JP3247100B2 - Method for forming electrode structure and method for manufacturing semiconductor device - Google Patents

Method for forming electrode structure and method for manufacturing semiconductor device

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JP3247100B2
JP3247100B2 JP2000218326A JP2000218326A JP3247100B2 JP 3247100 B2 JP3247100 B2 JP 3247100B2 JP 2000218326 A JP2000218326 A JP 2000218326A JP 2000218326 A JP2000218326 A JP 2000218326A JP 3247100 B2 JP3247100 B2 JP 3247100B2
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Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[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。
The present invention relates to a method of manufacturing an electrode structure having a lower film made of polysilicon or amorphous silicon and an upper film made of a refractory metal, and a gate electrode made of the electrode structure. The present invention relates to a method for manufacturing a semiconductor device.

【0002】[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。
2. Description of the Related Art In a conventional MOS transistor,
The gate electrode was formed by a polysilicon film,
With the progress of miniaturization and high-speed LSI, the demand for lowering the resistance of the gate electrode of a MOS transistor has increased.

【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。
In order to reduce the resistance of the gate electrode, there has been proposed a technique using a polymetal gate electrode composed of a laminated film of a lower polysilicon film and an upper refractory metal film as the gate electrode. As an upper refractory metal film, a tungsten film has been proposed. When a tungsten film is used as the upper refractory metal film, the resistance value of the gate electrode can be reduced.

【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7−2
35542号公報を参照)。
By the way, between the polysilicon film and the tungsten film, in order to prevent impurities (for example, B, P, As) introduced into the polysilicon film from diffusing into the tungsten film, a tungsten nitride film is used. A barrier film composed of WN x ) or titanium nitride (TiN) is required (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No.
No. 35542).

【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。
FIG. 12A shows a sectional structure of an electrode structure according to a first conventional example. As shown in FIG. 12A, a gate electrode is formed on a semiconductor substrate 1 with a gate insulating film 2 interposed therebetween, and the gate electrode is formed of a polysilicon film 3 and a nitride film sequentially formed from the lower side. Barrier film 4A and tungsten film 5 made of tungsten (WN x )
It consists of.

【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(Ti
N)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。
FIG. 12B shows a sectional structure of an electrode structure according to a second conventional example. As shown in FIG. 12A, a gate electrode is formed on a semiconductor substrate 1 with a gate insulating film 2 interposed therebetween, and the gate electrode is formed of a polysilicon film 3 and a nitride film sequentially formed from the lower side. Titanium (Ti
N) and a tungsten film 5.

【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。
In the first conventional example, when a heat treatment is performed in a later step, as shown in FIG. 12C, nitrogen of the barrier film 4A made of tungsten nitride evaporates, and the barrier film 4A becomes thin. While changing to the tungsten film 5, the nitrogen of the barrier film 4A reacts with the silicon of the polysilicon film 3 to form the polysilicon film 3 and the tungsten film 5
Silicon nitride (SiN) with an extremely large resistance value between
This causes a problem that the resistance value of the gate electrode is increased.

【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。
In Japanese Patent Application Laid-Open No. Hei 7-235542, when the area density of nitrogen in the reaction layer 6 made of silicon nitride is set to a predetermined value or less, the sheet resistance of the reaction layer 6 becomes low and the resistance value of the gate electrode becomes low. Can be reduced.

【0009】[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。
By the way, the present inventor cannot reduce the resistance value of the gate electrode in the first conventional example even if the area density of nitrogen in the reaction layer 6 is lower than a predetermined value. Faced the fact that.

【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。
Then, as a result of various studies on the reason why the resistance value of the gate electrode cannot be reduced in the first conventional example, the following was found. That is, if the thickness of the barrier film 4A is reduced to about 0.1 to 1.0 nm in order to reduce the areal density of nitrogen in the reaction layer 6, the barrier film 4A cannot exhibit a barrier function and the tungsten silicide ( since the WSi x) will be formed, it is not possible to lower the resistance of the gate electrode. On the other hand, when the thickness of the barrier film 4A is increased to a level exceeding 1.0 nm, a barrier function is exhibited, but a reaction composed of silicon nitride having an extremely large resistance value is formed between the polysilicon film 3 and the tungsten film 5. Since the layer 6 is formed, the interface resistance between the polysilicon film 3 and the tungsten film 5 increases.

【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。
In addition, since the tungsten nitride film is inferior in heat resistance, if the heat treatment is performed at 750 ° C. or more, there is a problem that a large amount of nitrogen in the tungsten nitride film diffuses and becomes a tungsten film.

【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。
When a barrier film made of titanium nitride is used as in the second conventional example, a silicon nitride film having an extremely large resistance value is placed between the polysilicon film and the tungsten film for the following reason. Is formed, the interface resistance between the polysilicon film 3 and the tungsten film 5 increases.

【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。
First, as shown in FIG. 13A, a polysilicon film 3 is formed on a semiconductor substrate 1 with a gate insulating film 2 interposed therebetween. A p-type impurity such as boron is doped when forming a gate electrode, and an n-type impurity such as phosphorus is doped when forming an n-type gate electrode. Next, in order to deposit a titanium nitride film 4B on the polysilicon film 3, the semiconductor substrate 1 is carried into a chamber in which a titanium target 7 containing titanium as a main component is disposed, and then argon gas is introduced into the chamber. A gas mixture of nitrogen and nitrogen gas is introduced, and discharge is caused in the chamber. As a result, plasma composed of argon gas and nitrogen gas is generated, and nitrogen ions in the plasma react with silicon in the polysilicon film 3 to form a reaction layer made of a silicon nitride film on the surface of the polysilicon film 3. 6 are formed. Then, as shown in FIG. 13B, the titanium target 7 is nitrided to form the titanium nitride film 8, and at the same time, the titanium nitride is flipped off from the titanium nitride film 8, and the titanium nitride is formed on the reaction layer 6. Is formed.

【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。
Next, the semiconductor substrate 1 is transferred into a chamber in which a tungsten target 9 containing tungsten as a main component is disposed, and then argon gas is introduced into the chamber and discharge is caused in the chamber. In this way, plasma composed of argon gas is generated, and tungsten is sputtered from the tungsten target 9 by sputtering of argon ions in the plasma, and the sputtered tungsten is deposited on the surface of the titanium nitride film 4B. As shown in FIG. 13C, a tungsten film 5 is formed on the titanium nitride film 4B via the reaction layer 6.

【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4
B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。
Next, after an impurity layer serving as a source or a drain of a MOS transistor is formed on the semiconductor substrate 1,
When a heat treatment of, for example, 750 ° C. or more is performed to activate the impurity layer, as shown in FIG.
Since the excess nitrogen in B diffuses into the upper portion of the polysilicon film 3, the thickness of the reaction layer 6 made of titanium nitride increases as shown in FIG.

【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(W
x )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。
The present inventor has also examined the relationship between the heat treatment temperature and the interface resistance of the barrier film after the heat treatment. FIG. 15 shows the relationship between the heat treatment temperature (° C.) and the interface resistance (R c ) between the polysilicon film and the refractory metal film after the heat treatment. In FIG. Tungsten nitride (W) is deposited on a silicon film (denoted as NPS).
Nx ) indicates the case where a barrier film was formed,
Shows a case in which a barrier film made of tungsten nitride is formed on a polysilicon film (indicated as PPS) of a mold type.
Shows a case where a barrier film made of titanium nitride (TiN) is formed on a p-type polysilicon film, and ◇ shows a case where a barrier film made of titanium nitride is formed on a p-type polysilicon film. Further, FIG. 15 shows a resistance value when a current of 1 mA / μm 2 is applied as the interface resistance because it is non-ohmic.

【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。
FIG. 15 shows that when the barrier film 4B made of titanium nitride is used, the interface resistance is high even when the heat treatment temperature is low. Further, in the experiments of the present inventors, when the barrier film 4B made of titanium nitride is used, the interface resistance is high without performing the heat treatment. This is because a reaction layer 6 made of titanium nitride is formed between the polysilicon film 3 and the barrier film 4B, as shown in FIGS.

【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4
B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。
When the barrier film 4A made of tungsten nitride is used, the barrier film 4A made of titanium nitride is used.
It can be seen that the interface resistance is lower than that in the case of using B, but the interface resistance sharply increases when a heat treatment at a temperature of 750 ° C. or more is performed. The reason is that when a barrier film 4A made of tungsten nitride is used and a heat treatment at a temperature of 750 ° C. or more is performed, nitrogen in the tungsten nitride is diffused, and silicon nitride is formed between the polysilicon film 3 and the tungsten film 5. This is because the reaction layer 6 made of is formed.

【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。
As the interface resistance (R c ) between the polysilicon film 3 and the tungsten film 5 increases, the operation speed of the MOS transistor decreases. That is, if the gate electrode is AC
In the case of the (AC) operation, the charge and discharge are repeatedly performed on the distributed capacitance generated in the gate insulating film, so that a current flows through the distributed interface resistance, so that the influence of the distributed interface resistance appears. The operating speed slows down. When the operation speed of the MOS transistor becomes slow, there is a problem that the operation speed of the LSI becomes slow and the signal delay time increases. At present, when the operation speed of the LSI is regarded as important, even if the operation speed of the MOS transistor deteriorates by only about several percent, it becomes a serious problem.

【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。
In view of the above, it is an object of the present invention to reduce the interface resistance between a polysilicon film and a refractory metal film.

【0021】[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。
In order to achieve the above object, a method for forming an electrode structure according to the present invention comprises the steps of: forming a barrier film on a silicon-containing film containing silicon as a main component; Depositing a refractory metal film on the barrier film,
A method for forming an electrode structure, comprising: forming a stacked film including the silicon-containing film, the barrier film, and the refractory metal film; and performing a heat treatment on the stacked film at a temperature of 750 ° C. or higher. The step of forming the barrier film includes: forming a first metal film made of a metal nitride on the silicon-containing film; and forming the first metal film on the first metal film from the metal. Or a second metal film made of a nitride of the metal and having a lower nitrogen content than the first metal film.
Forming a metal film, and on the second metal film,
Forming a third metal film made of the metal nitride and having a higher nitrogen content than the second metal film.

【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。
According to the method for forming an electrode structure according to the present invention, when heat treatment is performed, a part of each of nitrogen contained in the first metal film and nitrogen contained in the third metal film becomes the second metal film. Since the amount of nitrogen consumed in the nitridation of the metal film and contributing to the nitridation of the silicon-containing film among the nitrogen contained in the first metal film is reduced, a silicon nitride film is formed at the interface between the silicon-containing film and the barrier film. Since a reaction layer having a very high resistance value is not formed or its thickness is small even if it is formed, the interface resistance between the silicon-containing film and the refractory metal film is low.

【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。
In the method for forming an electrode structure according to the present invention, the metal is preferably titanium.

【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。
In the method for forming an electrode structure according to the present invention, the step of forming the barrier film may include the step of forming a nitrogen gas on the metal nitride film formed on the surface of the target containing the metal as a main component. By performing sputtering using an inert gas substantially free from the above, the metal nitride is deposited on the silicon-containing film to form the first nitride.
Forming a second metal film by depositing the metal on the first metal film after the formation of the metal film, and mixing a nitrogen gas and an inert gas with respect to the target. By performing sputtering using a gas, a nitride of the metal formed by a reaction between the metal and nitrogen contained in the mixed gas is deposited on the second metal film to form the third metal film. And a step of forming.

【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。
As described above, in the step of forming the first metal film, since the sputtering using the inert gas substantially containing no nitrogen gas is performed, no silicon nitride film is formed on the surface of the silicon-containing film. The interface resistance between the silicon-containing film and the refractory metal film is further reduced. Also,
The first metal film, the second metal film, and the third metal film can be continuously formed only by switching the sputtering gas using the same target, so that the throughput is improved.

【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。
In this case, after the step of forming the barrier film, nitrogen gas is substantially applied to the metal nitride film formed on the surface of the target in the step of forming the third metal film. It is preferable that the method further includes a step of performing sputtering using an inert gas not included in the above.

【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。
As described above, the method includes the step of sputtering the metal nitride film formed on the surface of the target in the step of forming the third metal film with an inert gas substantially containing no nitrogen gas. And the concentration of nitrogen contained in the metal nitride film is reduced, so that the nitrogen concentration of the first metal film formed using the metal nitride film is reduced. Is further reduced. For this reason, at the interface between the silicon-containing film and the barrier film, a reaction layer made of a silicon nitride film is more difficult to be formed, and even if it is formed, its thickness is further reduced. And the interface resistance between them is even lower.

【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。
In the method of forming an electrode structure according to the present invention, in the step of forming the barrier film, a target mainly composed of the metal having a nitride film of the metal formed on a surface is disposed. An inert gas substantially free of nitrogen gas is introduced into the chamber, and a discharge is caused in the chamber to remove the metal nitride that has been blown off from the metal nitride film by the silicon-containing film. Forming the first metal film by depositing on the first metal film, and then forming the second metal film by depositing the metal on the first metal film; While introducing a mixed gas of a nitrogen gas and an inert gas into the chamber, a discharge is caused in the chamber, and the metal and nitrogen contained in the mixed gas react. Wherein a nitride of the metal of the second
Forming the third metal film by depositing the third metal film on the metal film.

【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。
In this case, in the step of forming the first metal film, since an inert gas substantially containing no nitrogen gas is introduced into the chamber, a silicon nitride film is formed on the surface of the silicon-containing film. Therefore, the interfacial resistance between the silicon-containing film and the refractory metal film is further reduced. Also,
The first metal film, the second metal film, and the third metal film can be continuously formed only by switching the sputtering gas using the same target placed in the same chamber. Therefore, the throughput is improved.

【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。
In this case, after the step of forming the barrier film, there is further provided a step of introducing an inert gas substantially containing no nitrogen gas into the chamber and causing a discharge in the chamber. Is preferred.

【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。
As described above, after the step of forming the barrier film, the step of introducing an inert gas substantially containing no nitrogen gas into the chamber and causing a discharge in the chamber is provided. The metal nitride film formed on the surface of the target in the step of forming the metal film of No. 3;
Since sputtering can be performed with an inert gas substantially free of nitrogen gas, the concentration of nitrogen contained in the metal nitride film is reduced, and the first metal film formed using the metal nitride film is formed. Nitrogen concentration is reduced. Therefore, since the amount of nitrogen contributing to the nitridation of the silicon-containing film is further reduced, a reaction layer made of a silicon nitride film is more difficult to be formed at the interface between the silicon-containing film and the barrier film, and even if it is formed, Since the thickness is smaller, the interface resistance between the silicon-containing film and the refractory metal film is lower.

【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。
In the method of manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a step of forming a polysilicon film on a semiconductor region; a step of forming a barrier film on the polysilicon film; Depositing a metal film and forming a gate electrode comprising the silicon-containing film, the barrier film and the refractory metal film, and ion-implanting impurities into the semiconductor region using the gate electrode as a mask to form a source or a drain. Forming a barrier film based on a method of manufacturing a semiconductor device including a step of forming an impurity layer to be formed and a step of performing a heat treatment at a temperature of 750 ° C. or more to activate the impurity layer. Forming a first metal film made of a metal nitride on the silicon-containing film;
Forming a second metal film made of the metal or a nitride of the metal and having a lower nitrogen content than the first metal film on the first metal film; 2
Forming a third metal film made of a nitride of the metal and having a higher nitrogen content than the second metal film on the metal film.

【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。
According to the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, a semiconductor device is manufactured using the method for forming an electrode structure according to the present invention, and 750 ° C. is used for activating an impurity layer serving as a source or a drain. Even with the above heat treatment, the interface resistance between the polysilicon film and the high melting point metal film in the gate electrode can be reduced.

【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。
In the method for manufacturing a semiconductor device according to the present invention, the metal is preferably titanium.

【0035】[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。
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS (First Embodiment) Hereinafter, a method for forming an electrode structure according to a first embodiment of the present invention will be described.
FIGS. 1A to 1C show a method of forming a gate electrode.
This will be described with reference to FIGS. 2 (a) to 2 (c) and FIG.

【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1
1を形成した後、該ゲート絶縁膜11の上に、減圧CV
D法によりアモルファスシリコン膜を堆積する。
First, as shown in FIG. 1A, a gate insulating film 1 made of a silicon oxide film is formed on a silicon substrate 10.
1 is formed, a reduced pressure CV is formed on the gate insulating film 11.
An amorphous silicon film is deposited by the D method.

【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5Ke
V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80
0℃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。
Next, n in the amorphous silicon film
(P) ions at 10 KeV in the gate electrode formation region
Implantation energy and a dose of 8 × 10 15 cm −2 , and boron (B) ions are doped with 5 Ke into the p-type gate electrode formation region in the amorphous silicon film.
Doping is performed at an implantation energy of V and a dose of 5 × 10 15 cm −2 . Next, the amorphous silicon film doped with phosphorus ions or boron ions
By performing a heat treatment at a temperature of 0 ° C. for 30 seconds, the amorphous silicon film is crystallized to form an n-type or p-type polysilicon film 12, and then a silicon oxide film formed on the surface of the polysilicon film 12 is formed. The film is removed using a hydrofluoric acid-based cleaning solution.

【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。
Next, as a preparation step, as shown in FIG. 3, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is introduced into a chamber in which a titanium target containing titanium as a main component is disposed, and discharge is performed in the chamber. To form a titanium nitride film on the surface of the titanium target.

【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。
Next, as a wafer replacement step, after the semiconductor substrate (wafer) used in the preparation step is carried out,
As shown in (b), the semiconductor substrate 10 is carried into a chamber A in which a titanium target 13 having a surface on which a titanium nitride film 13a is formed is disposed.

【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1
3a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。
Next, as shown in FIG.
An argon gas is introduced into the chamber A and a discharge is caused in the chamber A. In this manner, a plasma composed of argon gas is generated, and argon ions in the plasma are converted into titanium nitride film 1 on the surface of titanium target 13.
Since 3a is sputtered, a first titanium nitride film 14 as a first metal film is deposited on the surface of the polysilicon film 12, as shown in FIG. In this step, the titanium nitride film 13a formed on the surface of the titanium target 13 disappears.

【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1
5が堆積される。
Next, when the introduction of the argon gas into the chamber A and the discharge in the chamber are continued, the argon ions in the plasma sputter the titanium target 13, and as shown in FIG. The titanium film 1 as a second metal film is formed on the titanium nitride film 14 of FIG.
5 is deposited.

【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。
Next, as shown in FIG. 3, after the discharge is once stopped, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is introduced into the chamber A, and the discharge is caused again.
As shown in FIG. 2A, the third surface of the titanium film 15
A second titanium nitride film 16 as a metal film is formed, and a titanium nitride film 13 a is also formed on the surface of the titanium target 13.

【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1
6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。
According to the first embodiment, an argon gas is introduced into a chamber A in which a titanium target 13 having a titanium nitride film 13a formed on its surface is disposed, so that titanium nitride as a first metal film is formed. Membrane 14 and second
A titanium film 15 as a metal film can be continuously deposited, and then, by introducing a mixed gas of an argon gas and a nitrogen gas into the chamber A, the third film is formed on the titanium film 15. Titanium nitride film 1 as metal film
6 can be formed. That is, without changing the titanium target 13, only by switching the gas introduced into the chamber A, the first titanium nitride film 14,
Since the titanium film 15 and the second titanium nitride film 16 can be formed continuously, the throughput is improved.

【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。
The titanium nitride film 13a formed on the surface of the titanium target 13 in the step of forming the second titanium nitride film 16 is
Can be used in the step of depositing the titanium nitride film 14. That is, the step of forming the third metal film and the above-described preparation step can be performed in the same step. This further improves the throughput.

【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。
Next, as shown in FIG. 2B, the semiconductor substrate 10 is transferred into a chamber B in which a tungsten target 17 containing tungsten as a main component is disposed, and then argon gas is supplied into the chamber B. At the same time, a discharge is caused in the chamber B. In this way, a plasma composed of argon gas is generated, and argon ions in the plasma sputter the tungsten target 17, so that a tungsten film 18 as a high melting point metal film is deposited on the second titanium nitride film 16. You. The gate electrode as an electrode structure is constituted by the polysilicon film 12, the first titanium nitride film 14, the titanium film 15, the second titanium nitride film 16 and the tungsten film 18 as described above. The titanium film 14, the titanium film 15, and the second titanium nitride film 16 form a barrier film. Note that the thickness of the barrier film is 5 nm to 5 nm in order to prevent the thickness of the gate electrode from becoming too large.
It is preferably about 20 nm.

【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。
Next, although not shown, the semiconductor substrate 10 is doped with impurities using the gate electrode as a mask to form an impurity layer serving as a source or a drain.
For example, a heat treatment at 750 ° C. or higher is performed to activate the impurities.

【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(T
iSi2 )が形成されない。
By the way, since the first titanium nitride film 14 is interposed between the polysilicon film 12 and the titanium film 15, even if a heat treatment at 750.degree. , Titanium silicide (T
iSi 2 ) is not formed.

【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。
In a heat treatment step at 750 ° C. or higher, nitrogen present in the first titanium nitride film 14 diffuses into the titanium film 15 and the polysilicon film 12. At this time, since excessive nitrogen in the first titanium nitride film 14 and the second titanium nitride film 16 diffuses into the titanium film 15, the titanium film 15 changes into a titanium nitride film. )
As shown in FIG. 7, a new titanium nitride film 19 is formed.
The nitrogen in the first titanium nitride film 14 diffuses into the polysilicon film 12, so that a reaction layer 20 containing silicon and nitrogen as main components is formed at the interface between the polysilicon film 12 and the titanium nitride film 19. Is done.

【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。
As described above, since the resistance value of the reaction layer 20 containing silicon and nitrogen as its main components is extremely large, when the thickness of the reaction layer 20 is large, the resistance between the polysilicon film 12 and the tungsten film 18 is increased. Has an increased interface resistance.

【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。
However, in the first embodiment, since the titanium film 15 is formed on the first titanium nitride film 14, nitrogen in the first titanium nitride film 15 is used for nitriding the titanium film 15. Since the amount of nitrogen consumed and contributing to the nitridation of the polysilicon film 12 is reduced, the thickness of the reaction layer 20 is significantly smaller than that of the related art.

【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。
In the heat treatment step, nitrogen in the second titanium nitride film 16 also diffuses. However, since the titanium film 15 exists under the second titanium nitride film 16, Since the nitrogen in the film 16 is consumed for nitriding the titanium film 15, the nitrogen does not reach the polysilicon film 12, so that a reaction layer due to the nitrogen in the second titanium nitride film 16 is not formed.

【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。
Therefore, according to the first embodiment, the interface resistance between the polysilicon film 12 and the tungsten film 18 is greatly reduced.

【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3n
m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。
The thickness of the first titanium nitride film 14 is preferably 3 nm or less, and most preferably about 2 nm. The reason is that the thickness of the first titanium nitride film 14 is 3n.
If the thickness exceeds m, the thickness of the reaction layer 20 formed in the heat treatment step at 750 ° C. or more increases, and the interface resistance between the polysilicon film 12 and the tungsten film 18 may increase.

【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。
FIGS. 4A and 4B show the distribution of the nitrogen content in the first titanium nitride film 14, the titanium film 15, and the second titanium nitride film 16, which constitute the barrier film. The horizontal axis indicates the distance from the interface between the barrier film and the polysilicon film to the substrate side.

【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。
In the nitrogen content distribution shown in FIG. 4A, the interface between the first metal film (the first titanium nitride film 14) and the polysilicon film is TiN, but the nitrogen content increases toward the substrate side. The content gradually decreases, and the nitrogen content becomes 0 at the interface between the first metal film and the second metal film (titanium film 15). Further, the nitrogen content at the interface between the second metal film and the third metal film (the second titanium nitride film 16) is 0, but the nitrogen content gradually increases toward the substrate side, and eventually. It is TiN.

【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。
In the nitrogen content distribution shown in FIG. 4B, the interface between the first metal film (the first titanium nitride film 14) and the polysilicon film is TiN, but the nitrogen content increases toward the substrate side. The content gradually decreases, and the nitrogen content at the interface between the first metal film and the second metal film (titanium film 15) is about half that of TiN, and the depth direction of the second metal film is In the central part, the nitrogen content is greatly reduced. At the interface between the second metal film and the third metal film (second titanium nitride film 16), the nitrogen content is about half that of TiN, but the nitrogen content gradually increases toward the substrate side. Eventually, it has become TiN.

【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。
In order to realize the nitrogen content distribution as shown in FIG. 4B, it is necessary to shorten the time for introducing an argon gas for forming the titanium film 15 or to lower the power of the discharge. Good.

【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。
In the first embodiment, the first titanium nitride film 14, the titanium film 15, and the second titanium nitride film 16 are formed by using a titanium target 13 having a titanium nitride film 13a formed on the surface. Because of the continuous formation, the nitrogen content is gradually decreasing and gradually increasing.However, when the target mainly composed of titanium nitride and the target mainly composed of titanium are properly used, the nitrogen content is reduced. The first and second titanium nitride films 14 without continuously changing,
16 and the titanium film 15 change the nitrogen content at a stretch.

【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。
Second Embodiment Hereinafter, as a method of forming an electrode structure according to a second embodiment of the present invention, a method of forming a gate electrode will be described with reference to FIGS.
This will be described with reference to (a) to (c) and FIG.

【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1
2を堆積する。
As in the first embodiment, as shown in FIG. 1A, after a gate insulating film 11 is formed on a silicon substrate 10, a polysilicon film 1 is formed on the gate insulating film 11.
2 is deposited.

【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。
Next, as a preparatory step, as shown in FIG. 6, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is introduced into a chamber in which a titanium target containing titanium as a main component is disposed, and discharge is performed in the chamber. To form a titanium nitride film on the surface of the titanium target.

【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。
Next, the semiconductor substrate 10 is carried into a chamber A in which a titanium target 13 having a surface on which a titanium nitride film 13a is formed is placed, and as in the first embodiment, as shown in FIG. As shown in FIG. 1, after forming a titanium nitride film 14 as a first metal film on the surface of the polysilicon film 12, a titanium film 15 is formed on the first nitride film 14 as shown in FIG. To form

【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1
3aを形成する。
Next, as shown in FIG. 6, after the discharge is stopped, a mixed gas of argon gas and nitrogen gas is introduced into the chamber A, and the discharge is caused again.
As shown in FIG. 5A, the third surface of the titanium film 15
Forming a second titanium nitride film 16 as a metal film, and also forming a titanium nitride film 1 on the surface of the titanium target 13.
3a is formed.

【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。
Next, as shown in FIG. 6, a target cleaning step of introducing only argon gas into the chamber A and continuing discharge in the chamber A is performed. By doing so, the titanium nitride film 13a on the surface of the titanium target 13 is sputtered with argon ions, so that the nitrogen content of the titanium nitride film 13a is reduced and, as shown in FIG. A third titanium nitride film 21 is deposited on the titanium nitride film 16.

【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1
8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。
Next, as shown in FIG. 5C, the semiconductor substrate 10 is transferred into a chamber B in which a tungsten target 17 containing tungsten as a main component is disposed, and then argon gas is supplied into the chamber B. At the same time, a discharge is caused in the chamber B, and a tungsten film 1 as a refractory metal film is formed on the third titanium nitride film 21.
8 is deposited. The gate electrode as an electrode structure is constituted by the polysilicon film 12, the first titanium nitride film 14, the titanium film 15, the second titanium nitride film 16, the third titanium nitride film 21, and the tungsten film 18 described above. And
The first titanium nitride film 14, the titanium film 15, the second titanium nitride film 16, and the third titanium nitride film 21 form a barrier film.

【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。
FIGS. 7A and 7B show the distribution of the nitrogen content in the first titanium nitride film 14, the titanium film 15, and the second titanium nitride film 16, which constitute the barrier film. The horizontal axis indicates the distance from the interface between the barrier film and the polysilicon film to the substrate side. Note that the nitrogen content in the third titanium nitride film 21 is omitted.

【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。
In the nitrogen content distribution shown in FIG. 7A, at the interface between the first metal film (first titanium nitride film 14) and the polysilicon film, the nitrogen content is smaller than that of TiN, and The nitrogen content gradually decreases toward the side, and the nitrogen content becomes zero at the interface between the first metal film and the second metal film (titanium film 15). Further, the nitrogen content at the interface between the second metal film and the third metal film (the second titanium nitride film 16) is 0, but the nitrogen content gradually increases toward the substrate side, and eventually. It is TiN.

【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。
In the nitrogen content distribution shown in FIG. 7B, at the interface between the first metal film (first titanium nitride film 14) and the polysilicon film, the nitrogen content is smaller than that of TiN, and The nitrogen content gradually decreases toward the side, and at the interface between the first metal film and the second metal film (titanium film 15), the nitrogen content is less than half of TiN. At the interface between the second metal film and the third metal film (second titanium nitride film 16), the nitrogen content is about half that of TiN, but the nitrogen content gradually increases toward the substrate side. Eventually, it has become TiN.

【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1
2とタングステン膜18との間の界面抵抗は一層低くな
る。
According to the second embodiment, after the second titanium nitride film 16 is formed on the surface of the titanium film 15, a target cleaning step of introducing only argon gas into the chamber A is performed. The nitrogen content of the titanium nitride film 13a used for depositing the titanium film 14 is reduced. Therefore, as can be seen from the comparison between FIG. 7A and FIG. 4A and the comparison between FIG. 7B and FIG. 4B, the polysilicon film 12 in the first titanium nitride film 14 Is lower in the vicinity of the interface than in the first embodiment. Therefore, when the electrode structure is subjected to a heat treatment at 750 ° C. or more, the amount of nitrogen diffused from first titanium nitride film 14 to polysilicon film 12 is reduced. Reaction layer 20 formed on
The thickness of the polysilicon film 1 (see FIG. 2C) becomes thinner or the reaction layer 20 is substantially not formed.
2 and the tungsten film 18 have a lower interface resistance.

【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、2000
W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、10
00W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1
6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2
40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。
FIG. 8 shows the first titanium nitride film 14 and the titanium film 15 when the time of the target cleaning step is changed to 0 second, 1 second, 2 seconds, 3 seconds, 5 seconds and 7 seconds. The relation between the thickness of the stacked film and the interface resistance between the polysilicon film 12 and the tungsten film 18 is shown. In this case, the polysilicon film 12 forms a p-type gate electrode. FIG. 8 shows that the first titanium nitride film 14 and the titanium film 15 are formed with a DC power of 300 W,
A second titanium nitride film 16 having a constant thickness of 10 nm is formed by discharging for 20 seconds with a DC power of W,
It is experimental data when a target cleaning process is performed with a DC power of 00 W. Also, the second nitride film 1
A tungsten film 18 having a thickness of 60 nm was formed on 6 with a DC power of 1000 W. The heat treatment after the formation of the laminated film is performed at a temperature of 760 ° C.
A furnace treatment for 40 minutes and a lamp annealing treatment at a temperature of 975 ° C. for 30 seconds were performed.

【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1
4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。
As can be seen from FIG. 8, when the time of the target cleaning step becomes longer, the first titanium nitride film 1
4, the content of nitrogen is reduced, so that the reaction film 20 is hardly formed, thereby lowering the interface resistance. This tendency becomes more pronounced when the total thickness of the first titanium nitride film 14 and the titanium film 15 is small.
The point where the film thickness is 0 in FIG. 8 corresponds to the conventional example (a single-layer film of titanium nitride).

【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。
FIG. 9 shows the target cleaning time,
The relationship between the amount of nitrogen contained in the stacked film of the first titanium nitride film 14 and the titanium film 15 is shown. In FIG.
● corresponds to the first embodiment in which the target cleaning is not performed, and ○ corresponds to the second embodiment in which the target cleaning is performed.
Corresponds to the embodiment. As can be seen from FIG. 9, an increase in the target cleaning time and a decrease in the amount of nitrogen in the stacked film have a linear relationship.

【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。
(Third Embodiment) Hereinafter, a method of manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG.
This will be described with reference to FIGS. 11 (a) and 11 (b) and FIGS. 11 (a) and 11 (b).

【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3
1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。
First, as shown in FIG. 10A, a silicon oxide film 3 serving as a gate insulating film is formed on a semiconductor substrate 30.
After forming 1, a polysilicon film 32 is deposited on the silicon oxide film 31.

【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。
Next, a first titanium nitride film 34, a titanium film 35, and a second titanium nitride film 36 serving as barrier films are formed on the polysilicon film 32 in the same manner as in the first embodiment.
Are sequentially formed, a tungsten film 38 is deposited on the second titanium nitride film 36, and the polysilicon film 32 and the first
Of a titanium nitride film 34, a titanium film 35, a second titanium nitride film 36, and a tungsten film 38, and then a silicon nitride film is formed on the laminate to form a gate electrode. A hard mask 39 is formed.

【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。
Next, as shown in FIG. 10B, the stacked body is etched using the hard mask 39 to form a gate electrode made of the stacked body, and then the gate electrode is washed.

【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。
Next, after the semiconductor substrate 30 is doped with an impurity using the gate electrode as a mask to form a low-concentration impurity layer 40, a silicon nitride film is deposited over the entire surface of the semiconductor substrate 30. By performing anisotropic etching on the silicon nitride film, sidewalls 41 are formed on the wall surfaces of the gate electrode as shown in FIG. Next, the semiconductor substrate 30 is doped with an impurity using the gate electrode and the side wall 41 as a mask to form a high-concentration impurity layer 43.

【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。
Next, a heat treatment at a temperature of 750 ° C. or higher is performed on the semiconductor substrate 30 to activate the low-concentration impurity layers 40 and the high-concentration impurity layers 43. In this case, since nitrogen present in the first titanium nitride film 34 and the second titanium nitride film 36 diffuses into the titanium film 35, FIG.
As shown in (b), a new titanium nitride film 45 is formed between the polysilicon film 32 and the tungsten film 38, and silicon and nitrogen are added to the interface between the polysilicon film 32 and the titanium nitride film 45. A reaction layer 56 as a main component is formed.

【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。
According to the third embodiment, even after the heat treatment at 750 ° C. or higher, the titanium silicide layer is not formed and the interface resistance can be reduced, so that the operating speed of the MOS transistor can be prevented from lowering. Also,
A situation in which the tungsten film 38 is peeled off due to the formation of the titanium silicide layer can also be prevented.

【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(MoSi
2 )膜を用いてもよい。
[0080] In the first to third embodiments, as the high melting point metal film, but with a tungsten film, instead of this, molybdenum (Mo) film, a tungsten silicide (WSi x) layer, or a molybdenum silicide (MoSi
2 ) A membrane may be used.

【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。
The metal constituting the barrier film is as follows.
Although titanium was used, tantalum (Ta), tungsten (W), or the like may be used instead.

【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。
Further, in the first to third embodiments, a silicon substrate is used, but an SOI substrate may be used instead.

【0083】[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。
According to the method for forming an electrode structure according to the present invention, even when a heat treatment at 750 ° C. or more is performed, metal silicide having a large resistance value is hardly formed on the surface of the silicon-containing film, and the silicon-containing film is hardly formed. If a reaction layer having an extremely high resistance value is not formed at the interface between the silicon-containing film and the barrier film, the thickness of the reaction layer is reduced, so that the interface resistance between the silicon-containing film and the refractory metal film is reduced.

【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。
According to the method of manufacturing a semiconductor device of the present invention, even if a heat treatment at 750 ° C. or more is performed to activate an impurity layer serving as a source or a drain, the polysilicon film in the gate electrode and the high melting point metal Interfacial resistance with the film can be reduced. Therefore, the operation time of the MOS transistor can be improved by reducing the delay time of the MOS transistor.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【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。
FIGS. 1A to 1C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming an electrode structure according to a first embodiment.

【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。
FIGS. 2A to 2C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming an electrode structure according to the first embodiment.

【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。
FIG. 3 is a sequence diagram showing a relationship between a type of gas introduced into a chamber and discharge in the first embodiment.

【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。
FIGS. 4A and 4B are diagrams showing the relationship between the distance from the interface and the nitrogen content in the barrier film obtained according to the first embodiment.

【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。
FIGS. 5A to 5C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming an electrode structure according to a second embodiment.

【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。
FIG. 6 is a sequence diagram showing the relationship between the type of gas introduced into a chamber and discharge in the second embodiment.

【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。
FIGS. 7A and 7B are diagrams illustrating a relationship between a distance from an interface and a nitrogen content in a barrier film obtained according to a second embodiment.

【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。
FIG. 8 is a diagram showing the relationship between the thickness of a laminated film composed of a first titanium nitride film and a titanium film obtained according to a second embodiment and the interface resistance between a polysilicon film and a tungsten film. .

【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。
FIG. 9 is a diagram showing a relationship between a target cleaning time performed in the second embodiment and an amount of nitrogen contained in a stacked film including a first titanium nitride film and a titanium film.

【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。
FIGS. 10A and 10B are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment.

【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。
FIGS. 11A and 11B are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for manufacturing a semiconductor device according to a third embodiment. FIGS.

【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。
12A is a cross-sectional view of an electrode structure according to a first conventional example, FIG. 12B is a cross-sectional view of an electrode structure according to a second conventional example, and FIG. FIG. 10 is a cross-sectional view when a heat treatment of 750 ° C. or more is performed on the electrode structure according to the conventional example.

【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。
FIGS. 13A to 13C are cross-sectional views illustrating respective steps of a method for forming an electrode structure according to a second conventional example.

【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。
FIGS. 14A and 14B are cross-sectional views illustrating problems in a method of forming an electrode structure according to a second conventional example.

【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。
FIG. 15 is a diagram showing the relationship between the temperature of the heat treatment for the gate electrode obtained by the method for forming the electrode structure according to the first conventional example and the second conventional example, and the interface resistance after the heat treatment.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

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 A chamber B chamber 10 semiconductor substrate 11 gate insulating film 12 polysilicon film 13 titanium target 13a titanium nitride film 14 first titanium nitride film (first metal film) 15 titanium film (second metal film) 16 second Titanium nitride film (third metal film) 17 Tungsten target 18 Tungsten film 19 Titanium nitride film 20 Reaction layer 21 Third titanium nitride film 30 Semiconductor substrate 31 Gate insulating film 32 Polysilicon film 34 First titanium nitride film 35 Titanium Film 36 second titanium nitride film 38 tungsten film 39 hard mask 40 low concentration impurity layer 41 side wall 43 high concentration impurity layer 45 titanium nitride film 46 reaction layer

フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−35774(JP,A) 特開 平8−321503(JP,A) 特開2000−22852(JP,A) IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVIC ES,米国,Vol.43,No.11,N ovember 1996,p.1864−1869 1999.International Symposium VLSI Tec hnology,Systems,an d Applications,米国, p.247−250 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 21/28 301 H01L 29/43 INSPEC(DIALOG) JICSTファイル(JOIS)Continuation of front page (56) References JP-A-2-35774 (JP, A) JP-A-8-321503 (JP, A) JP-A-2000-22852 (JP, A) IEEE TRANSACTIONS ON ELECTRON DEVIC ES, USA, Vol. 43, No. 11, November 1996, p. 1864-1869 1999. International Symposium VLSI Technology, Systems, and Applications, USA, p. 247-250 (58) Field surveyed (Int. Cl. 7 , DB name) H01L 29/78 H01L 21/336 H01L 21/28 301 H01L 29/43 INSPEC (DIALOG) JICST file (JOIS)

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】(57) [Claims] 【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。
A step of forming a barrier film on a silicon-containing film containing silicon as a main component; and depositing a refractory metal film on the barrier film to form the silicon-containing film, the barrier film and the barrier film. In the method for forming an electrode structure, the method includes a step of forming a laminated film made of a high melting point metal film and a step of performing a heat treatment on the laminated film at a temperature of 750 ° C. or more. Forming a first metal film made of a metal nitride on the silicon-containing film; and forming the first metal film made of the metal or the metal nitride on the first metal film. Forming a second metal film having a lower nitrogen content than the first metal film; and forming a second metal film on the second metal film, the second metal film being made of a nitride of the metal and having a lower nitrogen content than the second metal film. Forming a third metal film having a high content; The method of forming the electrode structure, which comprises.
【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。
2. The method for forming an electrode structure according to claim 1, wherein the metal is titanium.
【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。
3. The step of forming the barrier film includes the step of: forming an inert gas substantially free of a nitrogen gas with respect to a nitride film of the metal formed on a surface of the target containing the metal as a main component. By performing sputtering using, the metal nitride is deposited on the silicon-containing film to form the first metal film, and then the metal is deposited on the first metal film. Forming the second metal film; and performing sputtering using a mixed gas of a nitrogen gas and an inert gas on the target, whereby the metal and nitrogen contained in the mixed gas react with each other. And depositing a nitride of said metal on said second metal film to form said third metal film. 3. The method of forming an electrode structure according to claim 1, wherein .
【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。
4. After the step of forming the barrier film, nitrogen gas is substantially supplied to the metal nitride film formed on the surface of the target in the step of forming the third metal film. The method for forming an electrode structure according to claim 3, further comprising a step of performing sputtering using an inert gas not included.
【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。
5. The step of forming the barrier film, wherein a nitrogen gas is substantially contained in a chamber in which a target having the metal as a main component and having a metal nitride film formed on a surface is disposed. The first gas is discharged by introducing an inert gas which is not generated and causing a discharge in the chamber, and depositing the metal nitride which has been repelled from the metal nitride film on the silicon-containing film. Forming the second metal film by depositing the metal on the first metal film after the formation of the metal film, and nitrogen gas in the chamber in which the target is disposed. Introducing a mixed gas with an inert gas and causing a discharge in the chamber to cause the metal and the nitride of the mixed gas to react with the nitride of the metal to form the second metal film The method of forming the electrode structure according to claim 1, characterized in that a step of forming the third metal film by depositing thereon.
【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。
6. The method according to claim 1, further comprising the step of: introducing an inert gas substantially free of nitrogen gas into the chamber and causing a discharge in the chamber after the step of forming the barrier film. 6. The method according to claim 5, wherein
3. The method for forming an electrode structure according to 1.
【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。
7. A step of forming a polysilicon film on a semiconductor region, a step of forming a barrier film on the polysilicon film, and depositing a refractory metal film on the barrier film to form the silicon film. A step of forming a gate electrode comprising the containing film, the barrier film and the refractory metal film, and a step of forming an impurity layer serving as a source or a drain by ion-implanting impurities into the semiconductor region using the gate electrode as a mask. Performing a heat treatment at a temperature of 750 ° C. or more to activate the impurity layer. The step of forming the barrier film, comprising: forming a metal nitride on the silicon-containing film; Forming a first metal film made of: a metal containing the metal or a nitride of the metal on the first metal film, containing nitrogen more than the first metal film. Forming a second metal film having a smaller amount; a third metal film made of nitride of the metal and having a higher nitrogen content than the second metal film on the second metal film Forming a semiconductor device.
【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。
8. The method according to claim 7, wherein the metal is titanium.
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