(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなる第１のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記第１のターゲットと同一の高融点金属からなる第２のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記高融点金属窒化物膜の上に、前記ゲート電極の中層部又は上層部となる高融点金属膜を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項２】
前記高融点金属窒化物膜を形成する工程と前記高融点金属膜を形成する工程とは、互いに異なるチャンバーにおいて行なわれることを特徴とする請求項１に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項３】
半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記第１の高融点金属窒化物膜の上に、前記ゲート電極の中層部となる高融点金属膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記高融点金属膜の上に、前記ゲート電極の上層部となる第２の高融点金属窒化物膜を形成すると共に、前記ターゲットの表面部を窒化する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項４】
前記第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であること特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項５】
前記第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であること特徴とする請求項３に記載の半導体装置の製造方法。
【請求項６】
半導体基板上に形成された凹部の底面に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記絶縁膜の表面部を窒化すると共に、前記凹部における前記絶縁膜の上に第１の高融点金属窒化物膜を、前記凹部が途中まで埋まるように形成する工程と、
不活性ガスの雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記第１の高融点金属窒化物膜の上に高融点金属膜を、前記凹部が完全に埋まるように形成する工程と、
窒素ガスを含む雰囲気中において、前記ターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記ターゲットの表面部を窒化する工程と、
前記ターゲットの表面部を窒化する工程において前記高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去することにより、前記第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程とを備えていることを特徴とする半導体装置の製造方法。
【請求項７】
前記ターゲットの表面部を窒化する工程は、前記第２の高融点金属窒化物膜の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることを特徴とする請求項６に記載の半導体装置の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、メタルゲート電極を備えた半導体装置及びその製造方法に関し、特に、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる場合における、高融点金属積層膜からなるメタルゲート電極の形成方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＭＯＳ型半導体装置の微細化、高集積度化及び低電圧化を実現するためには、半導体装置を構成する配線又は電極等の材料を低抵抗化することによって、配線抵抗に起因する遅延時間を低減することが必要とされている。
【０００３】
そこで、ＭＯＳトランジスタのゲート電極の材料としては、従来、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜が用いられてきた。
【０００４】
しかしながら、０．１０μｍ以下の微細なプロセスにおいては、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜からなるゲート電極では、十分な低抵抗化を実現することができないので、多結晶シリコン膜と金属シリサイド膜との積層膜に代えて、タングステン、チタン、モリブデン又はタンタル等の高融点金属膜を用いてゲート電極を形成するメタルゲートプロセスが検討されている。
【０００５】
メタルゲートプロセスによりゲート電極を形成する方法において、ゲート絶縁膜の信頼性を向上させる手法が報告されている（森脇他、ＰＶＤ−Ｗメタルゲート／酸化膜界面のｉｎ−ｓｉｔｕプラズマ窒化効果、第４６回応用物理学会連合講演会  講演予稿集  第２分冊  ３０ａ−ＺＳ−１０）。
【０００６】
以下、前記の手法を用いてメタルゲート電極を形成する半導体装置の製造方法（以下、第１の従来例とする）について説明する。
【０００７】
第１の従来例においては、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステンからなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、半導体基板上に形成されたゲート酸化膜の上に、ゲート電極となるタングステン窒化膜の単層膜を形成する。このとき、スパッタリングの初期過程において窒素がゲート酸化膜表面に供給されることによって、ゲート酸化膜の表面部が窒化されるため、スパッタリングによりゲート酸化膜の表面部に生じるダメージが低減して、ゲート酸化膜の信頼性が向上すると共に、ゲート絶縁膜のリーク電流が抑制される。
【０００８】
ところが、タングステン窒化膜の抵抗値がタングステン膜の抵抗値と比べて約５〜２０倍程度高いため、タングステン窒化膜のみを用いてゲート電極を形成する第１の従来例においては、ゲート電極の抵抗が増大してしまうという問題が生じる。
【０００９】
そこで、高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなる積層膜を用いて、積層メタルゲート電極を形成する方法が検討されている。
【００１０】
以下、積層メタルゲート電極を形成する半導体装置の製造方法（以下、第２の従来例とする）について、図９（ａ）〜（ｄ）及び図１０（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第２の従来例においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００１１】
まず、図９（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１０の表面部に素子分離絶縁膜１１及びｐ型半導体領域１２を順次形成した後、半導体基板１０の上における素子分離絶縁膜１１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜１３を形成する。
【００１２】
次に、ＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバーに半導体基板１０を搬送した後、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、図９（ｂ）に示すように、半導体基板１０の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍのタングステン窒化膜１４を堆積する。
【００１３】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、アルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン窒化膜１４の上に膜厚９０ｎｍのタングステン膜１５を堆積する。これにより、タングステン窒化膜１４及びタングステン膜１５からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜１６が形成される。
【００１４】
次に、図９（ｃ）に示すように、高融点金属積層膜１６の上に、例えばシリコン窒化膜１７を形成した後、図９（ｄ）に示すように、シリコン窒化膜１７の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン１８を形成し、その後、図１０（ａ）に示すように、レジストパターン１８をマスクとして、シリコン窒化膜１７に対してドライエッチングを行なって、シリコン窒化膜１７をパターン化する。
【００１５】
次に、レジストパターン１８を除去した後、図１０（ｂ）に示すように、パターン化されたシリコン窒化膜１７Ａをマスクとして、高融点金属積層膜１６及びシリコン窒化酸化膜１３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜１６及びシリコン窒化酸化膜１３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜１６、つまりパターン化されたタングステン窒化膜１４Ａ及びパターン化されたタングステン膜１５ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極１６Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜１３からなるゲート絶縁膜１３Ａが形成される。
【００１６】
次に、図１０（ｃ）に示すように、ゲート電極１６Ａをマスクとして半導体基板１０に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域１９を形成した後、ゲート電極１６Ａの側面にサイドウォールスペーサ２０を形成し、その後、ゲート電極１６Ａ及びサイドウォールスペーサ２０をマスクとして半導体基板１０に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域２１を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、半導体装置を完成させる。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、第２の従来例における積層メタルゲート電極の下層部となるタングステン窒化膜の堆積条件を、第１の従来例における単層メタルゲート電極となるタングステン窒化膜の堆積条件と同一とした場合、第２の従来例においては、第１の従来例と比べて、ゲート電極の抵抗が減少するという利点がある一方、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大するという問題点がある。
【００１８】
前記に鑑み、本発明は、高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなる積層メタルゲート電極を備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できるようにすることを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
本件発明者らは、第２の従来例において、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大してしまう原因について検討した。以下、検討結果について説明する。
【００２０】
ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制するためには、ゲート絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成するときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージを低減しなければならない。そのためには、スパッタリングの初期過程において、言い換えると、ゲート絶縁膜の上に高融点金属窒化物膜が形成され始めるときに、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を十分に行なう必要がある。
【００２１】
ところで、第２の従来例においては、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれていると共に、製造コストの削減のために、同一のチャンバーにおいて雰囲気を変えながら、同一のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン窒化膜とタングステン膜との積層膜が堆積されている。
【００２２】
すなわち、第２の従来例においては、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステン窒化膜を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程において用いられたターゲットが、引き続き、タングステン窒化膜を堆積するために用いられる。このとき、タングステン窒化膜を堆積する工程においてはターゲットの表面部が窒化される一方、タングステン膜を堆積する工程においてはターゲットの表面部から窒素が失われるため、タングステン窒化膜を堆積するためのスパッタリングの初期過程においては、ターゲットの表面部が十分に窒化されていないので、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素、又は窒化タングステンが十分に供給されなくなる。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着することに起因して、ゲート絶縁膜に供給される窒素量がさらに減少する。
【００２３】
従って、第２の従来例においては、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を十分に行なうことができないため、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減できないので、ゲート絶縁膜のリーク電流が増大してしまう。
【００２４】
以上に説明したこと、すなわち、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜を堆積する工程がゲート絶縁膜の信頼性に悪影響を与えることが従来知られていなかったため、積層メタルゲート電極を備えた半導体装置において、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制することは困難であった。
【００２５】
本発明は、前記の知見に基づきなされたものであって、具体的には、本発明に係る第１の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなる第１のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、第１のターゲットと同一の高融点金属からなる第２のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、高融点金属窒化物膜の上に、ゲート電極の中層部又は上層部となる高融点金属膜を形成する工程とを備えている。
【００２６】
第１の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程とが、それぞれ異なるターゲットを用いて行なわれるため、高融点金属窒化物膜を形成するための第１のターゲットの表面部に含まれる窒素が、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において失われる事態を回避できる。このため、高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００２７】
第１の半導体装置の製造方法において、高融点金属窒化物膜を形成する工程と高融点金属膜を形成する工程とは、互いに異なるチャンバーにおいて行なわれることが好ましい。
【００２８】
このようにすると、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜に供給される窒素が減少する事態を防止できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を一層確実に行なうことができる。
【００２９】
本発明に係る第２の半導体装置の製造方法は、半導体基板上にゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、第１の高融点金属窒化物膜の上に、ゲート電極の中層部となる高融点金属膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、高融点金属膜の上に、ゲート電極の上層部となる第２の高融点金属窒化物膜を形成すると共に、前記のターゲットの表面部を窒化する工程とを備えている。
【００３０】
第２の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中で第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程において用いられたターゲットが、引き続き、第１の高融点金属窒化物膜を形成するために用いられるので、第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、該高融点金属は、前回のウェハー処理で行なわれた第２の高融点金属窒化物膜を形成する工程において窒化されている。
【００３１】
このため、第１の高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００３２】
また、第２の半導体装置の製造方法によると、第１の高融点金属窒化物膜、高融点金属膜、及び第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するゲート電極が形成されるため、言い換えると、ゲート電極において第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の上に形成されているため、ゲート電極の上に、酸素ガスを含む雰囲気中で、酸化物系の絶縁膜を堆積した場合にも、第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極の酸化に起因したゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００３３】
第２の半導体装置の製造方法において、第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３４】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、半導体基板上の段差部においても第１の高融点金属窒化物膜が連続的に形成されるので、後の工程において半導体基板に不純物が混入する事態を回避できる。
【００３５】
第２の半導体装置の製造方法において、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００３６】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、第２の高融点金属窒化物膜を形成するときに、ターゲットの表面部を確実に窒化でき、また、高融点金属膜の酸化つまりゲート電極の酸化を確実に防止できる。
【００３７】
本発明に係る第３の半導体装置の製造方法は、半導体基板上に形成された凹部の底面に、ゲート絶縁膜となる絶縁膜を形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、高融点金属からなるターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、絶縁膜の表面部を窒化すると共に、凹部における絶縁膜の上に第１の高融点金属窒化物膜を、凹部が途中まで埋まるように形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、第１の高融点金属窒化物膜の上に高融点金属膜を、凹部が完全に埋まるように形成する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中において、前記のターゲットを用いてスパッタリングを行なうことにより、前記のターゲットの表面部を窒化する工程と、ターゲットの表面部を窒化する工程において高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去することにより、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜からなるゲート電極を形成する工程とを備えている。
【００３８】
第３の半導体装置の製造方法によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程と、不活性ガスの雰囲気中で高融点金属膜を形成する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれた後、窒素ガスを含む雰囲気中で前記のターゲットの表面部を窒化する工程が行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において表面部が窒化されたターゲットが、引き続き、第１の高融点金属窒化物膜を形成するために用いられるので、第１の高融点金属窒化物膜を形成する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれた高融点金属膜を形成する工程において高融点金属がチャンバー内壁に付着した場合にも、該高融点金属は、前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において窒化されている。
【００３９】
このため、第１の高融点金属窒化物膜を形成するためのスパッタリングの初期過程において、半導体基板上に形成されたゲート絶縁膜に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００４０】
また、第３の半導体装置の製造方法によると、半導体基板上に形成された凹部に、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜を順次埋め込んだ後、ターゲットの表面部を窒化し、その後、該窒化工程において高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜を除去するため、第１の高融点金属窒化物膜及び高融点金属膜のみからなるゲート電極、言い換えると、高融点金属膜よりも高い抵抗を有する第２の高融点金属窒化物膜を含まないゲート電極が形成される。このため、次回のウェハー処理のためにターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行ない、その結果、第２の高融点金属窒化物膜が厚く形成されてしまった場合にも、ゲート電極の抵抗が増大する事態を回避できる。
【００４１】
すなわち、第３の半導体装置の製造方法によると、ゲート電極の高抵抗化を防止しつつ、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうことが可能になるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を一層確実に抑制できる。
【００４２】
第３の半導体装置の製造方法において、ターゲットの表面部を窒化する工程は、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることが好ましい。
【００４３】
このようにすると、ターゲットの表面部を一層確実に窒化できる。
【００４４】
本発明に係る半導体装置は、半導体基板上に形成されたシリコン窒化酸化膜からなるゲート絶縁膜と、ゲート絶縁膜の上に形成された第１の高融点金属窒化物膜、第１の高融点金属窒化物膜の上に形成された高融点金属膜、及び高融点金属膜の上に形成された第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するゲート電極とを備え、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面の近傍に含まれる窒素の重量比は１〜４％程度である。
【００４５】
本発明の半導体装置によると、ゲート絶縁膜におけるゲート電極との界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度であるため、ゲート絶縁膜の上にゲート電極の下層部となる第１の高融点金属窒化物膜をスパッタリングにより形成したときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが低減されるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００４６】
また、本発明の半導体装置によると、ゲート電極が、第１の高融点金属窒化物膜、高融点金属膜、及び第２の高融点金属窒化物膜が積層された構造を有するため、言い換えると、ゲート電極において第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の上に形成されているため、ゲート電極の上に、酸素ガスを含む雰囲気中で、酸化物系の絶縁膜を堆積したときに、第２の高融点金属窒化物膜が高融点金属膜の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極の酸化に起因したゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００４７】
本発明の半導体装置において、第１の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００４８】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できる。
【００４９】
本発明の半導体装置において、第２の高融点金属窒化物膜の膜厚は５〜２０ｎｍ程度であることが好ましい。
【００５０】
このようにすると、ゲート電極の高抵抗化を防止できると共に、高融点金属膜の酸化つまりゲート電極の酸化を確実に防止できる。
【００５１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施形態）
以下、本発明の第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図１（ａ）〜（ｄ）及び図２（ａ）〜（ｄ）を参照しながら説明する。尚、第１の実施形態においては、マルチチャンバーのスパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００５２】
まず、図１（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板１００の表面部に素子分離絶縁膜１０１及びｐ型半導体領域１０２を順次形成した後、半導体基板１００の上における素子分離絶縁膜１０１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜１０３を形成する。このとき、シリコン窒化酸化膜１０３に含まれる窒素は、半導体基板１００との界面の近傍に集中するため、シリコン窒化酸化膜１０３の表面部には窒素がほとんど含まれていない。
【００５３】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置の第１のチャンバー（図示省略）に半導体基板１００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなる第１のターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図１（ｂ）に示すように、半導体基板１００の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍのタングステン窒化膜１０４を堆積する。このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、シリコン窒化酸化膜１０３つまりゲート絶縁膜の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージが低減する。
【００５４】
次に、前記のＤＣマグネトロンスパッタリング装置の第２のチャンバー（図示省略）に半導体基板１００を搬送した後、例えばアルゴンガス又はキセノンガス等の不活性ガスの雰囲気中で、タングステンからなる第２のターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図１（ｃ）に示すように、タングステン窒化膜１０４の上に膜厚９０ｎｍのタングステン膜１０５を堆積する。これにより、タングステン窒化膜１０４及びタングステン膜１０５からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜１０６が形成される。
【００５５】
次に、図１（ｄ）に示すように、高融点金属積層膜１０６の上に、例えばシリコン窒化膜１０７を形成した後、図２（ａ）に示すように、シリコン窒化膜１０７の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン１０８を形成し、その後、図２（ｂ）に示すように、レジストパターン１０８をマスクとして、シリコン窒化膜１０７に対してドライエッチングを行なって、シリコン窒化膜１０７をパターン化する。
【００５６】
次に、レジストパターン１０８を除去した後、図２（ｃ）に示すように、パターン化されたシリコン窒化膜１０７Ａをマスクとして、高融点金属積層膜１０６及びシリコン窒化酸化膜１０３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜１０６及びシリコン窒化酸化膜１０３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜１０６、つまりパターン化されたタングステン窒化膜１０４Ａ及びパターン化されたタングステン膜１０５ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極１０６Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜１０３からなるゲート絶縁膜１０３Ａが形成される。
【００５７】
次に、図２（ｄ）に示すように、ゲート電極１０６Ａをマスクとして半導体基板１００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域１０９を形成した後、ゲート電極１０６Ａの側面にサイドウォールスペーサ１１０を形成し、その後、ゲート電極１０６Ａ及びサイドウォールスペーサ１１０をマスクとして半導体基板１００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域１１１を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【００５８】
第１の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中でタングステン窒化膜１０４を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜１０５を堆積する工程とが、それぞれ異なるターゲットを用いて行なわれるため、タングステン窒化膜１０４を堆積するための第１のターゲットの表面部に含まれる窒素が、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜１０５を堆積する工程において失われる事態を回避できる。このため、タングステン窒化膜１０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、シリコン窒化酸化膜１０３つまりゲート絶縁膜１０３Ａに窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【００５９】
また、第１の実施形態によると、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とが互いに異なるチャンバーにおいて行なわれるため、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜１０５を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンに起因して、タングステン窒化膜１０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜１０３Ａに供給される窒素が減少する事態を防止できるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部に対する窒化処理を一層確実に行なうことができる。
【００６０】
図３（ａ）は、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示しており、図３（ｃ）は、第１の比較例として、従来の半導体装置の製造方法を用いて、第１の実施形態と同一の膜構成が形成された場合、つまり、タングステンからなる同一のターゲットを用いて、タングステン窒化膜及びタングステン膜が連続的に堆積された場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示している。
【００６１】
尚、図３（ａ）及び図３（ｃ）に示すゲート絶縁膜のリーク電流は、ゲート絶縁膜に５ＭＶ／ｃｍの電界が印加された場合に生じたリーク電流を、連続処理された１０枚のウェハーについて平均したものである。
【００６２】
また、図３（ａ）及び図３（ｃ）において、Ｅ−ｎ（ｎは自然数）は、１０-nを示している。
【００６３】
図３（ａ）及び（ｃ）に示すように、第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合と比べて、ゲート絶縁膜のリーク電流を約１桁小さい値に低減することができる。
【００６４】
尚、第１の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。但し、第１のターゲット及び第２のターゲットとしては、同一の高融点金属材料が用いられる。
【００６５】
また、第１の実施形態において、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とを、それぞれ異なるチャンバーを用いて行なったが、これに代えて、タングステン窒化膜１０４を堆積する工程とタングステン膜１０５を堆積する工程とを、それぞれの工程で用いられる少なくとも２つのターゲットを備えており、各ターゲットの近傍にのみプラズマが生成される、又は各ターゲットの周囲に生成されるプラズマが他のターゲットに影響を及ぼさないようにシャッター等により遮蔽される単一のチャンバーを用いて行なった場合にも、同等の効果が得られる。
【００６６】
また、第１の実施形態において、タングステン窒化膜１０４を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、シリコン窒化酸化膜１０３の表面部、つまりゲート絶縁膜１０３Ａにおけるゲート電極１０６Ａとの界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜１０３Ａの表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【００６７】
また、第１の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【００６８】
（第２の実施形態）
以下、本発明の第２の実施形態に係る半導体装置及びその製造方法について、図４（ａ）〜（ｄ）及び図５（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００６９】
まず、図４（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板２００の表面部に素子分離絶縁膜２０１及びｐ型半導体領域２０２を順次形成した後、半導体基板２００の上における素子分離絶縁膜２０１に囲まれた領域に、ＭＯＳトランジスタのゲート絶縁膜となる膜厚３．０ｎｍのシリコン窒化酸化膜２０３を形成する。このとき、シリコン窒化酸化膜２０３に含まれる窒素は、半導体基板２００との界面の近傍に集中するため、シリコン窒化酸化膜２０３の表面部には窒素がほとんど含まれていない。
【００７０】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバー（図示省略）に半導体基板２００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図４（ｂ）に示すように、半導体基板２００の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍの第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する。
【００７１】
このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、シリコン窒化酸化膜２０３つまりゲート絶縁膜の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜の表面部に生じるダメージが低減する。
【００７２】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、第１のタングステン窒化膜２０４の上に膜厚８０ｎｍのタングステン膜２０５を堆積する。その後、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス（窒素ガスの流量比は、例えば４０％）に変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、タングステン膜２０５の上に膜厚１０ｎｍの第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する。これにより、第１のタングステン窒化膜２０４、タングステン膜２０５及び第２のタングステン窒化膜２０６からなり、ゲート電極を構成する高融点金属積層膜２０７が形成される。
【００７３】
尚、タングステン膜２０５を堆積する工程においては、ターゲットの表面部に含まれる窒素が失われる一方、第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程においては、ターゲットの表面部が再び窒化されるので、異なる半導体基板に対して次回行なわれる、つまり次回のウェハー処理で行なわれる第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は窒化されている。
【００７４】
次に、図４（ｃ）に示すように、酸素ガスを含む雰囲気中で、高融点金属積層膜２０７の上に、例えばシリコン酸化膜２０８を形成した後、図４（ｄ）に示すように、シリコン酸化膜２０８の上に、ゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン２０９を形成し、その後、図５（ａ）に示すように、レジストパターン２０９をマスクとして、シリコン酸化膜２０８に対してドライエッチングを行なって、シリコン酸化膜２０８をパターン化する。
【００７５】
次に、レジストパターン２０９を除去した後、図５（ｂ）に示すように、パターン化されたシリコン酸化膜２０８Ａをマスクとして、高融点金属積層膜２０７及びシリコン窒化酸化膜２０３に対して順次ドライエッチングを行なって、高融点金属積層膜２０７及びシリコン窒化酸化膜２０３をパターン化する。これにより、パターン化された高融点金属積層膜２０７、つまりパターン化された第１のタングステン窒化膜２０４Ａ、パターン化されたタングステン膜２０５Ａ及びパターン化された第２のタングステン窒化膜２０６ＡからなるＮＭＯＳトランジスタのゲート電極２０７Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン窒化酸化膜２０３からなるゲート絶縁膜２０３Ａが形成される。
【００７６】
次に、図５（ｃ）に示すように、ゲート電極２０７Ａをマスクとして半導体基板２００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域２１０を形成した後、ゲート電極２０７Ａの側面にサイドウォールスペーサ２１１を形成し、その後、ゲート電極２０７Ａ及びサイドウォールスペーサ２１１をマスクとして半導体基板２００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域２１２を形成する。続いて、図示は省略しているが、層間絶縁膜、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【００７７】
第２の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜２０５を堆積する工程と、窒素ガスを含む雰囲気中で第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれた第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程において用いられたターゲットが、引き続き、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積するために用いられるので、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部が十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜２０５を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンは、前回のウェハー処理で行なわれた第２のタングステン窒化膜２０６を堆積する工程において窒化されている。
【００７８】
このため、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、シリコン窒化酸化膜２０３つまりゲート絶縁膜２０３Ａに窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜２０３Ａの表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、スパッタリングによりゲート絶縁膜２０３Ａの表面部に生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜２０３Ａのリーク電流を抑制できる。
【００７９】
図３（ｂ）は、第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示している。
【００８０】
尚、図３（ｂ）に示すゲート絶縁膜のリーク電流は、ゲート絶縁膜に５ＭＶ／ｃｍの電界が印加された場合に生じたリーク電流を、連続処理された１０枚のウェハーについて平均したものである。また、図３（ｂ）において、Ｅ−ｎ（ｎは自然数）は、１０-nを示している。
【００８１】
第２の実施形態においては、従来の半導体装置の製造方法と同様に、同一のターゲットを用いて、タングステン窒化膜及びタングステン膜からなる積層メタルゲート電極を形成しているにも関わらず、図３（ｂ）に示すように、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合（図３（ｃ）参照）と比べて、ゲート絶縁膜のリーク電流を約１／２桁小さい値に低減できる。
【００８２】
また、第２の実施形態によると、第１のタングステン窒化膜２０４、タングステン膜２０５及び第２のタングステン窒化膜２０６が積層された構造を有するゲート電極２０７Ａが形成されるため、言い換えると、ゲート電極２０７Ａにおいて第２のタングステン窒化膜２０６がタングステン膜２０５の上に形成されているため、ゲート電極２０７Ａの上に、例えばハードマスク材料としてシリコン酸化膜２０８が形成された場合にも、第２のタングステン窒化膜２０６がタングステン膜２０５の酸化を防止するバリア膜として作用するので、ゲート電極２０７Ａの酸化に起因したゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できる。
【００８３】
尚、第２の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。
【００８４】
また、第２の実施形態において、第１のタングステン窒化膜２０４及び第２のタングステン窒化膜２０６を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、第１のタングステン窒化膜２０４を堆積する場合、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、シリコン窒化酸化膜２０３の表面部、つまりゲート絶縁膜２０３Ａにおけるゲート電極２０７Ａとの界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜２０３Ａの表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【００８５】
また、第２の実施形態において、第１のタングステン窒化膜２０４の膜厚は、５〜２０ｎｍ程度あることが好ましい。
【００８６】
このようにすると、ゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できると共に、半導体基板２００上の段差部においても第１のタングステン窒化膜２０４が連続的に形成されるので、後の工程において半導体基板２００に不純物が混入する事態を回避できる。
【００８７】
また、第２の実施形態において、第２のタングステン窒化膜２０６の膜厚は、５〜２０ｎｍ程度あることが好ましい。
【００８８】
このようにすると、ゲート電極２０７Ａの高抵抗化を防止できると共に、第２のタングステン窒化膜２０６を堆積するときに、ターゲットの表面部を確実に窒化でき、また、タングステン膜２０５の酸化つまりゲート電極２０７Ａの酸化を確実に防止できる。
【００８９】
また、第２の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【００９０】
（第３の実施形態）
以下、本発明の第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法について、図６（ａ）〜（ｄ）、図７（ａ）〜（ｃ）及び図８（ａ）〜（ｃ）を参照しながら説明する。尚、第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法においては、スパッタリング装置を用いて、半導体基板となるウェハーの枚葉処理が行なわれる。
【００９１】
まず、図６（ａ）に示すように、シリコンからなる半導体基板３００の表面部に素子分離絶縁膜３０１及びｐ型半導体領域３０２を順次形成した後、半導体基板３００の上における素子分離絶縁膜３０１に囲まれた領域に、膜厚１０ｎｍ程度のシリコン酸化膜３０３を形成する。
【００９２】
次に、図６（ｂ）に示すように、半導体基板３００の上に全面に亘って、多結晶シリコン膜３０４を堆積した後、図６（ｃ）に示すように、多結晶シリコン膜３０４の上に、ＭＯＳトランジスタのゲート電極形成領域を覆うようにレジストパターン３０５を形成し、その後、図６（ｄ）に示すように、レジストパターン３０５をマスクとして、多結晶シリコン膜３０４及びシリコン酸化膜３０３に対して順次ドライエッチングを行なって、多結晶シリコン膜３０４及びシリコン酸化膜３０３をパターン化する。これにより、パターン化された多結晶シリコン膜３０４からなる仮ゲート電極３０４Ａが形成されると共に、パターン化されたシリコン酸化膜３０３からなる仮ゲート絶縁膜３０３Ａが形成される。
【００９３】
次に、図７（ａ）に示すように、仮ゲート電極３０４Ａをマスクとして半導体基板３００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の低濃度不純物領域３０６を形成した後、仮ゲート電極３０４Ａの側面にサイドウォールスペーサ３０７を形成し、その後、仮ゲート電極３０４Ａ及びサイドウォールスペーサ３０７をマスクとして半導体基板３００に対してｎ型の不純物を注入することにより、ｎ型の高濃度不純物領域３０８を形成する。
【００９４】
次に、半導体基板３００の上に全面に亘って、層間絶縁膜３０９を堆積した後、図７（ｂ）に示すように、仮ゲート電極３０４Ａの上面が露出するように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて層間絶縁膜３０９を平坦化する。
【００９５】
次に、図７（ｃ）に示すように、ＫＯＨ等のアルカリ溶液を用いて、仮ゲート電極３０４Ａに対して選択的にエッチングを行なって、仮ゲート電極３０４Ａを除去した後、フッ酸溶液を用いて、仮ゲート絶縁膜３０３Ａを除去する。これにより、壁部にサイドウォールスペーサ３０７が形成され、底面にｐ型半導体領域３０２の一部、つまりＭＯＳトランジスタのチャネル領域が露出したゲート電極形成用溝３１０が形成される。
【００９６】
次に、図８（ａ）に示すように、ｐ型半導体領域３０２におけるゲート電極形成用溝３１０に露出する部分に対して、酸素ガスを含む雰囲気中で熱酸化を行なうことにより、ＭＯＳトランジスタのチャネル領域の上に、シリコン酸化膜からなるゲート絶縁膜３１１を形成する。
【００９７】
次に、例えばＤＣマグネトロンスパッタリング装置のチャンバー（図示省略）に半導体基板３００を搬送した後、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスの雰囲気中で、タングステンからなるターゲット（図示省略）を用いてスパッタリングを行なうことにより、図８（ｂ）に示すように、ゲート電極形成用溝３１０を含む層間絶縁膜３０９の上に全面に亘って、膜厚１０ｎｍの第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する。
【００９８】
このとき、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスにおける窒素ガスの流量比を、例えば４０％に設定することにより、ゲート絶縁膜３１１の表面部を窒化して、ゲート絶縁膜３１１の表面部に含まれる窒素の重量比を１％以上にする。このようにすると、スパッタリングによりゲート絶縁膜３１１の表面部に生じるダメージが低減する。
【００９９】
続いて、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガス等の不活性ガスに変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、第１のタングステン窒化膜３１２の上に膜厚１００ｎｍのタングステン膜３１３を、ゲート電極形成用溝３１０が完全に埋まるように堆積する。その後、前記のチャンバーの雰囲気を、例えばアルゴンガスと窒素ガスとの混合ガス（窒素ガスの流量比は、例えば４０％）に変えると共に、前記のターゲットを用いてスパッタリングを連続的に行なうことにより、前記のターゲットの表面部を窒化する。このとき、タングステン膜３１３の上に堆積される第２のタングステン窒化膜３１４の膜厚が５０ｎｍに達するまで、前記のターゲットの表面部を窒化する。これにより、異なる半導体基板に対して次回行なわれる、つまり次回のウェハー処理で行なわれる第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は確実に窒化されている。
【０１００】
次に、図８（ｃ）に示すように、化学的機械的研磨（ＣＭＰ）法を用いて、第２のタングステン窒化膜３１４、タングステン膜３１３及び第１のタングステン窒化膜３１２における層間絶縁膜３０９の上に露出する部分を除去することにより、ゲート電極形成用溝３１０の内部に、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３からなるゲート電極３１５を形成する。続いて、図示は省略しているが、周知の方法により、コンタクト及び金属配線等を形成することによって、メタルゲート電極を備えた半導体装置を完成させる。
【０１０１】
第３の実施形態によると、窒素ガスを含む雰囲気中で第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程と、不活性ガスの雰囲気中でタングステン膜３１３を堆積する工程とが、同一のターゲットを用いて連続的に行なわれた後、窒素ガスを含む雰囲気中で前記のターゲットの表面部を窒化する工程が行なわれるため、異なる半導体基板に対して前回行なわれた、つまり前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において表面部が窒化されたターゲットが、引き続き、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積するために用いられるので、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する工程の開始時点において、ターゲットの表面部は十分に窒化されている。また、前回のウェハー処理で行なわれたタングステン膜３１３を堆積する工程においてタングステンがチャンバー内壁に付着した場合にも、該タングステンは、前回のウェハー処理で行なわれたターゲットの表面部を窒化する工程において窒化されている。
【０１０２】
このため、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積するためのスパッタリングの初期過程において、ゲート絶縁膜３１１に窒素を十分に供給できるので、ゲート絶縁膜３１１の表面部に対する窒化処理を確実に行なうことができる。従って、ゲート絶縁膜３１１の表面部にスパッタリングにより生じるダメージを低減して、ゲート絶縁膜３１１のリーク電流を抑制できる。
【０１０３】
また、第３の実施形態によると、半導体基板３００上の層間絶縁膜３０９に形成されたゲート電極形成用溝３１０に、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３を埋め込んだ後、ターゲットの表面部を窒化し、その後、該窒化工程においてタングステン膜３１３の上に堆積された第２のタングステン窒化膜３１４を除去するため、第１のタングステン窒化膜３１２及びタングステン膜３１３のみからなるゲート電極３１５、言い換えると、タングステン膜３１３よりも高い抵抗を有する第２のタングステン窒化膜３１４を含まないゲート電極３１５が形成される。このため、次回のウェハー処理のためにターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行ない、その結果、第２のタングステン窒化膜３１４が厚く堆積されてしまった場合にも、ゲート電極３１５の抵抗が増大する事態を回避できる。
【０１０４】
すなわち、第２の実施形態においては、ゲート電極が第１のタングステン窒化膜、タングステン膜及び第２のタングステン窒化膜から形成されるため、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうと、第２のタングステン窒化膜の膜厚が厚くなってしまうので、ゲート電極の抵抗が増大してしまうという問題が生じるのに対して、第３の実施形態においては、ゲート電極３１５の抵抗の増大を防止しつつ、ターゲットの表面部を窒化する工程を長時間行なうことが可能になるので、ゲート絶縁膜３１１のリーク電流を一層確実に抑制できる。
【０１０５】
尚、第３の実施形態において、積層メタルゲート電極形成用の高融点金属材料として、タングステンを用いたが、これに代えて、例えばモリブデン、タンタル又はチタン等を用いても同様の効果が得られる。
【０１０６】
また、第３の実施形態において、第１のタングステン窒化膜３１２及び第２のタングステン窒化膜３１４を堆積するために、アルゴンガスと窒素ガスとの混合ガスを用いたが、これに代えて、キセノンガス等の他の不活性ガスと窒素ガスとの混合ガスを用いてもよい。また、第１のタングステン窒化膜３１２を堆積する場合、前記の混合ガスにおける窒素ガスの流量比は、４０〜８０％程度に設定されることが好ましい。このようにすると、ゲート絶縁膜３１１の表面部、つまりゲート絶縁膜３１１におけるゲート電極３１５との界面の近傍に含まれる窒素の重量比が１〜４％程度になるので、ゲート絶縁膜３１１の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが確実に低減する。
【０１０７】
また、第３の実施形態において、窒素ガスを含む雰囲気中でターゲットの表面部を窒化する工程は、タングステン膜３１３の上に堆積される第２のタングステン窒化膜３１４の膜厚が５０〜１００ｎｍ程度に達するまで行なわれることが好ましい。
【０１０８】
このようにすると、ターゲットの表面部を一層確実に窒化できる。
【０１０９】
また、第３の実施形態において、ＮＭＯＳトランジスタを形成したが、これに代えて、ＰＭＯＳトランジスタを形成しても同様の効果が得られる。
【０１１０】
【発明の効果】
本発明によると、スパッタリングを用いて、ゲート絶縁膜の上に積層メタルゲート電極の下層部となる高融点金属窒化物膜を形成するときに、ゲート絶縁膜の表面部にスパッタリングにより生じるダメージが低減されるので、ゲート絶縁膜のリーク電流を抑制できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図２】（ａ）〜（ｄ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図３】（ａ）は第１の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図であり、（ｂ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図であり、（ｃ）は第１の比較例として、従来の半導体装置の製造方法を用いた場合における、ゲート絶縁膜のリーク電流を示す図である。
【図４】（ａ）〜（ｄ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図５】（ａ）〜（ｃ）は第２の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図６】（ａ）〜（ｄ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図７】（ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図８】（ａ）〜（ｃ）は第３の実施形態に係る半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図９】（ａ）〜（ｄ）は従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【図１０】（ａ）〜（ｃ）は従来の半導体装置の製造方法の各工程を示す断面図である。
【符号の説明】
１００  半導体基板
１０１  素子分離絶縁膜
１０２  ｐ型半導体領域
１０３  シリコン窒化酸化膜
１０３Ａ  ゲート絶縁膜
１０４  タングステン窒化膜
１０４Ａ  パターン化されたタングステン窒化膜
１０５  タングステン膜
１０５Ａ  パターン化されたタングステン膜
１０６  高融点金属積層膜
１０６Ａ  ゲート電極
１０７  シリコン窒化膜
１０７Ａ  パターン化されたシリコン窒化膜
１０８  レジストパターン
１０９  低濃度不純物領域
１１０  サイドウォールスペーサ
１１１  高濃度不純物領域
２００  半導体基板
２０１  素子分離絶縁膜
２０２  ｐ型半導体領域
２０３  シリコン窒化酸化膜
２０３Ａ  ゲート絶縁膜
２０４  第１のタングステン窒化膜
２０４Ａ  パターン化された第１のタングステン窒化膜
２０５  タングステン膜
２０５Ａ  パターン化されたタングステン膜
２０６  第２のタングステン窒化膜
２０６Ａ  パターン化された第２のタングステン窒化膜
２０７  高融点金属積層膜
２０７Ａ  ゲート電極
２０８  シリコン酸化膜
２０８Ａ  パターン化されたシリコン酸化膜
２０９  レジストパターン
２１０  低濃度不純物領域
２１１  サイドウォールスペーサ
２１２  高濃度不純物領域
３００  半導体基板
３０１  素子分離絶縁膜
３０２  ｐ型半導体領域
３０３  シリコン酸化膜
３０３Ａ  仮ゲート絶縁膜
３０４  多結晶シリコン膜
３０４Ａ  仮ゲート電極
３０５  レジストパターン
３０６  低濃度不純物領域
３０７  サイドウォールスペーサ
３０８  高濃度不純物領域
３０９  層間絶縁膜
３１０  ゲート電極形成用溝
３１１  ゲート絶縁膜
３１２  第１のタングステン窒化膜
３１３  タングステン膜
３１４  第２のタングステン窒化膜
３１５  ゲート電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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