。
【００１１】また、窒化タングステン膜は耐熱性に劣るため、７５０℃以上の熱処理が施されると、窒化タングステン膜中の窒素が多量に拡散してしまいタングステン膜になってしまうという問題もある。
【００１２】第２の従来例のように、窒化チタンからなるバリア膜を用いた場合には、以下に説明する理由によって、ポリシリコン膜とタングステン膜との間に、抵抗値が極めて大きい窒化シリコンからなる反応層６が形成されるので、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗値が大きくなってしまう。
【００１３】まず、図１３（ａ）に示すように、半導体基板１の上にはゲート絶縁膜２を介してポリシリコン膜３が形成されており、該ポリシリコン膜３には、ｐ型のゲート電極を形成する場合にはボロン等のｐ型不純物がドーピングされていると共に、ｎ型のゲート電極を形成する場合にはリン等のｎ型不純物がドーピングされている。次に、ポリシリコン膜３の上に窒化チタン膜４Ｂを堆積するため、半導体基板１を、チタンを主成分とするチタンターゲット７が配置されたチャンバー内に搬入した後、該チャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に該チャンバー内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスと窒素ガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中の窒素イオンとポリシリコン膜３中のシリコンとが反応して、ポリシリコン膜３の表面に窒化シリコン膜からなる反応層６が形成される。そして、図１３（ｂ）に示すように、チタンターゲット７が窒化されて窒化チタン膜８が形成されると共に、窒化チタン膜８から窒化チタンが弾き飛ばされ、反応層６の上に窒化チタンからなるバリア膜４Ｂが形成される。
【００１４】次に、半導体基板１を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット９が配置されたチャンバー内に移送した後、該チャンバー内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバー内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンのスパッタリングによりタングステンターゲット９からタングステンが弾き飛ばされ、弾き飛ばされたタングステンが窒化チタン膜４Ｂの表面に堆積されるので、図１３（ｃ）に示すように、窒化チタン膜４Ｂの上に反応層６を介してタングステン膜５が形成される。
【００１５】次に、半導体基板１に、ＭＯＳトランジスタのソース又はドレインとなる不純物層を形成した後、該不純物層を活性化するために例えば７５０℃以上の熱処理を施すと、図１４（ａ）に示すように、バリア膜４Ｂ中の余剰な窒素がポリシリコン膜３の上部に拡散するため、図１４（ｂ）に示すように、窒化チタンからなる反応層６の厚さが大きくなる。
【００１６】また、本件発明者は、熱処理温度と熱処理後のバリア膜の界面抵抗との関係についても検討を加えた。図１５は、熱処理温度（℃）と、熱処理後のポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗（Ｒc ）との関係を示しており、図１５において、●はｎ型のポリシリコン膜（ＮＰＳと表示）の上に窒化タングステン（ＷＮx ）からなるバリア膜を形成した場合を示し、○はｐ型のポリシリコン膜（ＰＰＳと表示）の上に窒化タングステンからなるバリア膜を形成した場合を示し、◆はｎ型のポリシリコン膜の上に窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜を形成した場合を示し、◇はｐ型のポリシリコン膜の上に窒化チタンからなるバリア膜を形成した場合を示している。また、図１５においては、非オーミックであるため、界面抵抗としては１ｍＡ／μｍ2 の電流を流した場合の抵抗値を示している。
【００１７】図１５から、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合には、熱処理の温度が低くても界面抵抗が高いことが分かる。また、本件発明者らの実験では、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合には、熱処理を施さなくても界面抵抗は高い。その理由は、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ポリシリコン膜３とバリア膜４Ｂとの間に窒化チタンからなる反応層６が形成されているためである。
【００１８】また、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａを用いた場合には、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合に比べて界面抵抗は低いが、７５０℃以上の温度の熱処理を施すと、界面抵抗は急激に高くなることが分かる。その理由は、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａを用いた場合に７５０℃以上の温度の熱処理を施すと、窒化タングステン中の窒素が拡散し、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に窒化シリコンからなる反応層６が形成されるためである。
【００１９】ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗（Ｒc ）が大きくなるとＭＯＳトランジスタの動作速度は遅くなる。すなわち、ゲート電極がＡＣ（交流）動作をする場合、ゲート絶縁膜に発生する分布容量に対して充放電が繰り返し行なわれるため、分布界面抵抗に電流が流れるので、分布界面抵抗の影響が現われ、これによって、ＭＯＳトランジスタの動作速度は遅くなるのである。ＭＯＳトランジスタの動作速度が遅くなると、ＬＳＩの動作速度が遅くなって信号遅延時間が増加するという問題がある。ＬＳＩの動作速度が重要視される現在においては、ＭＯＳトランジスタの動作速度は、数％程度劣化するだけでも大きな問題となる。
【００２０】前記に鑑み、本発明は、ポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、本発明に係る電極構造体の形成方法は、シリコンを主成分とするシリコン含有膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなる積層膜を形成する工程と、前記積層膜に対して７５０℃以上の温度で熱処理を施す工程とを備えた電極構造体の形成方法を前提とし、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含む。
【００２２】本発明に係る電極構造体の形成方法によると、熱処理を施した際に、第１の金属膜に含まれる窒素及び第３の金属膜に含まれる窒素の各一部は第２の金属膜の窒化に消費され、第１の金属膜に含まれる窒素のうちシリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量は少なくなるため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなり抵抗値の極めて大きい反応層が形成されないか又は形成されてもその厚さは小さいので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は低くなる。
【００２３】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記金属はチタンであることが好ましい。
【００２４】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記金属を主成分とするターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積して前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積して前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットに対して、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積して前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００２５】このように、第１の金属膜を形成する工程は、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうため、シリコン含有膜の表面にシリコン窒化膜が形成されないので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。また、同一のターゲットを用いて、スパッタリング用のガスを切り替えるだけで、第１の金属膜、第２の金属膜及び第３の金属膜を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００２６】この場合、前記バリア膜を形成する工程の後に、前記第３の金属膜を形成する工程において前記ターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いてスパッタリングを行なう工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２７】このように、第３の金属膜を形成する工程においてターゲットの表面に形成された金属窒化物膜を、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスによりスパッタリングする工程を備えていると、金属窒化物膜に含まれる窒素の濃度が低くなるため、該金属窒化物膜を用いて形成される第１の金属膜の窒素濃度が低減するので、シリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量が一層少なくなる。このため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなる反応層が一層形成され難くなると共に形成されてもその厚さは一層小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００２８】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、表面に前記金属の窒化物膜が形成されている前記金属を主成分とするターゲットが配置されているチャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属の窒化物膜から弾き飛ばされた前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積することにより前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積することにより前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットが配置されている前記チャンバー内に窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積することにより前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００２９】このようにすると、第１の金属膜を形成する工程は、チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入するため、シリコン含有膜の表面にシリコン窒化膜が形成されないので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。また、同一のチャンバー内に配置された同一のターゲットを用いて、スパッタリング用のガスを切り替えるだけで、第１の金属膜、第２の金属膜及び第３の金属膜を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００３０】この場合、前記バリア膜を形成する工程の後に、前記チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせる工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】このように、バリア膜を形成する工程の後に、チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせる工程を備えていると、第３の金属膜を形成する工程においてターゲットの表面に形成された金属窒化物膜を、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスによりスパッタリングすることができるため、金属窒化物膜に含まれる窒素の濃度が低くなり、該金属窒化物膜を用いて形成される第１の金属膜の窒素濃度が低減する。従って、シリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量が一層少なくなるため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなる反応層が一層形成され難くなると共に形成されてもその厚さは一層小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００３２】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域に前記ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入してソース又はドレインとなる不純物層を形成する工程と、７５０℃以上の温度で熱処理を施して前記不純物層を活性化させる工程とを備えた半導体装置の製造方法を前提とし、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含む。
【００３３】本発明に係る半導体装置の製造方法によると、本発明に係る電極構造体の形成方法を用いて半導体装置を製造するため、ソース又はドレインとなる不純物層を活性化するために７５０℃以上の熱処理を施しても、ゲート電極におけるポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることができる。
【００３４】本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記金属はチタンであることが好ましい。
【００３５】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明の第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法として、ゲート電極の形成方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３を参照しながら説明する。
【００３６】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜１１を形成した後、該ゲート絶縁膜１１の上に、減圧ＣＶＤ法によりアモルファスシリコン膜を堆積する。
【００３７】次に、アモルファスシリコン膜におけるｎ型ゲート電極形成領域にリン（Ｐ）イオンを１０ＫｅＶの注入エネルギー及び８×１０15ｃｍ-2のドーズ量でドーピングすると共に、アモルファスシリコン膜におけるｐ型ゲート電極形成領域にボロン（Ｂ）イオンを５ＫｅＶの注入エネルギー及び５×１０15ｃｍ-2のドーズ量でドーピングする。次に、リンイオン又はボロンイオンがドーピングされたアモルファスシリコン膜に対して８００℃の温度下で３０秒間の熱処理を施すことにより、アモルファスシリコン膜を結晶化してｎ型又はｐ型のポリシリコン膜１２を形成した後、ポリシリコン膜１２の表面に形成されているシリコン酸化膜をフッ酸系の洗浄液を用いて除去する。
【００３８】次に、準備工程として、図３に示すように、チタンを主成分とするチタンターゲットが配置されているチャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせて、チタンターゲットの表面に窒化チタン膜を形成する。
【００３９】次に、ウエハ入れ替え工程として、準備工程で用いた半導体基板（ウエハ）を搬出した後、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１０を、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内に搬入する。
【００４０】次に、図３に示すように、該チャンバーＡ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＡ内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンがチタンターゲット１３の表面の窒化チタン膜１３ａをスパッタリングするので、図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜１２の表面には第１の金属膜としての第１の窒化チタン膜１４が堆積される。尚、この工程において、チタンターゲット１３の表面に形成されている窒化チタン膜１３ａは消滅する。
【００４１】次に、チャンバーＡ内へのアルゴンガスの導入及びチャンバー内での放電を継続すると、プラズマ中のアルゴンイオンがチタンターゲット１３をスパッタリングするので、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化チタン膜１４の上には第２の金属膜としてのチタン膜１５が堆積される。
【００４２】次に、図３に示すように、放電を一旦停止した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に、再び放電を起こさせると、図２（ａ）に示すように、チタン膜１５の表面に、第３の金属膜としての第２の窒化チタン膜１６が形成されると共に、チタンターゲット１３の表面にも窒化チタン膜１３ａが形成される。
【００４３】第１の実施形態によると、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内にアルゴンガスを導入することにより、第１の金属膜としての窒化チタン膜１４と第２の金属膜としてのチタン膜１５とを連続して堆積することができると共に、その後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入することにより、チタン膜１５の上に第３の金属膜としての窒化チタン膜１６を形成することができる。すなわち、チタンターゲット１３を取り替えることなく、チャンバーＡ内に導入するガスを切り替えるのみで、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００４４】尚、第２の窒化チタン膜１６を形成する工程においてチタンターゲット１３の表面に形成された窒化チタン膜１３ａを、ポリシリコン膜１２の表面に第１の窒化チタン膜１４を堆積する工程に用いることができる。つまり、第３の金属膜の形成工程と前述した準備工程とを同じ工程で行なうことができる。このようにするとスループットが一層向上する。
【００４５】次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１０を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット１７が配置されたチャンバーＢ内に移送した後、該チャンバーＢ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＢ内に放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンがタングステンターゲット１７をスパッタリングするので、第２の窒化チタン膜１６の上に高融点金属膜としてのタングステン膜１８が堆積される。以上説明した、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及びタングステン膜１８により電極構造体としてのゲート電極が構成され、また、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６によりバリア膜が構成される。尚、バリア膜の厚さとしては、ゲート電極の厚さが大きくなり過ぎないようにするため、５ｎｍ〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４６】次に、図示は省略しているが、半導体基板１０にゲート電極をマスクとして不純物をドーピングして、ソース又はドレインとなる不純物層を形成した後、不純物を活性化するために例えば７５０℃以上の熱処理を施す。
【００４７】ところで、ポリシリコン膜１２とチタン膜１５との間には第１の窒化チタン膜１４が介在しているため、７５０℃以上の熱処理を施しても、ポリシリコン膜１２の表面には、抵抗値の高いチタンシリサイド（ＴｉＳｉ2 ）が形成されない。
【００４８】また、７５０℃以上の熱処理工程において、第１の窒化チタン膜１４中に存在する窒素はチタン膜１５及びポリシリコン膜１２に拡散する。この際、第１の窒化チタン膜１４中及び第２の窒化チタン膜１６中の過剰な窒素がチタン膜１５に拡散することにより、チタン膜１５が窒化チタン膜に変化するので、図２（ｃ）に示すように、新たな窒化チタン膜１９が形成される。また、第１の窒化チタン膜１４中の窒素がポリシリコン膜１２に拡散することにより、ポリシリコン膜１２と窒化チタン膜１９との界面に、シリコン及び窒素を主成分とする反応層２０が形成される。
【００４９】前述したように、シリコン及び窒素を主成分とする反応層２０の抵抗値は極めて大きいため、反応層２０の厚さが大きい場合には、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は高くなる。
【００５０】ところが、第１の実施形態においては、第１の窒化チタン膜１４の上にチタン膜１５が形成されているため、第１の窒化チタン膜１５中の窒素はチタン膜１５の窒化に消費され、ポリシリコン膜１２の窒化に寄与する窒素の量は少なくなるので、反応層２０の厚さは従来に比べて著しく小さくなる。
【００５１】また、熱処理工程において、第２の窒化チタン膜１６中の窒素も拡散するが、第２の窒化チタン膜１６の下側にチタン膜１５が存在しているため、第２の窒化チタン膜１６中の窒素はチタン膜１５の窒化に費やされるためポリシリコン膜１２に到達せず、これにより、第２の窒化チタン膜１６中の窒素に起因する反応層は形成されない。
【００５２】従って、第１の実施形態によると、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は大きく低減する。
【００５３】また、第１の窒化チタン膜１４の厚さとしては、３ｎｍ以下が好ましく２ｎｍ程度が最も好ましい。その理由は、第１の窒化チタン膜１４の厚さが３ｎｍを超えると、７５０℃以上の熱処理工程において形成される反応層２０の厚さが大きくなって、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗が高くなる恐れがあるためである。
【００５４】図４（ａ）、（ｂ）は、バリア膜を構成する、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６における窒素含有量の分布を示しており、横軸はバリア膜とポリシリコン膜との界面から基板側にかけての距離を示している。
【００５５】図４（ａ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮであるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量は０になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量は０であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００５６】図４（ｂ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮであるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度になっており、第２の金属膜の深さ方向の中央部では窒素含有量が大きく低減している。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００５７】図４（ｂ）に示すような窒素含有量分布を実現するためには、チタン膜１５を形成するためにアルゴンガスを導入する時間を短縮したり又は放電のパワーを低くしたりするとよい。
【００５８】尚、第１の実施形態においては、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されたチタンターゲット１３を用いて、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６を連続的に形成したため、窒素含有量は徐々に減少していると共に徐々に増加しているが、窒化チタンを主成分とするターゲットとチタンを主成分とするターゲットとを使い分けると、窒素含有量は連続的に変化せずに第１及び第２の窒化チタン膜１４、１６と、チタン膜１５との間で窒素含有量は一気に変化する。
【００５９】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の実施形態に係る電極構造体の形成方法として、ゲート電極の形成方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）及び図６を参照しながら説明する。
【００６０】第１の実施形態と同様、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上にゲート絶縁膜１１を形成した後、該ゲート絶縁膜１１の上にポリシリコン膜１２を堆積する。
【００６１】次に、準備工程として、図６に示すように、チタンを主成分とするチタンターゲットが配置されているチャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせて、チタンターゲットの表面に窒化チタン膜を形成する。
【００６２】次に、半導体基板１０を、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内に搬入して、第１の実施形態と同様、図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜１２の表面に第１の金属膜としての窒化チタン膜１４を形成した後、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化膜１４の上にチタン膜１５を形成する。
【００６３】次に、図６に示すように、放電をいったん停止した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に再び放電を起こさせて、図５（ａ）に示すように、チタン膜１５の表面に、第３の金属膜としての第２の窒化チタン膜１６を形成すると共に、チタンターゲット１３の表面にも窒化チタン膜１３ａを形成する。
【００６４】次に、図６に示すように、チャンバーＡ内にアルゴンガスのみを導入すると共にチャンバーＡ内での放電を継続するターゲットクリーニング工程を行なう。このようにすると、チタンターゲット１３の表面の窒化チタン膜１３ａがアルゴンイオンによりスパッタリングされるので、窒化チタン膜１３ａの窒素含有量が低くなると共に、図５（ｂ）に示すように、第２の窒化チタン膜１６の上に第３の窒化チタン膜２１が堆積される。
【００６５】次に、図５（ｃ）に示すように、半導体基板１０を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット１７が配置されたチャンバーＢ内に移送した後、該チャンバーＢ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＢ内に放電を起こさせて、第３の窒化チタン膜２１の上に高融点金属膜としてのタングステン膜１８を堆積する。以上説明した、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６、第３の窒化チタン膜２１及びタングステン膜１８により電極構造体としてのゲート電極が構成され、また、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及び第３の窒化チタン膜２１によりバリア膜が構成される。
【００６６】図７（ａ）、（ｂ）は、バリア膜を構成する、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６における窒素含有量の分布を示しており、横軸はバリア膜とポリシリコン膜との界面から基板側にかけての距離を示している。尚、第３の窒化チタン膜２１における窒素含有量については省略している。
【００６７】図７（ａ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮよりも窒素含有量が少ないと共に、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量は０になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量は０であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００６８】図７（ｂ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮよりも窒素含有量が少ないと共に、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分以下になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００６９】第２の実施形態によると、チタン膜１５の表面に第２の窒化チタン膜１６を形成した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスのみを導入するターゲットクリーニング工程を行なうため、第１の窒化チタン膜１４の堆積に用いられる窒化チタン膜１３ａの窒素含有量が低くなる。従って、図７（ａ）と図４（ａ）との対比、及び図７（ｂ）と図４（ｂ）との対比から分かるように、第１の窒化チタン膜１４におけるポリシリコン膜１２との界面近傍の窒素含有量は第１の実施形態に比べて低減している。このため、電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理が施されたときに、第１の窒化チタン膜１４からポリシリコン膜１２に拡散する窒素の量が低減するので、ポリシリコン膜１２の表面に形成される反応層２０（図２（ｃ）を参照）の厚さが一層薄くなるか又は反応層２０は実質的に形成されなくなり、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００７０】図８は、ターゲットクリーニング工程の時間を０秒、１秒、２秒、３秒、５秒及び７秒と変化させた場合における、第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５からなる積層膜の膜厚と、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗との関係を示している。この場合、ポリシリコン膜１２はｐ型ゲート電極を構成する。尚、図８は、３００ＷのＤＣパワーで第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５を形成し、２０００ＷのＤＣパワーで２０秒間放電を行なって１０ｎｍの一定の厚さを持つ第２の窒化チタン膜１６を形成し、１０００ＷのＤＣパワーでターゲットクリーニング工程を行なった場合の実験データである。また、第２の窒化膜１６の上には、１０００ＷのＤＣパワーで６０ｎｍの膜厚を持つタングステン膜１８を形成した。尚、積層膜を形成した後の熱処理として、７６０℃の温度下における２４０分の炉処理と、９７５℃の温度下における３０秒のランプアニール処理とを実施した。
【００７１】図８から分かるように、ターゲットクリーニング工程の時間が長くなると、第１の窒化チタン膜１４における窒素の含有量が低減するため、反応膜２０が形成され難くなり、これによって、界面抵抗が低くなる。また、この傾向は第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５の合計膜厚が小さいときに顕著に現われる。尚、図８における膜厚が０である点は、従来例（窒化チタンの単層膜）に相当する。
【００７２】図９は、ターゲットクリーニング時間と、第１の窒化チタン膜１４とチタン膜１５との積層膜に含まれる窒素の量との関係を示している。図９において、●はターゲットクリーニングを行なわない第１の実施形態に相当し、○はターゲットクリーニングを行なう第２の実施形態に相当する。図９から分かるように、ターゲットクリーニングの時間の増加と、積層膜中の窒素量の減少とは直線的な関係を有している。
【００７３】（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１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。
【００７４】まず、図１０（ａ）に示すように、半導体基板３０の上に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜３１を形成した後、該シリコン酸化膜３１の上にポリシリコン膜３２を堆積する。
【００７５】次に、第１の実施形態と同様の方法で、ポリシリコン膜３２の上に、バリア膜となる第１の窒化チタン膜３４、チタン膜３５及び第２の窒化チタン膜３６を順次形成した後、第２の窒化チタン膜３６の上にタングステン膜３８を堆積して、ポリシリコン膜３２、第１の窒化チタン膜３４、チタン膜３５、第２の窒化チタン膜３６及びタングステン膜３８からなる積層体を形成し、その後、該積層体の上に、窒化シリコン膜からなりゲート電極を形成するためのハードマスク３９を形成する。
【００７６】次に、図１０（ｂ）に示すように、積層体に対してハードマスク３９を用いてエッチングを行なって積層体からなるゲート電極を形成した後、該ゲート電極を洗浄する。
【００７７】次に、半導体基板３０にゲート電極をマスクとして不純物をドーピングして低濃度不純物層４０を形成した後、半導体基板３０の上に全面に亘ってシリコン窒化膜を堆積し、その後、該シリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行なうことにより、図１１（ａ）に示すように、ゲート電極の壁面にサイドウォール４１を形成する。次に、半導体基板３０にゲート電極及びサイドウォール４１をマスクとして不純物をドーピングして高濃度不純物層４３を形成する。
【００７８】次に、半導体基板３０に対して７５０℃以上の温度の熱処理を施して、低濃度不純物層４０及び高濃度不純物層４３を活性化する。このようにすると、第１の窒化チタン膜３４及び第２の窒化チタン膜３６中に存在する窒素がチタン膜３５に拡散するため、図１１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜３２とタングステン膜３８との間に新たな窒化チタン膜４５が形成されると共に、ポリシリコン膜３２と窒化チタン膜４５との界面に、シリコン及び窒素を主成分とする反応層５６が形成される。
【００７９】第３の実施形態によると、７５０℃以上の熱処理の後においても、チタンシリサイド層が形成されないと共に界面抵抗を低減できるので、ＭＯＳトランジスタの動作速度の低下を防止することができる。また、チタンシリサイド層が形成されることに起因してタングステン膜３８が膜剥がれする事態も防止できる。
【００８０】尚、第１〜第３の実施形態においては、高融点金属膜として、タングステン膜を用いたが、これに代えて、モリブデン（Ｍｏ）膜、タングステンシリサイド（ＷＳｉx ）膜又はモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ2 ）膜を用いてもよい。
【００８１】また、バリア膜を構成する金属としては、チタンを用いたが、これに代えて、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）等を用いてもよい。
【００８２】さらに、第１〜第３の実施形態においては、シリコン基板を用いたが、これに代えて、ＳＯＩ基板を用いてもよい。
【００８３】
【発明の効果】本発明に係る電極構造体の形成方法によると、７５０℃以上の熱処理を施しても、シリコン含有膜の表面には抵抗値の大きい金属シリサイドが形成され難いと共に、シリコン含有膜とバリア膜との界面に抵抗値の極めて大きい反応層が形成されないか又は形成されてもその厚さは小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は低くなる。
【００８４】また、本発明に係る半導体装置の製造方法によると、ソース又はドレインとなる不純物層を活性化するために７５０℃以上の熱処理を施しても、ゲート電極におけるポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることができる。従って、ＭＯＳトランジスタの遅延時間を低減して、ＭＯＳトランジスタの動作速度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態においてチャンバー内に導入するガスの種類と放電との関係を示すシーケンス図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は第１の実施形態により得られるバリア膜における、界面からの距離と窒素含有量との関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態においてチャンバー内に導入するガスの種類と放電との関係を示すシーケンス図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態により得られるバリア膜における、界面からの距離と窒素含有量との関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態により得られる第１の窒化チタン膜及びチタン膜からなる積層膜の膜厚と、ポリシリコン膜とタングステン膜との間の界面抵抗との関係を示す図である。
【図９】第２の実施形態において行なわれるターゲットクリーニング時間と、第１の窒化チタン膜及びチタン膜からなる積層膜に含まれる窒素の量との関係を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）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１１】（ａ）、（ｂ）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１２】（ａ）は第１の従来例に係る電極構造体の断面図であり、（ｂ）は第２の従来例に係る電極構造体の断面図であり、（ｃ）は第１の従来例に係る電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理を施したときの断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は第２の従来例に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は第２の従来例に係る電極構造体の形成方法の問題点を説明する断面図である。
【図１５】第１の従来例及び第２の従来例に係る電極構造体の形成方法により得られるゲート電極に対する熱処理の温度と、熱処理後の界面抵抗との関係を示す図である。
【符号の説明】
Ａ チャンバー
Ｂ チャンバー
１０ 半導体基板
１１ ゲート絶縁膜
１２ ポリシリコン膜
１３ チタンターゲット
１３ａ 窒化チタン膜
１４ 第１の窒化チタン膜（第１の金属膜）
１５ チタン膜（第２の金属膜）
１６ 第２の窒化チタン膜（第３の金属膜）
１７ タングステンターゲット
１８ タングステン膜
１９ 窒化チタン膜
２０ 反応層
２１ 第３の窒化チタン膜
３０ 半導体基板
３１ ゲート絶縁膜
３２ ポリシリコン膜
３４ 第１の窒化チタン膜
３５ チタン膜
３６ 第２の窒化チタン膜
３８ タングステン膜
３９ ハードマスク
４０ 低濃度不純物層
４１ サイドウォール
４３ 高濃度不純物層
４５ 窒化チタン膜
４６ 反応層
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ポリシリコン又はアモルファスシリコンからなる下層膜と、高融点金属からなる上層膜とを有する電極構造体の製造方法、及び該電極構造体からなるゲート電極を有する半導体装置の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来のＭＯＳトランジスタにおいては、ゲート電極はポリシリコン膜により形成されていたが、ＬＳＩの微細化及び高速化の進展に伴って、ＭＯＳトランジスタのゲート電極の低抵抗化の要求が大きくなってきた。
【０００３】そこで、ゲート電極の低抵抗化を図るべく、ゲート電極として、下層のポリシリコン膜と上層の高融点金属膜との積層膜からなるポリメタルゲート電極を用いる技術が提案されていると共に、上層の高融点金属膜としてはタングステン膜が提案されている。上層の高融点金属膜としてタングステン膜を用いると、ゲート電極の抵抗値を小さくすることができる。
【０００４】ところで、ポリシリコン膜とタングステン膜との間には、ポリシリコン膜中に導入された不純物（例えば、Ｂ、Ｐ、Ａｓ）のタングステン膜への拡散を防止するために、窒化タングステン（ＷＮx ）又は窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜が必要になる（例えば、特開平１１−２６１０５９号公報又は特開平７−２３５５４２号公報を参照）。
【０００５】図１２（ａ）は、第１の従来例に係る電極構造体の断面構造を示している。図１２（ａ）に示すように、半導体基板１の上にゲート絶縁膜２を介してゲート電極が形成されており、該ゲート電極は、下側から順次形成された、ポリシリコン膜３、窒化タングステン（ＷＮx ）からなるバリア膜４Ａ及びタングステン膜５により構成されている。
【０００６】図１２（ｂ）は、第２の従来例に係る電極構造体の断面構造を示している。図１２（ａ）に示すように、半導体基板１の上にゲート絶縁膜２を介してゲート電極が形成されており、該ゲート電極は、下側から順次形成された、ポリシリコン膜３、窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜４Ｂ及びタングステン膜５により構成されている。
【０００７】ところで、第１の従来例においては、後工程において熱処理が施されると、図１２（ｃ）に示すように、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａの窒素が蒸発してバリア膜４Ａがタングステン膜５に変化すると共に、バリア膜４Ａの窒素とポリシリコン膜３のシリコンとが反応して、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に抵抗値が極めて大きい窒化シリコン（ＳｉＮ）からなる反応層６が形成され、これによって、ゲート電極の抵抗値が大きくなってしまうという問題がある。
【０００８】そこで、特開平７−２３５５４２号公報においては、窒化シリコンからなる反応層６の窒素の面密度を所定値以下にすると、反応層６のシート抵抗が低くなって、ゲート電極の抵抗値を低減することができると提案している。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】ところで、本件発明者は、第１の従来例において、反応層６の窒素の面密度を所定値以下にしても、ゲート電極の抵抗値を低減することはできないという事実に直面した。
【００１０】そこで、第１の従来例においてゲート電極の抵抗値を低減することができない理由について種々の検討を加えた結果、以下のことを見い出した。すなわち、反応層６における窒素の面密度を低減するべく、バリア膜４Ａの厚さを０．１〜１．０ｎｍ程度に小さくすると、バリア膜４Ａがバリア機能を発揮することができずタングステンシリサイド（ＷＳｉx ）が形成されてしまうため、ゲート電極の抵抗値を低くすることができない。一方、バリア膜４Ａの厚さを１．０ｎｍを超える程度に大きくすると、バリア機能は発揮されるが、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に、抵抗値が極めて大きい窒化シリコンからなる反応層６が形成されるので、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗値が大きくなってしまう。
【００１１】また、窒化タングステン膜は耐熱性に劣るため、７５０℃以上の熱処理が施されると、窒化タングステン膜中の窒素が多量に拡散してしまいタングステン膜になってしまうという問題もある。
【００１２】第２の従来例のように、窒化チタンからなるバリア膜を用いた場合には、以下に説明する理由によって、ポリシリコン膜とタングステン膜との間に、抵抗値が極めて大きい窒化シリコンからなる反応層６が形成されるので、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗値が大きくなってしまう。
【００１３】まず、図１３（ａ）に示すように、半導体基板１の上にはゲート絶縁膜２を介してポリシリコン膜３が形成されており、該ポリシリコン膜３には、ｐ型のゲート電極を形成する場合にはボロン等のｐ型不純物がドーピングされていると共に、ｎ型のゲート電極を形成する場合にはリン等のｎ型不純物がドーピングされている。次に、ポリシリコン膜３の上に窒化チタン膜４Ｂを堆積するため、半導体基板１を、チタンを主成分とするチタンターゲット７が配置されたチャンバー内に搬入した後、該チャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に該チャンバー内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスと窒素ガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中の窒素イオンとポリシリコン膜３中のシリコンとが反応して、ポリシリコン膜３の表面に窒化シリコン膜からなる反応層６が形成される。そして、図１３（ｂ）に示すように、チタンターゲット７が窒化されて窒化チタン膜８が形成されると共に、窒化チタン膜８から窒化チタンが弾き飛ばされ、反応層６の上に窒化チタンからなるバリア膜４Ｂが形成される。
【００１４】次に、半導体基板１を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット９が配置されたチャンバー内に移送した後、該チャンバー内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバー内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンのスパッタリングによりタングステンターゲット９からタングステンが弾き飛ばされ、弾き飛ばされたタングステンが窒化チタン膜４Ｂの表面に堆積されるので、図１３（ｃ）に示すように、窒化チタン膜４Ｂの上に反応層６を介してタングステン膜５が形成される。
【００１５】次に、半導体基板１に、ＭＯＳトランジスタのソース又はドレインとなる不純物層を形成した後、該不純物層を活性化するために例えば７５０℃以上の熱処理を施すと、図１４（ａ）に示すように、バリア膜４Ｂ中の余剰な窒素がポリシリコン膜３の上部に拡散するため、図１４（ｂ）に示すように、窒化チタンからなる反応層６の厚さが大きくなる。
【００１６】また、本件発明者は、熱処理温度と熱処理後のバリア膜の界面抵抗との関係についても検討を加えた。図１５は、熱処理温度（℃）と、熱処理後のポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗（Ｒc ）との関係を示しており、図１５において、●はｎ型のポリシリコン膜（ＮＰＳと表示）の上に窒化タングステン（ＷＮx ）からなるバリア膜を形成した場合を示し、○はｐ型のポリシリコン膜（ＰＰＳと表示）の上に窒化タングステンからなるバリア膜を形成した場合を示し、◆はｎ型のポリシリコン膜の上に窒化チタン（ＴｉＮ）からなるバリア膜を形成した場合を示し、◇はｐ型のポリシリコン膜の上に窒化チタンからなるバリア膜を形成した場合を示している。また、図１５においては、非オーミックであるため、界面抵抗としては１ｍＡ／μｍ2 の電流を流した場合の抵抗値を示している。
【００１７】図１５から、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合には、熱処理の温度が低くても界面抵抗が高いことが分かる。また、本件発明者らの実験では、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合には、熱処理を施さなくても界面抵抗は高い。その理由は、図１３（ａ）〜（ｃ）に示すように、ポリシリコン膜３とバリア膜４Ｂとの間に窒化チタンからなる反応層６が形成されているためである。
【００１８】また、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａを用いた場合には、窒化チタンからなるバリア膜４Ｂを用いた場合に比べて界面抵抗は低いが、７５０℃以上の温度の熱処理を施すと、界面抵抗は急激に高くなることが分かる。その理由は、窒化タングステンからなるバリア膜４Ａを用いた場合に７５０℃以上の温度の熱処理を施すと、窒化タングステン中の窒素が拡散し、ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間に窒化シリコンからなる反応層６が形成されるためである。
【００１９】ポリシリコン膜３とタングステン膜５との間の界面抵抗（Ｒc ）が大きくなるとＭＯＳトランジスタの動作速度は遅くなる。すなわち、ゲート電極がＡＣ（交流）動作をする場合、ゲート絶縁膜に発生する分布容量に対して充放電が繰り返し行なわれるため、分布界面抵抗に電流が流れるので、分布界面抵抗の影響が現われ、これによって、ＭＯＳトランジスタの動作速度は遅くなるのである。ＭＯＳトランジスタの動作速度が遅くなると、ＬＳＩの動作速度が遅くなって信号遅延時間が増加するという問題がある。ＬＳＩの動作速度が重要視される現在においては、ＭＯＳトランジスタの動作速度は、数％程度劣化するだけでも大きな問題となる。
【００２０】前記に鑑み、本発明は、ポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることを目的とする。
【００２１】
【課題を解決するための手段】前記の目的を達成するため、本発明に係る電極構造体の形成方法は、シリコンを主成分とするシリコン含有膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなる積層膜を形成する工程と、前記積層膜に対して７５０℃以上の温度で熱処理を施す工程とを備えた電極構造体の形成方法を前提とし、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含む。
【００２２】本発明に係る電極構造体の形成方法によると、熱処理を施した際に、第１の金属膜に含まれる窒素及び第３の金属膜に含まれる窒素の各一部は第２の金属膜の窒化に消費され、第１の金属膜に含まれる窒素のうちシリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量は少なくなるため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなり抵抗値の極めて大きい反応層が形成されないか又は形成されてもその厚さは小さいので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は低くなる。
【００２３】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記金属はチタンであることが好ましい。
【００２４】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記金属を主成分とするターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積して前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積して前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットに対して、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積して前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００２５】このように、第１の金属膜を形成する工程は、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうため、シリコン含有膜の表面にシリコン窒化膜が形成されないので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。また、同一のターゲットを用いて、スパッタリング用のガスを切り替えるだけで、第１の金属膜、第２の金属膜及び第３の金属膜を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００２６】この場合、前記バリア膜を形成する工程の後に、前記第３の金属膜を形成する工程において前記ターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いてスパッタリングを行なう工程をさらに備えていることが好ましい。
【００２７】このように、第３の金属膜を形成する工程においてターゲットの表面に形成された金属窒化物膜を、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスによりスパッタリングする工程を備えていると、金属窒化物膜に含まれる窒素の濃度が低くなるため、該金属窒化物膜を用いて形成される第１の金属膜の窒素濃度が低減するので、シリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量が一層少なくなる。このため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなる反応層が一層形成され難くなると共に形成されてもその厚さは一層小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００２８】本発明に係る電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、表面に前記金属の窒化物膜が形成されている前記金属を主成分とするターゲットが配置されているチャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属の窒化物膜から弾き飛ばされた前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積することにより前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積することにより前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットが配置されている前記チャンバー内に窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積することにより前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことが好ましい。
【００２９】このようにすると、第１の金属膜を形成する工程は、チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入するため、シリコン含有膜の表面にシリコン窒化膜が形成されないので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。また、同一のチャンバー内に配置された同一のターゲットを用いて、スパッタリング用のガスを切り替えるだけで、第１の金属膜、第２の金属膜及び第３の金属膜を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００３０】この場合、前記バリア膜を形成する工程の後に、前記チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせる工程をさらに備えていることが好ましい。
【００３１】このように、バリア膜を形成する工程の後に、チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせる工程を備えていると、第３の金属膜を形成する工程においてターゲットの表面に形成された金属窒化物膜を、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスによりスパッタリングすることができるため、金属窒化物膜に含まれる窒素の濃度が低くなり、該金属窒化物膜を用いて形成される第１の金属膜の窒素濃度が低減する。従って、シリコン含有膜の窒化に寄与する窒素の量が一層少なくなるため、シリコン含有膜とバリア膜との界面には、シリコン窒化膜からなる反応層が一層形成され難くなると共に形成されてもその厚さは一層小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００３２】本発明に係る半導体装置の製造方法は、半導体領域上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域に前記ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入してソース又はドレインとなる不純物層を形成する工程と、７５０℃以上の温度で熱処理を施して前記不純物層を活性化させる工程とを備えた半導体装置の製造方法を前提とし、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含む。
【００３３】本発明に係る半導体装置の製造方法によると、本発明に係る電極構造体の形成方法を用いて半導体装置を製造するため、ソース又はドレインとなる不純物層を活性化するために７５０℃以上の熱処理を施しても、ゲート電極におけるポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることができる。
【００３４】本発明に係る半導体装置の製造方法において、前記金属はチタンであることが好ましい。
【００３５】
【発明の実施の形態】（第１の実施形態）以下、本発明の第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法として、ゲート電極の形成方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図２（ａ）〜（ｃ）及び図３を参照しながら説明する。
【００３６】まず、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上にシリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜１１を形成した後、該ゲート絶縁膜１１の上に、減圧ＣＶＤ法によりアモルファスシリコン膜を堆積する。
【００３７】次に、アモルファスシリコン膜におけるｎ型ゲート電極形成領域にリン（Ｐ）イオンを１０ＫｅＶの注入エネルギー及び８×１０15ｃｍ-2のドーズ量でドーピングすると共に、アモルファスシリコン膜におけるｐ型ゲート電極形成領域にボロン（Ｂ）イオンを５ＫｅＶの注入エネルギー及び５×１０15ｃｍ-2のドーズ量でドーピングする。次に、リンイオン又はボロンイオンがドーピングされたアモルファスシリコン膜に対して８００℃の温度下で３０秒間の熱処理を施すことにより、アモルファスシリコン膜を結晶化してｎ型又はｐ型のポリシリコン膜１２を形成した後、ポリシリコン膜１２の表面に形成されているシリコン酸化膜をフッ酸系の洗浄液を用いて除去する。
【００３８】次に、準備工程として、図３に示すように、チタンを主成分とするチタンターゲットが配置されているチャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせて、チタンターゲットの表面に窒化チタン膜を形成する。
【００３９】次に、ウエハ入れ替え工程として、準備工程で用いた半導体基板（ウエハ）を搬出した後、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１０を、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内に搬入する。
【００４０】次に、図３に示すように、該チャンバーＡ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＡ内において放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンがチタンターゲット１３の表面の窒化チタン膜１３ａをスパッタリングするので、図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜１２の表面には第１の金属膜としての第１の窒化チタン膜１４が堆積される。尚、この工程において、チタンターゲット１３の表面に形成されている窒化チタン膜１３ａは消滅する。
【００４１】次に、チャンバーＡ内へのアルゴンガスの導入及びチャンバー内での放電を継続すると、プラズマ中のアルゴンイオンがチタンターゲット１３をスパッタリングするので、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化チタン膜１４の上には第２の金属膜としてのチタン膜１５が堆積される。
【００４２】次に、図３に示すように、放電を一旦停止した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に、再び放電を起こさせると、図２（ａ）に示すように、チタン膜１５の表面に、第３の金属膜としての第２の窒化チタン膜１６が形成されると共に、チタンターゲット１３の表面にも窒化チタン膜１３ａが形成される。
【００４３】第１の実施形態によると、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内にアルゴンガスを導入することにより、第１の金属膜としての窒化チタン膜１４と第２の金属膜としてのチタン膜１５とを連続して堆積することができると共に、その後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入することにより、チタン膜１５の上に第３の金属膜としての窒化チタン膜１６を形成することができる。すなわち、チタンターゲット１３を取り替えることなく、チャンバーＡ内に導入するガスを切り替えるのみで、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６を連続的に形成することができるので、スループットが向上する。
【００４４】尚、第２の窒化チタン膜１６を形成する工程においてチタンターゲット１３の表面に形成された窒化チタン膜１３ａを、ポリシリコン膜１２の表面に第１の窒化チタン膜１４を堆積する工程に用いることができる。つまり、第３の金属膜の形成工程と前述した準備工程とを同じ工程で行なうことができる。このようにするとスループットが一層向上する。
【００４５】次に、図２（ｂ）に示すように、半導体基板１０を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット１７が配置されたチャンバーＢ内に移送した後、該チャンバーＢ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＢ内に放電を起こさせる。このようにすると、アルゴンガスからなるプラズマが発生し、プラズマ中のアルゴンイオンがタングステンターゲット１７をスパッタリングするので、第２の窒化チタン膜１６の上に高融点金属膜としてのタングステン膜１８が堆積される。以上説明した、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及びタングステン膜１８により電極構造体としてのゲート電極が構成され、また、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６によりバリア膜が構成される。尚、バリア膜の厚さとしては、ゲート電極の厚さが大きくなり過ぎないようにするため、５ｎｍ〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４６】次に、図示は省略しているが、半導体基板１０にゲート電極をマスクとして不純物をドーピングして、ソース又はドレインとなる不純物層を形成した後、不純物を活性化するために例えば７５０℃以上の熱処理を施す。
【００４７】ところで、ポリシリコン膜１２とチタン膜１５との間には第１の窒化チタン膜１４が介在しているため、７５０℃以上の熱処理を施しても、ポリシリコン膜１２の表面には、抵抗値の高いチタンシリサイド（ＴｉＳｉ2 ）が形成されない。
【００４８】また、７５０℃以上の熱処理工程において、第１の窒化チタン膜１４中に存在する窒素はチタン膜１５及びポリシリコン膜１２に拡散する。この際、第１の窒化チタン膜１４中及び第２の窒化チタン膜１６中の過剰な窒素がチタン膜１５に拡散することにより、チタン膜１５が窒化チタン膜に変化するので、図２（ｃ）に示すように、新たな窒化チタン膜１９が形成される。また、第１の窒化チタン膜１４中の窒素がポリシリコン膜１２に拡散することにより、ポリシリコン膜１２と窒化チタン膜１９との界面に、シリコン及び窒素を主成分とする反応層２０が形成される。
【００４９】前述したように、シリコン及び窒素を主成分とする反応層２０の抵抗値は極めて大きいため、反応層２０の厚さが大きい場合には、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は高くなる。
【００５０】ところが、第１の実施形態においては、第１の窒化チタン膜１４の上にチタン膜１５が形成されているため、第１の窒化チタン膜１５中の窒素はチタン膜１５の窒化に消費され、ポリシリコン膜１２の窒化に寄与する窒素の量は少なくなるので、反応層２０の厚さは従来に比べて著しく小さくなる。
【００５１】また、熱処理工程において、第２の窒化チタン膜１６中の窒素も拡散するが、第２の窒化チタン膜１６の下側にチタン膜１５が存在しているため、第２の窒化チタン膜１６中の窒素はチタン膜１５の窒化に費やされるためポリシリコン膜１２に到達せず、これにより、第２の窒化チタン膜１６中の窒素に起因する反応層は形成されない。
【００５２】従って、第１の実施形態によると、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は大きく低減する。
【００５３】また、第１の窒化チタン膜１４の厚さとしては、３ｎｍ以下が好ましく２ｎｍ程度が最も好ましい。その理由は、第１の窒化チタン膜１４の厚さが３ｎｍを超えると、７５０℃以上の熱処理工程において形成される反応層２０の厚さが大きくなって、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗が高くなる恐れがあるためである。
【００５４】図４（ａ）、（ｂ）は、バリア膜を構成する、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６における窒素含有量の分布を示しており、横軸はバリア膜とポリシリコン膜との界面から基板側にかけての距離を示している。
【００５５】図４（ａ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮであるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量は０になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量は０であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００５６】図４（ｂ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮであるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度になっており、第２の金属膜の深さ方向の中央部では窒素含有量が大きく低減している。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００５７】図４（ｂ）に示すような窒素含有量分布を実現するためには、チタン膜１５を形成するためにアルゴンガスを導入する時間を短縮したり又は放電のパワーを低くしたりするとよい。
【００５８】尚、第１の実施形態においては、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されたチタンターゲット１３を用いて、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６を連続的に形成したため、窒素含有量は徐々に減少していると共に徐々に増加しているが、窒化チタンを主成分とするターゲットとチタンを主成分とするターゲットとを使い分けると、窒素含有量は連続的に変化せずに第１及び第２の窒化チタン膜１４、１６と、チタン膜１５との間で窒素含有量は一気に変化する。
【００５９】（第２の実施形態）以下、本発明の第２の実施形態に係る電極構造体の形成方法として、ゲート電極の形成方法について、図１（ａ）〜（ｃ）、図５（ａ）〜（ｃ）及び図６を参照しながら説明する。
【００６０】第１の実施形態と同様、図１（ａ）に示すように、シリコン基板１０の上にゲート絶縁膜１１を形成した後、該ゲート絶縁膜１１の上にポリシリコン膜１２を堆積する。
【００６１】次に、準備工程として、図６に示すように、チタンを主成分とするチタンターゲットが配置されているチャンバー内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共にチャンバー内に放電を起こさせて、チタンターゲットの表面に窒化チタン膜を形成する。
【００６２】次に、半導体基板１０を、表面に窒化チタン膜１３ａが形成されているチタンターゲット１３が配置されたチャンバーＡ内に搬入して、第１の実施形態と同様、図１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜１２の表面に第１の金属膜としての窒化チタン膜１４を形成した後、図１（ｃ）に示すように、第１の窒化膜１４の上にチタン膜１５を形成する。
【００６３】次に、図６に示すように、放電をいったん停止した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを導入すると共に再び放電を起こさせて、図５（ａ）に示すように、チタン膜１５の表面に、第３の金属膜としての第２の窒化チタン膜１６を形成すると共に、チタンターゲット１３の表面にも窒化チタン膜１３ａを形成する。
【００６４】次に、図６に示すように、チャンバーＡ内にアルゴンガスのみを導入すると共にチャンバーＡ内での放電を継続するターゲットクリーニング工程を行なう。このようにすると、チタンターゲット１３の表面の窒化チタン膜１３ａがアルゴンイオンによりスパッタリングされるので、窒化チタン膜１３ａの窒素含有量が低くなると共に、図５（ｂ）に示すように、第２の窒化チタン膜１６の上に第３の窒化チタン膜２１が堆積される。
【００６５】次に、図５（ｃ）に示すように、半導体基板１０を、タングステンを主成分とするタングステンターゲット１７が配置されたチャンバーＢ内に移送した後、該チャンバーＢ内にアルゴンガスを導入すると共に該チャンバーＢ内に放電を起こさせて、第３の窒化チタン膜２１の上に高融点金属膜としてのタングステン膜１８を堆積する。以上説明した、ポリシリコン膜１２、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６、第３の窒化チタン膜２１及びタングステン膜１８により電極構造体としてのゲート電極が構成され、また、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５、第２の窒化チタン膜１６及び第３の窒化チタン膜２１によりバリア膜が構成される。
【００６６】図７（ａ）、（ｂ）は、バリア膜を構成する、第１の窒化チタン膜１４、チタン膜１５及び第２の窒化チタン膜１６における窒素含有量の分布を示しており、横軸はバリア膜とポリシリコン膜との界面から基板側にかけての距離を示している。尚、第３の窒化チタン膜２１における窒素含有量については省略している。
【００６７】図７（ａ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮよりも窒素含有量が少ないと共に、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量は０になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量は０であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００６８】図７（ｂ）に示す窒素含有量分布においては、第１の金属膜（第１の窒化チタン膜１４）のポリシリコン膜との界面ではＴｉＮよりも窒素含有量が少ないと共に、基板側に向かうにつれて窒素含有量が徐々に低下し、第１の金属膜と第２の金属膜（チタン膜１５）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分以下になっている。また、第２の金属膜と第３の金属膜（第２の窒化チタン膜１６）との界面では窒素含有量はＴｉＮの半分程度であるが、基板側に向かうにつれて窒素含有量は徐々に増加し、やがてＴｉＮになっている。
【００６９】第２の実施形態によると、チタン膜１５の表面に第２の窒化チタン膜１６を形成した後、チャンバーＡ内にアルゴンガスのみを導入するターゲットクリーニング工程を行なうため、第１の窒化チタン膜１４の堆積に用いられる窒化チタン膜１３ａの窒素含有量が低くなる。従って、図７（ａ）と図４（ａ）との対比、及び図７（ｂ）と図４（ｂ）との対比から分かるように、第１の窒化チタン膜１４におけるポリシリコン膜１２との界面近傍の窒素含有量は第１の実施形態に比べて低減している。このため、電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理が施されたときに、第１の窒化チタン膜１４からポリシリコン膜１２に拡散する窒素の量が低減するので、ポリシリコン膜１２の表面に形成される反応層２０（図２（ｃ）を参照）の厚さが一層薄くなるか又は反応層２０は実質的に形成されなくなり、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗は一層低くなる。
【００７０】図８は、ターゲットクリーニング工程の時間を０秒、１秒、２秒、３秒、５秒及び７秒と変化させた場合における、第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５からなる積層膜の膜厚と、ポリシリコン膜１２とタングステン膜１８との間の界面抵抗との関係を示している。この場合、ポリシリコン膜１２はｐ型ゲート電極を構成する。尚、図８は、３００ＷのＤＣパワーで第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５を形成し、２０００ＷのＤＣパワーで２０秒間放電を行なって１０ｎｍの一定の厚さを持つ第２の窒化チタン膜１６を形成し、１０００ＷのＤＣパワーでターゲットクリーニング工程を行なった場合の実験データである。また、第２の窒化膜１６の上には、１０００ＷのＤＣパワーで６０ｎｍの膜厚を持つタングステン膜１８を形成した。尚、積層膜を形成した後の熱処理として、７６０℃の温度下における２４０分の炉処理と、９７５℃の温度下における３０秒のランプアニール処理とを実施した。
【００７１】図８から分かるように、ターゲットクリーニング工程の時間が長くなると、第１の窒化チタン膜１４における窒素の含有量が低減するため、反応膜２０が形成され難くなり、これによって、界面抵抗が低くなる。また、この傾向は第１の窒化チタン膜１４及びチタン膜１５の合計膜厚が小さいときに顕著に現われる。尚、図８における膜厚が０である点は、従来例（窒化チタンの単層膜）に相当する。
【００７２】図９は、ターゲットクリーニング時間と、第１の窒化チタン膜１４とチタン膜１５との積層膜に含まれる窒素の量との関係を示している。図９において、●はターゲットクリーニングを行なわない第１の実施形態に相当し、○はターゲットクリーニングを行なう第２の実施形態に相当する。図９から分かるように、ターゲットクリーニングの時間の増加と、積層膜中の窒素量の減少とは直線的な関係を有している。
【００７３】（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１０（ａ）、（ｂ）及び図１１（ａ）、（ｂ）を参照しながら説明する。
【００７４】まず、図１０（ａ）に示すように、半導体基板３０の上に、ゲート絶縁膜となるシリコン酸化膜３１を形成した後、該シリコン酸化膜３１の上にポリシリコン膜３２を堆積する。
【００７５】次に、第１の実施形態と同様の方法で、ポリシリコン膜３２の上に、バリア膜となる第１の窒化チタン膜３４、チタン膜３５及び第２の窒化チタン膜３６を順次形成した後、第２の窒化チタン膜３６の上にタングステン膜３８を堆積して、ポリシリコン膜３２、第１の窒化チタン膜３４、チタン膜３５、第２の窒化チタン膜３６及びタングステン膜３８からなる積層体を形成し、その後、該積層体の上に、窒化シリコン膜からなりゲート電極を形成するためのハードマスク３９を形成する。
【００７６】次に、図１０（ｂ）に示すように、積層体に対してハードマスク３９を用いてエッチングを行なって積層体からなるゲート電極を形成した後、該ゲート電極を洗浄する。
【００７７】次に、半導体基板３０にゲート電極をマスクとして不純物をドーピングして低濃度不純物層４０を形成した後、半導体基板３０の上に全面に亘ってシリコン窒化膜を堆積し、その後、該シリコン窒化膜に対して異方性エッチングを行なうことにより、図１１（ａ）に示すように、ゲート電極の壁面にサイドウォール４１を形成する。次に、半導体基板３０にゲート電極及びサイドウォール４１をマスクとして不純物をドーピングして高濃度不純物層４３を形成する。
【００７８】次に、半導体基板３０に対して７５０℃以上の温度の熱処理を施して、低濃度不純物層４０及び高濃度不純物層４３を活性化する。このようにすると、第１の窒化チタン膜３４及び第２の窒化チタン膜３６中に存在する窒素がチタン膜３５に拡散するため、図１１（ｂ）に示すように、ポリシリコン膜３２とタングステン膜３８との間に新たな窒化チタン膜４５が形成されると共に、ポリシリコン膜３２と窒化チタン膜４５との界面に、シリコン及び窒素を主成分とする反応層５６が形成される。
【００７９】第３の実施形態によると、７５０℃以上の熱処理の後においても、チタンシリサイド層が形成されないと共に界面抵抗を低減できるので、ＭＯＳトランジスタの動作速度の低下を防止することができる。また、チタンシリサイド層が形成されることに起因してタングステン膜３８が膜剥がれする事態も防止できる。
【００８０】尚、第１〜第３の実施形態においては、高融点金属膜として、タングステン膜を用いたが、これに代えて、モリブデン（Ｍｏ）膜、タングステンシリサイド（ＷＳｉx ）膜又はモリブデンシリサイド（ＭｏＳｉ2 ）膜を用いてもよい。
【００８１】また、バリア膜を構成する金属としては、チタンを用いたが、これに代えて、タンタル（Ｔａ）又はタングステン（Ｗ）等を用いてもよい。
【００８２】さらに、第１〜第３の実施形態においては、シリコン基板を用いたが、これに代えて、ＳＯＩ基板を用いてもよい。
【００８３】
【発明の効果】本発明に係る電極構造体の形成方法によると、７５０℃以上の熱処理を施しても、シリコン含有膜の表面には抵抗値の大きい金属シリサイドが形成され難いと共に、シリコン含有膜とバリア膜との界面に抵抗値の極めて大きい反応層が形成されないか又は形成されてもその厚さは小さくなるので、シリコン含有膜と高融点金属膜との間の界面抵抗は低くなる。
【００８４】また、本発明に係る半導体装置の製造方法によると、ソース又はドレインとなる不純物層を活性化するために７５０℃以上の熱処理を施しても、ゲート電極におけるポリシリコン膜と高融点金属膜との間の界面抵抗を低くすることができる。従って、ＭＯＳトランジスタの遅延時間を低減して、ＭＯＳトランジスタの動作速度の向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｃ）は、第１の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図３】第１の実施形態においてチャンバー内に導入するガスの種類と放電との関係を示すシーケンス図である。
【図４】（ａ）、（ｂ）は第１の実施形態により得られるバリア膜における、界面からの距離と窒素含有量との関係を示す図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は、第２の実施形態に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図６】第２の実施形態においてチャンバー内に導入するガスの種類と放電との関係を示すシーケンス図である。
【図７】（ａ）、（ｂ）は第２の実施形態により得られるバリア膜における、界面からの距離と窒素含有量との関係を示す図である。
【図８】第２の実施形態により得られる第１の窒化チタン膜及びチタン膜からなる積層膜の膜厚と、ポリシリコン膜とタングステン膜との間の界面抵抗との関係を示す図である。
【図９】第２の実施形態において行なわれるターゲットクリーニング時間と、第１の窒化チタン膜及びチタン膜からなる積層膜に含まれる窒素の量との関係を示す図である。
【図１０】（ａ）、（ｂ）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１１】（ａ）、（ｂ）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１２】（ａ）は第１の従来例に係る電極構造体の断面図であり、（ｂ）は第２の従来例に係る電極構造体の断面図であり、（ｃ）は第１の従来例に係る電極構造体に対して７５０℃以上の熱処理を施したときの断面図である。
【図１３】（ａ）〜（ｃ）は第２の従来例に係る電極構造体の形成方法の各工程を示す断面図である。
【図１４】（ａ）、（ｂ）は第２の従来例に係る電極構造体の形成方法の問題点を説明する断面図である。
【図１５】第１の従来例及び第２の従来例に係る電極構造体の形成方法により得られるゲート電極に対する熱処理の温度と、熱処理後の界面抵抗との関係を示す図である。
【符号の説明】
Ａ チャンバー
Ｂ チャンバー
１０ 半導体基板
１１ ゲート絶縁膜
１２ ポリシリコン膜
１３ チタンターゲット
１３ａ 窒化チタン膜
１４ 第１の窒化チタン膜（第１の金属膜）
１５ チタン膜（第２の金属膜）
１６ 第２の窒化チタン膜（第３の金属膜）
１７ タングステンターゲット
１８ タングステン膜
１９ 窒化チタン膜
２０ 反応層
２１ 第３の窒化チタン膜
３０ 半導体基板
３１ ゲート絶縁膜
３２ ポリシリコン膜
３４ 第１の窒化チタン膜
３５ チタン膜
３６ 第２の窒化チタン膜
３８ タングステン膜
３９ ハードマスク
４０ 低濃度不純物層
４１ サイドウォール
４３ 高濃度不純物層
４５ 窒化チタン膜
４６ 反応層
【特許請求の範囲】
【請求項１】 シリコンを主成分とするシリコン含有膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなる積層膜を形成する工程と、前記積層膜に対して７５０℃以上の温度で熱処理を施す工程とを備えた電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする電極構造体の形成方法。
【請求項２】 前記金属はチタンであることを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項３】 前記バリア膜を形成する工程は、前記金属を主成分とするターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積して前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積して前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットに対して、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積して前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項４】 前記バリア膜を形成する工程の後に、前記第３の金属膜を形成する工程において前記ターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いてスパッタリングを行なう工程をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項５】 前記バリア膜を形成する工程は、表面に前記金属の窒化物膜が形成されている前記金属を主成分とするターゲットが配置されているチャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属の窒化物膜から弾き飛ばされた前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積することにより前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積することにより前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットが配置されている前記チャンバー内に窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積することにより前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項６】 前記バリア膜を形成する工程の後に、前記チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせる工程をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項７】 半導体領域上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域に前記ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入してソース又はドレインとなる不純物層を形成する工程と、７５０℃以上の温度で熱処理を施して前記不純物層を活性化させる工程とを備えた半導体装置の製造方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】 前記金属はチタンであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項１】 シリコンを主成分とするシリコン含有膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなる積層膜を形成する工程と、前記積層膜に対して７５０℃以上の温度で熱処理を施す工程とを備えた電極構造体の形成方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする電極構造体の形成方法。
【請求項２】 前記金属はチタンであることを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項３】 前記バリア膜を形成する工程は、前記金属を主成分とするターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積して前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積して前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットに対して、窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを用いるスパッタリングを行なうことにより、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積して前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項４】 前記バリア膜を形成する工程の後に、前記第３の金属膜を形成する工程において前記ターゲットの表面に形成された前記金属の窒化物膜に対して、窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを用いてスパッタリングを行なう工程をさらに備えていることを特徴とする請求項３に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項５】 前記バリア膜を形成する工程は、表面に前記金属の窒化物膜が形成されている前記金属を主成分とするターゲットが配置されているチャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属の窒化物膜から弾き飛ばされた前記金属の窒化物を前記シリコン含有膜の上に堆積することにより前記第１の金属膜を形成した後、前記金属を前記第１の金属膜の上に堆積することにより前記第２の金属膜を形成する工程と、前記ターゲットが配置されている前記チャンバー内に窒素ガスと不活性ガスとの混合ガスを導入すると共に、前記チャンバー内に放電を起こさせて、前記金属と前記混合ガスに含まれる窒素とが反応してなる前記金属の窒化物を前記第２の金属膜の上に堆積することにより前記第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする請求項１に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項６】 前記バリア膜を形成する工程の後に、前記チャンバー内に窒素ガスが実質的に含まれない不活性ガスを導入すると共に前記チャンバー内に放電を起こさせる工程をさらに備えていることを特徴とする請求項５に記載の電極構造体の形成方法。
【請求項７】 半導体領域上にポリシリコン膜を形成する工程と、前記ポリシリコン膜の上にバリア膜を形成する工程と、前記バリア膜の上に高融点金属膜を堆積して、前記シリコン含有膜、前記バリア膜及び前記高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程と、前記半導体領域に前記ゲート電極をマスクとして不純物をイオン注入してソース又はドレインとなる不純物層を形成する工程と、７５０℃以上の温度で熱処理を施して前記不純物層を活性化させる工程とを備えた半導体装置の製造方法において、前記バリア膜を形成する工程は、前記シリコン含有膜の上に金属の窒化物からなる第１の金属膜を形成する工程と、前記第１の金属膜の上に、前記金属からなるか又は前記金属の窒化物からなり前記第１の金属膜よりも窒素の含有量が少ない第２の金属膜を形成する工程と、前記第２の金属膜の上に、前記金属の窒化物からなり前記第２の金属膜よりも窒素の含有量が多い第３の金属膜を形成する工程とを含むことを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項８】 前記金属はチタンであることを特徴とする請求項７に記載の半導体装置の製造方法。
【図１】
【図２】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図１２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図７】
【図６】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００１−３３２５１１（Ｐ２００１−３３２５１１Ａ）
【公開日】平成１３年１１月３０日（２００１．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０００−２１８３２６（Ｐ２０００−２１８３２６）
【出願日】平成１２年７月１９日（２０００．７．１９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１３年１１月３０日（２００１．１１．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１２年７月１９日（２０００．７．１９）
【出願人】（０００００５８２１）松下電器産業株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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