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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf die Herstellung
integrierter Schaltkreise, und dabei auf Verfahren zum Ausbildung
einer Halbleiterstruktur, bei denen Ionen in eine Materialschicht implantiert
werden, um eine Ätzrate
der Materialschicht in einem Ätzprozess
zu verändern.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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In
DE 10 2005 052 054
A1 wird eine Technik zur Bereitstellung mehrerer Quellen
für mechanische Spannungen
in NMOS- und PMOS-Transistoren beschrieben. Durch Kombinieren mehrerer
spannungsinduzierenden Mechanismen in jeder unterschiedlichen Transistorart
kann eine deutliche Leistungssteigerung erreicht werden. Dadurch
wird eine erhöhte Flexibilität beim Einstellen
von produktspezifischen Eigenschaften ermöglicht. Zu diesem Zweck werden Seitenwandabstandshalter
mit hoher Zugspannung gemeinsam in PMOS- und NMOS-Transistoren hergestellt,
wobei eine nachteilige Auswirkung auf den PMOS-Transistor durch eine entsprechend kompressiv
verspannte Kontaktätzstoppschicht
kompensiert werden kann, während
der NMOS-Transistor eine Kontaktätzstoppschicht
mit Zugspannung aufweist. Ferner weist der PMOS-Transistor eine
eingebettete verformte Halbleiterschicht zum effizienten Erzeugen einer
kompressiven Verformung in dem Kanalgebiet auf.
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Integrierte
Schaltkreise umfassen eine große Anzahl
einzelner Schaltkreiselemente wie beispielsweise Transistoren, Kondensatoren
und Widerstände.
Diese Elemente werden intern miteinander verbunden, um komplexe
Schaltkreise wie Speichenvorrichtungen, Logikbausteine und Mikroprozessoren auszubilden.
Die Leistungsfähigkeit
integrierter Schaltkreise kann verbessert werden, indem die Anzahl
von Funktionseinheiten pro Schaltkreis erhöht wird, um den Funktionsumfang
der Schaltkreise zu erweitern und/oder indem die Arbeitsgeschwindigkeit der
Schaltkreiselemente erhöht
wird. Eine Verringerung der Strukturgrößen ermöglicht das Ausbilden einer
größeren Anzahl
von Schaltkreiselementen auf derselben Fläche, wodurch eine Erweiterung
des Funktionsumfangs des Schaltkreises ermöglicht wird, und verringert
auch Signalausbreitungszeiten, wodurch eine Vergrößerung der
Arbeitsgeschwindigkeit der Schaltkreiselemente ermöglicht wird.
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Feldeffekttransistoren
werden in integrierten Schaltkreisen als Schaltelemente verwendet.
Sie sind ein Mittel, um einen Strom zu steuern, der durch ein Kanalgebiet
fließt,
das sich zwischen einem Sourcegebiet und einem Draingebiet befindet.
Das Sourcegebiet und das Draingebiet sind stark dotiert. In Transistoren
von n-Typ sind das Sourcegebiet und das Draingebiet mit einer Dotiersubstanz
vom n-Typ dotiert. Umgekehrt sind in Transistoren von p-Typ das
Sourcegebiet und das Draingebiet mit einer Dotiersubstanz vom p-Typ
dotiert. Die Dotierung des Kanalgebiets ist invers zur Dotierung
des Sourcegebiets und des Draingebiets. Die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets wird durch eine Gate-Spannung gesteuert, die an
eine Gate-Elektrode angelegt wird, die über dem Kanalgebiet ausgebildet
ist und von diesem durch eine dünne
isolierende Schicht getrennt wird. Abhängig von der Gate-Spannung kann das
Kanalgebiet zwischen einem leitfähigen „Ein”-Zustand und
einem im Wesentlichen nicht leitenden „Aus”-Zustand geschaltet werden.
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Wenn
die Größe der Feldeffekttransistoren verringert
wird, ist es wichtig, eine hohe Leitfähigkeit des Kanalgebiets im „Ein”-Zustand
beizubehalten. Die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets im „Ein”-Zustand hängt von
der Dotierstoffkonzentration im Kanalgebiet, der Beweglichkeit der
Ladungsträger,
der Ausdehnung des Kanalgebiets in der Breitenrichtung des Transistors
und von einem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet,
der allgemeinen „Kanallänge” bezeichnet
wird, ab. Während
eine Verringerung der Breite des Kanalgebiets zu einer Abnahme der
Kanalleitfähigkeit
führt,
verbessert eine Verringerung der Kanallänge die Kanalleitfähigkeit. Eine
Erhöhung
der Ladungsträgerbeweglichkeit
führt zu
einer Zunahme der Kanalleitfähigkeit.
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Wenn
die Strukturgrößen verringert
werden, verringert sich auch die Ausdehnung des Kanalgebiets in
der Breitenrichtung. Eine Verringerung der Kanallänge hat
mehrere damit verbundene Probleme zur Folge. Erstens sind fortschrittliche
Techniken der Photolithografie und des Ätzens erforderlich, um Transistoren
mit kurzen Kanallängen
zuverlässig
und reproduzierbar herzustellen. Außerdem werden im Sourcegebiet
und im Draingebiet hoch komplizierte Dotierstoffprofile benötigt, und
zwar sowohl in der vertikalen Richtung als auch in der seitlichen
Richtung, um einen geringen Schichtwiderstand und einen geringen
Kontaktwiderstand in Kombination mit einer gewünschten Steuerbarkeit des Kanals
bereitzustellen.
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Im
Hinblick auf die Nachteile, die mit einer weiteren Verringerung
der Kanallänge
verbunden sind, wurde vorgeschlagen, die Leistungsfähigkeit von
Feldeffekttransistoren auch durch Erhöhen der Ladungsträgerbeweglichkeit
im Kanalgebiet zu verbessern. Im Prinzip können mindestens zwei Ansätze verfolgt
werden, um die Ladungsträgerbeweglichkeit
zu vergrößern.
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Erstens
kann die Dotierstoffkonzentration im Kanalgebiet verringert werden.
Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Streuvorgängen von Ladungsträgern im
Kanalgebiet, was zu einer Zunahme der Leitfähigkeit des Kanalgebiets führt. Eine
Verringerung der Dotierstoffkonzentration im Kanalgebiet hat jedoch
einen deutlichen Einfluss auf die Schwellenspannung der Transistorvorrichtung.
Dies macht die Verringerung der Dotierstoffkonzentration zu einem
weniger attraktiven Ansatz.
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Zweitens
kann die Gitterstruktur im Kanalgebiet verändert werden, um eine elastische
Zugspannung oder eine elastische Druckspannung zu erzeugen. Dies
führt zu
einer veränderten
Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher. Abhängigkeit von der Stärke der
elastischen Spannung kann eine elastische Druckspannung die Beweglichkeit
der Löcher
in einer Siliziumschicht deutlich verbessern. Die Beweglichkeit
der Elektronen kann verbessert werden, indem eine Siliziumschicht
mit einer elastischen Druckspannung bereit gestellt wird.
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Ein
Verfahren zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur mit Feldeffekttransistoren,
in denen das Kanalgebiet in verspanntem Silizium ausgebildet ist, wird
im folgenden mit Bezug auf die 1a bis 1d beschrieben.
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1a zeigt
eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 100 in
einem ersten Stadium eines Herstellungsverfahrens nach dem Stand
der Technik. Die Halbleiterstruktur 100 umfasst ein Substrat 101.
Im Substrat 101 befinden sich ein erstes aktives Gebiet 104 und
ein zweites aktives Gebiet 204. Eine Isoliergrabenstruktur 102 isoliert
die aktiven Gebiete 104, 204 elektrisch voneinander
und von anderen Elementen der Halbleiterstruktur 100, die
in 1a nicht gezeigt sind.
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Über dem
aktiven Gebiet 104 ist eine Gate-Elektrode 106 ausgebildet,
die von dem Substrat 101 durch eine Gate-Isolierschicht 105 getrennt wird.
Die Gate-Elektrode 106 wird von einer Deckschicht 107 bedeckt
und von einer Seitenwand-Abstandshalterstruktur 108 flankiert.
Das aktive Gebiet 104, die Isoliergrabenstruktur 102,
die Gate-Elektrode 106, die Gate-Isolierschicht 105 sowie
die Seitenwand-Abstandshalter 108, 109 und die
Deckschicht 107 bilden zusammen Teile eines ersten Feldeffekttransistorelements 130.
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Die
Halbleiterstruktur 100 umfasst ferner ein zweites Transistorelement 230. Ähnlich wie
das erste Transistorelement 130 umfasst das zweite Transistorelement 230 eine
Gate-Elektrode 206,
eine Gate-Isolierschicht 205 und eine Seitenwand-Abstandshalterstruktur 208.
Eine Deckschicht 207 bedeckt die Gate-Elektrode 206.
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Beim
Ausbilden der Hableiterstruktur 100 wird das Substrat 101 bereit
gestellt, und die Isoliergrabenstruktur 102 wird mit Hilfe
von Verfahren der Photolithographie, der Abscheidung und/oder der Oxidation,
die den Fachleuten bekannt sind, ausbildet. Anschließend werden
Ionen einer Dotiersubstanz in das Substrat 101 implantiert,
um die aktiven Gebiete 104, 204 auszubilden. Die
Art der Dotiersubstanzen entspricht der Dotierung der Kanalgebiete der
auszubildenden Transistorelemente 130, 230. Somit
werden Ionen einer Dotiersubstanz vom p-Typ implantiert, wenn das
erste Transistorelement 130 und das zweite Transistorelement 230 Transistoren vom
n-typ sind und Ionen einer Dotiersubstanz vom n-Typ können implantiert
werden, wenn das erste Transistorelement 130 und das zweite
Transistorelement 230 Transistoren vom p-Typ sind. In anderen Beispielen
von Herstellungsverfahren nach dem Stand der Technik können das
erste Transistorelement 130 und das zweite Transistorelement 230 Transistoren
eines unterschiedlichen Typs sein. In solchen Beispielen kann eines
von dem ersten Transistorelement 130 und dem zweiten Transistorelement 230 mit
einer Maske bedeckt werden, die beispielsweise einen Photoresist
enthalten kann, während
in das andere Transistorelement 130, 230 Ionen implantiert
werden.
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Nach
dem Ausbilden der aktiven Gebiete 104, 204 wird
ein Oxidationsprozess durchgeführt, um
die Gate-Isolierschichten 105, 205 auszubilden. Danach
werden die Gate-Elektroden 106, 206 und die Deckschichten 107, 207 mit
Hilfe von Verfahren der Abschneidung, des Ätzens und der Photolithographie
ausgebildet, die den Fachleuten wohlbekannt sind. Daraufhin werden
die Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 ausgebildet,
indem eine Schicht aus einem Abstandshaltermaterial abgeschieden
wird und ein anisotroper Ätzprozess durchgeführt wird,
bei dem Teile der Schicht aus dem Abstandshaltermaterial über im Wesentlichen
horizontalen Teilen der Halterstruktur 100 entfernt werden,
während
Teile der Schicht aus dem Abstandshaltermaterial, die sich auf den
Seitenwänden
der Gate-Elektroden 106, 206 befinden, auf dem
Substrat 101 verbleiben und die Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 bilden.
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Eine
schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 100 in
einem späteren
Stadium des Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik ist
in 1b gezeigt.
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Ein Ätzprozess
wird durchgeführt.
Der Ätzprozess
kann ein isotroper Ätzprozess
sein, der dafür ausgelegt
ist, selektiv das Material des Substrats 101 zu entfernen
und das Material der Deckschichten 107, 207 sowie
der Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 im
Wesentlichen unversehrt zu lassen, beispielsweise ein bekannter
Trockenätzprozess.
Die Deckschicht 107 und die Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 schützen die Gate-Elektroden 106, 206,
die Gate-Isolierschichten 105, 205 und Kanalgebiete
der Transistorelemente 130, 230 unter den Gate-Elektroden 106, 206 davor, von
einem Ätzmittel,
das beim Ätzprozess
verwendet wird, angegriffen zu werden.
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Teile
des Substrats 101 neben den Gate-Elektroden 106, 206 werden
jedoch weggeätzt. Dadurch
werden neben der Gate-Elektrode 106 des ersten Transistorelements 130 eine
sourceseitige Vertiefung 110 und eine drainseitige Vertiefung 111 ausgebildet.
Entsprechend werden neben der Gate-Elektrode 206 des zweiten
Transistorelements 230 eine sourceseitige Vertiefung 210 und
eine drainseitige Vertiefung 211 ausgebildet. Wegen der
Isotropie des Ätzprozesses
werden Teile des Substrats 101 unter den Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 und
wahlweise auch Teile des Substrats 101 unter den Gate-Elektroden 106, 206 entfernt.
Deshalb können
sich die Vertiefungen 110, 111 unter die Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 und/oder
die Gate-Elektroden 106, 206 erstrecken.
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Danach
werden neben der Gate-Elektrode 106 des ersten Transistorelements 130 spannungserzeugende
Elemente 114, 115 ausgebildet und spannungserzeugende
Elemente 214, 215 können neben der Gate-Elektrode 206 des
zweiten Transistorelements 230 ausgebildet werden. Zu diesem Zweck
werden die Vertiefungen 110, 111, 210, 211 mit
einer Schicht aus einem spannungserzeugenden Material gefüllt. In
Verfahren zum Ausbilden eines Feldeffekttransistors nach dem Stand
der Technik kann das spannungserzeugende Material Siliciumgermanid
enthalten. Wie die Fachleute wissen, ist Siliciumgermanid eine Legierung
aus Silicium (Si) und Germanium (Ge). Andere Materialien können ebenfalls
verwendet werden.
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Siliciumgermanid
ist ein Halbleitermaterial, das eine größere Gitterkonstante als Silicium
hat. Wenn das Siliciumgermanid in den Vertiefungen 110, 111, 210, 211 abgeschieden
wird, neigen die Silicium- und Germanium-Atome in den spannungserzeugenden
Elementen 114, 115, 214, 215 jedoch
dazu, sich an die Gitterkonstante des Siliciums im Substrat 101 anzupassen.
Deshalb ist die Gitterkonstante des Siliciumgermanids in den spannungserzeugenden Elementen 114, 115, 214, 215 kleiner
als die Gitterkonstante eines massiven Siliciumgermanid-Kristalls.
Deshalb steht das Material der spannungserzeugenden Elemente 114, 115, 214, 215 unter
einer elastischen Druckspannung.
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Die
spannungserzeugenden Elemente 114, 115, 214, 215 können mit
Hilfe von selektivem epitaktischen Aufwachsen ausgebildet werden.
Wie die Fachleute wissen, ist das selektive epitaktische Aufwachsen
eine Variante der Plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidung, bei der Parameter des Abscheidungsprozesses
so angepasst sind, dass Material nur auf der Oberfläche des
Substrats 101 in den Vertiefungen 110, 111 abgeschieden
wird, während
auf der Oberfläche
der Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 und
der Deckschichten 107, 207 im Wesentlichen keine
Materialabscheidung stattfindet.
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Da
die spannungserzeugenden Elemente 114, 115, 214, 215 unter
einer elastischen Druckspannung stehen, üben sie auf Teile des Substrats 101 in
der Nähe
der Gate-Elektroden 106, 206, insbesondere auf
Teile des Substrats 101 unter den Gate-Elektroden 106, 206,
in denen Kanalgebiete der Transistorelemente 130, 230 auszubilden
sind, eine Kraft aus. Deshalb wird unter den Gate-Elektroden 130, 230 eine
elastische Druckspannung erzeugt.
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1c zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 100 in
noch einem weiteren Stadium des Herstellungsverfahrens nach dem
Stand der Technik.
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Nach
dem Ausbilden der spannungserzeugenden Elemente 114, 115, 214, 215 werden
die Seitenwandabstandshalterstrukturen 108, 208 entfernt. Außerdem können die
Deckschichten 107, 207 entfernt werden. Danach
werden in Teilen des Substrats und der spannungserzeugenden Elemente 114, 115 neben
der Gate-Elektrode 106 des ersten Transistorelements 130 mit
Hilfe eines den Fachleuten bekannten Ionen-Implantationsverfahrens
ein erweitertes Sourcegebiet 116 und ein erweitertes Draingebiet 117 ausgebildet.
Außerdem
können
bei dem Ionen-Implantationsprozess neben der Gate-Elektrode 206 des
zweiten Transistorelements 230 ein erweitertes Sourcegebiet 216 und
ein erweitertes Draingebiet 217 ausgebildet werden. Bei
dem Ionen-Implantationsprozess werden in das Substrat 101 und
die spannungserzeugenden Elemente 114, 115
214, 215 Ionen
einer Dotiersubstanz eingebracht. Falls Feldeffekttransistoren vom
n-Typ ausgebildet werden, werden Ionen eine Dotiersubstanz vom n-Typ
eingebracht, während
bei der Ausbildung von Transistoren vom p-Typ Ionen einer Dotiersubstanz
vom p-Typ bereitgestellt werden. Wenn das erste Transistorelement 130 und
das zweite Transistorelement 230 Transistoren eines unterschiedlichen
Typs sind, können
zwei aufeinander folgende Ionen-Implantationsprozesse durchgeführt werden,
um Dopierstoffionen eines unterschiedlichen Typs in das erste Transistorelement 130 und
das zweite Transistorelement 230 einzubringen.
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Bei
jedem der Ionen-Implantationsprozesse kann das erste Transistorelement 130 oder
das zweite Transistorelement 230 mit einer Maske abgedeckt werden,
die Ionen absorbiert und dadurch das jeweilige Transistorelement 130, 230 davor
schützt,
mit Ionen bestrahlt zu werden. Die Maske kann beispielsweise einen
Photoresist umfassen.
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Anschließend können neben
den Gate-Elektroden 106, 206 zweite Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 108, 208 ausgebildet
werden. Danach können
ein oder mehrere weitere Ionen-Implantationsprozesse durchgeführt werden,
um in dem ersten Transistorelement 130 und dem zweiten
Transistorelement 230 durch Einbringen von Ionen in einer
Dotiersubstanz Sourcegebiete 120, 220 und Draingebiete 121, 221 auszubilden.
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Danach
kann eine Wärmebehandlung
durchgeführt
werden, um die beim Ausbilden der erweiterten Sourcegebiete 116, 216,
der erweiterten Draingebiete 117,217, der Sourcegebiete 120, 220 und
der Draingebiete 121, 221 eingebrachten Dotiersubstanzen
zu aktivieren.
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Nach
der Wärmebehandlung
kann über
der Halbleiterstruktur 100 eine Schicht 160 aus
einem dielektrischen Material ausgebildet werden. Die Schicht 160 kann
beispielsweise Siliciumnitrid umfassen und mit Hilfe den Fachleuten
wohlbekannter Abscheidungstechniken wie beispielsweise der chemischen
Dampfabscheidung und/oder der plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidung
ausgebildet werden. Parameter des Abscheideprozesses können derart
angepasst sein, dass die Schicht 160 unter einer elastischen
Druckspannung steht. In anderen Beispielen kann die Schicht 160 unter
einer elastischen Zugspannung stehen. Dadurch kann die elastische
Spannung, die durch die spannungserzeugenden Elemente 114, 115, 214, 215 auf
Teile des Substrats unter den Gate-Elektroden 106, 206 ausgeübt wird,
verändert
werden. Während
eine intrinsische elastische Druckspannung 160 die elastische Spannung
in den Substratbereichen verstärken kann,
kann eine intrensische elastische Zugspannung der Schicht 160 die
elastische Spannung in den Substratbereichen verringern.
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In
modernen Halbleiterstrukturen 100, insbesondere in Halbleiterstrukturen,
in denen minimale Strukturgrößen eine
Ausdehnung von ungefähr
65 nm oder weniger haben, kann der Abstand zwischen dem ersten Transistorelement 130 und
dem zweiten Transistorelement 230, insbesondere der Abstand zwischen
den Gate-Elektroden 106, 206 relativ klein sein.
Deshalb kann der Zwischenraum zwischen den Gate-Elektroden 106, 206 die
Form eines relativ engen Grabens haben. Bei der Ausbildung der Vertiefungen 110, 111, 210, 211 kann
die Isoliergrabenstruktur 102 in gewissem Umfang durch
das verwendete Ätzmittel
angegriffen werden. Dadurch kann eine Tiefe des Zwischenraums zwischen
den Gate-Elektroden 106, 206 weiter
vergrößert werden.
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Beim
Ausbilden der Schicht 160 aus dielektrischem Material kann
die Form des Zwischenraums zwischen den Gate-Elektroden 106, 206 ein
Reaktionsgas, das bei dem chemischen Dampfabscheidungsprozess oder
plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsprozess verwendet wird, daran hindern,
in den Zwischenraum einzudringen. Dies kann zur Ausbildung eines
Hohlraums 161 in der Schicht 160 führen.
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1d zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 100 in
einem späteren Stadium
des Herstellungsverfahrens nach dem Stand der Technik.
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Nach
dem Ausbilden der Schicht 160 aus dielektrischen Material
kann über
der Halbleiterstruktur 100 eine Schicht 162, die
ein Zwischenschichtdielektrikum enthält, abgeschieden werden. In
manchen Beispielen von Herstellungsverfahren nach dem Stand der
Technik kann die Schicht 162 mit Hilfe eines bekannten
chemisch-mechanischen Polierverfahrens planarisiert werden, um eine
im Wesentlichen flache Oberfläche
der Schicht 162 zu erhalten.
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Danach
können über dem
Sourcegebiet 120, der Gate-Elektrode 106 bzw.
dem Draingebiet 121 des ersten Transistorelements 130 Kontaktöffnungen 162, 163, 164 ausgebildet
werden. Außerdem
können über dem
Sourcegebiet 220, der Gate-Elektrode 206 und dem
Draingebiet 215 des zweiten Transistorelements 230 Kontaktöffnungen 262, 263, 264 ausgebildet
werden. Anschließend
können
die Kontaktöffnungen 162, 163, 164, 262, 263, 264 mit
einem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
werden, beispielsweise mit einem Metall wie etwa Wolfram, um elektrische
Verbindungen zu der Source, dem Drain und dem Gate des ersten Transistorelements 130 bzw.
des zweiten Transistorelements 230 herzustellen. Das Ausbilden
der Kontaktöffnungen 162, 163, 164, 262, 263, 264 und
das Füllen
der Kontaktöffnungen 162, 163, 164, 262, 263, 264 mit
dem elektrisch leitfähigen
Material kann mit Hilfe den Fachleuten bekannter Verfahren der Photolithographie,
des Ätzens, der
Abscheidung und des chemisch-mechanischen Polierens durchgeführt werden.
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Ein
Nachteil des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens nach dem
Stand der Technik ist, dass der Hohlraum 161 mit dem elektrisch
leitfähigen Material
gefüllt
werden kann, wenn die Kontaktöffnungen 162, 163, 164, 262, 263, 264 mit
dem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
werden. Das elektrisch leitfähige
Material 261 kann unerwünschte elektrische
Verbindungen zwischen dem ersten Transistorelement 130 und
dem zweiten Transistorelement 230 oder zwischen einem von
den dem ersten Transistorelement 130 und dem zweiten Transistorelement 230 und
weiteren Transistorelementen (nicht gezeigt) in der Halbleiterstruktur 100 erzeugen,
die die Funktionsfähigkeit
der Halbleiterstruktur 130 negativ beeinträchtigen
können.
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Einen
weiteren Nachteil des oben beschriebenen Herstellungsverfahrens
nach dem Stand der Technik ist, dass eine Dicke der zweiten Seitenwand-Abstandshalterstrukturen 118, 218 durch
veränderliche
Eigenschaften von Abscheidungs- und/oder Ätzprozessen beeinflusst werden
kann, die beim Ausbilden der zweite Seitenwandsabstandshalterstrukturen 118, 218 verwendet
werden. Somit können
Abstände
zwischen den Sourcegebieten 120, 220 und den Gate-Elektroden 106, 206 und
Abstände zwischen
den Draingebieten 121, 221 und den Gate-Elektroden 106, 206 variieren.
Dies kann zu unerwünschten
Schwankungen der elektrischen Eigenschaften der Transistorelemente 130, 230 in
verschiedenen Halbleiterstrukturen 100 führen.
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Die
vorliegende Erfindung richtet sich auf Verfahren zum Ausbilden einer
Halbleiterstruktur sowie auf Halbleiterstrukturen, die es ermöglichen,
einige oder alle der oben erwähnten
Nachteile zu vermeiden oder zumindest zu verringern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Erfindungsgemäß umfasst
ein Verfahren zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur die Merkmale des
Anspruchs 1.
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Ausführungsformen
der Erfindung sind in den abhängigen
Patentansprüchen
definiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen definiert
und werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung besser
ersichtlich, wenn diese mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verwendet
wird. Es zeigen:
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1a bis 1d schematische
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur in Stadien eines
Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur nach dem Stand
der Technik; und
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2a bis 2d schematische
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur in Stadien eines
Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche
Beschreibung
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Obwohl
der vorliegende Gegenstand mit Bezug auf die in der folgenden ausführlichen
Bein den Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben wird,
sollte verstanden werden, dass die folgende ausführliche Beschreibung sowie
die Zeichnungen nicht beabsichtigen, den vorliegenden Gegenstand
auf die speziellen veranschaulichenden Ausführungsformen, die offenbart
werden, einzuschränken,
sondern dass vielmehr die beschriebenen veranschaulichenden Ausführungsformen
lediglich Beispiele für
die verschiedenen Aspekte des vorliegenden Gegenstands geben, dessen
Umfang durch die beigefügten
Patentansprüche
definiert wird.
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Gemäß einer
Ausführungsform
wird eine Ionen-Implantation durchgeführt, um in einer Materialschicht,
die ein Strukturelement bedeckt, das auf einer Oberfläche eines
Substrats ausgebildet ist, einen Ionen-implantierten Bereich zu
erzeugen. Das Strukturelement kann in manchen Ausführungsformen eine
Gate-Elektrode eines Transistorelements umfassen und die Materialschicht
kann ein Abstandshaltermaterial wie beispielsweise Siliciumdioxid,
Siliciumnitrid und/oder Siliciumoxinitrid umfassen. in manchen Ausführungsformen
kann die Ionen-Implantation vor einem anisotropen Ätzprozess
durchgeführt werden,
der dazu verwendet wird, Teile der Materialschicht von einer Deckfläche des
Strukturelements und der Oberfläche
des Substrats zu entfernen. In anderen Ausführungsformen können die
Ionen in eine Seitenwandabstandshalterstruktur, die die Materialschicht
umfasst, implantiert werden. Die Implantation der Ionen kann eine
Struktur des Materials im Ionen-implantierten Bereich verändern. Wegen
dieser Veränderung
kann sich eine Ätzrate
des Ionen-implantierten Bereichs in einen zweiten Ätzprozess,
der nach der Ionen-Implantation durchgeführt wird, von einer Ätzrate von
anderen Teilen der Materialschicht unterscheiden. Bei dem zweiten Ätzprozess
kann eine Form der Materialschicht verändert werden, wobei die Form,
die nach dem Ätzprozess erhalten
wird, von der Position des Ionen-implantierten Bereichs abhängen kann.
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Bei
dem Ionen-Implantationsprozess kann eine Einfallsrichtung der Ionen
im Ionen-Implantationsprozess zu einer Oberfläche des Substrats im Wesentlichen
senkrecht sein. Somit kann in Teile der Materialschicht, die im
Wesentlichen horizontal sind oder nur einen relativ kleinen Winkel
mit der Oberfläche
des Substrats einschließen,
eine relativ hohe Ionendosis implantiert werden, während in
Teile der Materialschicht, die mit der Oberfläche des Substrats einen relativ
großen
Winkel einschließen
oder zu der Oberfläche
des Substrats im Wesentlichen senkrecht sind, eine kleinere Ionendosis
oder im Wesentlichen überhaupt
keine Ionen implantiert werden. Somit kann der Ionen-implantierte
Bereich selektiv in Teilen der Materialschicht ausgebildet werden,
die im Wesentlichen horizontal oder relativ schwach geneigt sind.
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Somit
kann in Ausführungsformen,
in denen die Materialschicht eine Deckfläche und eine Seitenfläche bedeckt,
der Ionen-implantierte Bereich in Teilen der Materialschicht über der
Deckfläche
ausgebildet werden. In Ausführungsformen,
in denen die Materialschicht eine Seitenwandabstandshalterstruktur umfasst,
die neben dem Strukturelement ausgebildet ist und die Seitenfläche des
Strukturelements bedeckt, kann der Ionen-implantierte Bereich in
Teilen der Seitenwandabstandshalterstruktur in der Nähe des oberen
Endes der Seitenwandabstandshalterstruktur ausgebildet werden.
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Wie
bereits oben erwähnt,
kann nach dem Ionen-Implantationsprozess ein Ätzprozess durchgeführt werden,
bei dem sich eine Ätzrate
des Ionen-implantierten Bereichs von einer Ätzrate von anderen Teilen der
Materialschicht unterscheiden kann. Insbesondere kann die Ätzrate der
Ionen-implantierten Bereiche größer die Ätzrate anderer
Bereiche sein.
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In
Ausführungsformen,
in denen die Materialschicht die Deckfläche und die Seitenfläche des Strukturelements
bedeckt, kann der Ätzprozess
anisotrop sein und durchgeführt
werden, um aus der Materialschicht eine Seitenwandabstandshalterstruktur
auszubilden. Wie die Fachleute wissen, kann beim anisotropen Ätzen eine Ätzrate von
im Wesentlichen horizontalen oder schwach geneigten Teilen der Materialschicht
größer als
eine Ätzrate
von relativ steilen Teilen der Materialschicht sein. Deshalb kann
die erhöhte Ätzrate des
Ionen-implantierten
Bereichs, der in im Wesentlichen horizontalen oder schwach geneigten
Teilen der Materialschicht bereitgestellt wird, dabei helfen, den
Grad der Anisotropie des Ätzprozesses
zu vergrößern. Dadurch kann
eine Materialmenge, die über
der Seitenfläche des
Substrats entfernt wird, wenn der Ätzprozess solange durchgeführt wird,
bis Teile der Materialschicht über
der Deckfläche
des Strukturelements und des Substrats vollständig entfernt sind, verringert
werden. Dies kann dabei helfen, Schwankungen der Dicke der Seitenwandabstandshalterstruktur,
die durch verändernde
Eigenschaften des Ätzprozesses
verursacht werden, zu verringern. Somit kann die Dicke der Seitenwandabstandshalterstruktur
vorteilhafterweise genauer gesteuert werden. Außerdem kann man ein relativ
steiles Profil der Seitenwandabstandshalterstruktur erhalten, was
in manchen Anwendungen wünschenswert
sein kann.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen die Materialschicht eine Seitenwandabstandshalterstruktur
umfasst, können
bei dem Ätzprozess
relativ schwach geneigte Teile der Seitenwandabstandshalterstruktur
in der Nähe
des oberen Ende der Seitenwandabstandshalterstruktur mit einer größeren Ätzrate entfernt
werden als relativ steile Bereich in der Nähe des unteren Endes der Seitenwandabstandshalterstruktur.
Deshalb kann die Form der Seitenwandabstandshalterstruktur verändert werden,
um ein schrägeres
Profil der Seitenwandabstandshalterstruktur zu erhalten. In Ausführungsformen,
in denen das Strukturelement eine Gate-Elektrode eines Transistorelements
umfasst, und sich in dessen Nähe
eine Gate-Elektrode eines anderes Transistorelements befindet, kann
ein Zwischenraum zwischen den Gate-Elektroden geneigte Seitenwände aufweisen.
Wenn über
der Halterstruktur eine Schicht aus einem dielektrischen Material
abgeschieden wird, die in manchen Ausführungsformen eine elastische
Zugspannung oder eine elastische Druckspannung aufweisen kann, können die
geneigten Seitenwände
die Abscheidung des Materials zwischen den Gate-Elektroden verbessern.
Dies kann dabei helfen, eine Entstehung von Hohlräumen und elektrischen
Kurzschlüssen,
die entstehen können, wenn
elektrische Verbindungen zu den Transistorelementen ausgebildet
werden, zu vermeiden.
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung werden mit Bezug auf die 2a bis 2d beschrieben.
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2a zeigt
eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 300 in
einem ersten Stadium eines Verfahrens zur Herstellung einer Halbleiterstruktur.
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Die
Halbleiterstruktur 300 umfasst eine Halbleitersubstrat 301,
das in machen Ausführungsformen
einen Siliciumwafer umfassen kann. In manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann das Substrat 301 ein Silicium-auf-Isolator-Substrat
umfassen, das eine Siliciumschicht umfasst, die über einer Schicht aus einem
isolierenden Material wie etwa Siliciumdioxid ausgebildet ist. Die
Halbleiterstruktur 300 umfasst ein erstes Transistorelement 330 und
ein zweites Transistorelement 430. In dem Substrat 301 wird
eine Isoliergrabenstruktur 302 ausgebildet, die eine elektrische
Isolierung zwischen dem ersten Transistorelement 330 und
dem zweiten Transistorelement 430 bereitstellt. Das erste
Transistorelement 330 umfasst ein aktives Gebiet 304,
das in dem Substrat 301 ausgebildet ist. Das aktive Gebiet 304 umfasst
eine Dotiersubstanz eines Typs, die dem Transistortyp des ersten
Transistorelements 330 entgegengesetzt ist. Somit kann
das aktive Gebiet 304 eine Dotiersubstanz vom p-Typ umfassen,
wenn das erste Transistorelement 330 ein Transistor vom n-Typ
ist. Wenn dagegen das erste Transistorelement 330 ein Transistor
vom p-Typ ist, kann das aktive Gebiet 304 eine Dotiersubstanz
vom n-Typ umfassen.
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Über dem
aktiven Gebiet 304 ist eine Gate-Elektrode 306 ausgebildet
und von diesem durch eine Gate-Isolierschicht 305 getrennt.
Neben der Gate-Elektrode können
Vertiefungen 310, 311, die spannungserzeugende
Elemente 314, 315 umfassen, ausgebildet werden.
Die spannungserzeugende Elemente 314, 315 können ein
Material umfassen, das eine Gitterkonstante hat, die sich von der des
Substrats 301 unterscheidet. Beispielsweise können die
spannungserzeugenden Elemente 310, 311 in Ausführungsformen,
in denen das Substrat 301 Silicium umfasst, ein Material
wie beispielsweise Siliciumgermanid enthalten, das eine Gitterkonstante hat,
die größer als
die des Siliciums ist, um in Teilen des aktiven Gebiets 304 unter
Gate-Elektrode 306 eine elastische Druckspannung zu erzeugen,
oder ein Material wie etwa Siliciumcarbid enthalten, das eine Gitterkonstante
hat, die kleiner als die des Siliciums ist, um eine elastische Zugspannung
zu erzeugen.
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Ähnlich wie
das erste Transistorelement 330 kann das zweite Transistorelement 430 ein
aktives Gebiet 404 umfassen, über dem die Gate-Elektrode 406 und
eine Gate-Isolierschicht 405 ausgebildet sind. Neben der
Gate-Elektrode 405 können
Vertiefungen 410, 411, die spannungserzeugende
Elemente 414, 415 enthalten, ausgebildet werden.
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Die
oben beschriebenen Strukturelemente können mit Hilfe bekannter Techniken
der Photolithographie, des Ätzens,
der Oxidation, der Abscheidung, der Ionen-Implantation und des selektiven
epitaktischen Aufwachsens, ähnlich
den oben mit Bezug auf die 1a bis 1d beschriebenen,
ausgebildet werden. Beim Ausbilden der Vertiefungen 310, 311, 410, 411 können in
manchen Ausführungsformen
Seitenwandabstandshalterstrukturen, ähnlich den oben beschriebenen
Seitenwandabstandshalterstrukturen 108, 208 verwendet
werden, die nach dem Ausbilden der Vertiefungen 310, 311, 410, 411 entfernt
werden können.
Dadurch können
die Vertiefungen 310, 311 im ersten Transistorelement 330 in einen
gewissen Abstand zur Gate-Elektrode 306 bereitgestellt
werden, und die Vertiefungen 410, 411 können in
einem gewissen Abstand zur Gate-Elektrode 406 des zweiten
Transistorelements 430 bereitgestellt werden.
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In
Teilen des Substrats 301 neben der Gate-Elektrode 306 des
ersten Transistorelements 330 können ein inneres erweitertes
Sourcegebiet 316 und ein inneres erweitertes Draingebiet 317 ausgebildet
werden. Entsprechend können
neben der Gate-Elektrode 406 des zweiten Transistorelements 430 innere
erweiterte Source- und Draingebiete 416, 417 ausgebildet
werden. Zu diesem Zweck kann die Halbleiterstruktur 300 mit
Ionen einer Dotiersubstanz bestrahlt werden. Wenn das erste Transistorelement 330 und
das zweite Transistorelement 430 Transistoren vom n-Typ
sind, kann die Halbleiterstruktur 300 mit Ionen einer Dopiersubstanz
vom n-Typ bestrahlt werden. Wenn dagegen das erste Transistorelement 330 und
das zweite Transistorelement 430 Transistoren vom p-Typ
sind, kann die Halbleiterstruktur 300 mit Ionen einer Dopiersubstanz
vom p-Typ bestrahlt werden. Wenn das erste Transistorelement 330 und das
Transistorelement 430 Transistoren eines unterschiedlichen
Typs sind, kann eines der Transistorelemente 330, 430 mit
einer Maske bedeckt werden, die beispielsweise einen Photoresist
umfassen kann, während
Ionen in das andere Transistorelement implantiert werden. Bei dem
Ionenimplantationsprozess absorbieren die Gate-Elektroden 306, 406 Ionen. Deshalb
werden in Teile des Substrats 301 unter den Gate-Elektroden 306, 406,
in denen Kanalgebiete der Transistorelemente 330, 430 ausgebildet
werden sollen, keine Ionen implantiert.
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Nach
dem Ausbilden der inneren erweiterten Sourcegebiete 316, 416 und
der inneren erweiterten Draingebiete 317, 417 können über der
Halbleiterstruktur 300 eine Zwischenschicht 380 und
eine Materialschicht 370 ausgebildet werden. Die Zwischenschicht 380 und
die Materialschicht 370 können dielektrische Materialien
umfassen, die derart ausgewählt
sind, dass die Materialien der Zwischenschicht 380 und
der Materialschicht 370 selektiv geätzt werden können. In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die Zwischenschicht 380 eines von
Siliciumdioxid und Siliciumnitrid umfassen und die Materialschicht 370 kann
das andere von Siliciumdioxid und Siliciumnitrid umfassen. Wie den
Fachleuten wohlbekannt ist, gibt es bekannte Ätzprozesse, die dafür ausgelegt
sind, Siliciumdioxid mit einer erheblichen größeren Ätzrate als Siliciumnitrid zu ätzen und
es gibt auch bekannte Ätzprozesse,
die dafür
ausgelegt sind, Siliciumnitrid mit einer erheblich größeren Ätzrate als
Siliciumdioxid zu ätzen.
Deshalb kann in einem Ätzprozess,
der durchgeführt wird,
um die Materialschicht 380 zum Ausbilden einer Seitenwandabstandshalterstruktur 318 (2b)
aus der Materialschicht 380 zu ätzen und der unten genauer
beschrieben wird, die Zwischenschicht 380 als eine Ätzstoppschicht
wirken, die Teile der Halbleiterstruktur 300 unter der
Zwischenschicht 380 davor schützt, von einem Ätzmittel,
das bei dem Ätzprozess verwendet
wird, angegriffen zu werden.
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Nach
dem Ausbilden der Materialschicht 370 kann ein Ionen-Implantationsprozess
durchgeführt werden.
Bei dem Ionen-Implantationsprozess kann die Halbleiterstruktur mit
Ionen bestrahlt werden, was in 2a schematisch
durch Pfeile 390 angedeutet wird. Die Ionen können Ionen
eines Edelgases umfassen. In einer Ausführungsform können die
Ionen Ionen von Xenon (Xe) umfassen. Eine Einfallsrichtung der Ionen
auf der Halbleiterstruktur 300 kann im Wesentlichen senkrecht
zu einer Oberfläche
des Substrats 301 sein.
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Die
Ionen können
in die Materialschicht 370 eindringen. In der Materialschicht 370 stoßen die
Ionen mit Atomen der Materialschicht 370 zusammen. Bei
den Zusammenstößen kann
Impuls von den Ionen auf die Atome der Materialschicht 370 übertragen
werden. Dadurch können
die Ionen gebremst und letztendlich gestoppt werden, während Atome der
Materialschicht 370 von ihren Positionen in der Materialschicht 370,
an denen sie chemisch an Nachbaratome gebunden sind, weggestoßen werden
können.
Dadurch kann sich die physikalische und/oder chemische Struktur
der Materialschicht verändern. Die
Ionen können
in die Materialschicht 370 bis zu einer Tiefe eindringen,
die von dem chemischen Element der Ionen und der Energie der Ionen
abhängen kann.
In einer Ausführungsform
kann die Halbleiterstruktur 300 mit Xenon-Ionen bestrahlt
werden, die eine Energie in einen Bereich von ungefähr 80 keV bis
ungefähr
250 keV haben. Eine angewendete Ionendosis kann einen Wert in einem
Bereich von ungefähr
1015 Ionen/cm2 bis
ungefähr
5 1016 Ionen/cm2 haben.
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Eine
relativ große
Ionenmenge kann auf relativ schwach geneigten Teilen der Schicht 380 wie beispielsweise
Teilen über
den Deckflächen
der Gate-Elektroden 306, 406 und Teilen über dem
Substrat 301 auftreffen. Dadurch können über den Gate-Elektroden 306, 406 Ionen-implantierte
Bereiche 372, 374 ausgebildet werden und weitere
Ionen-implantierte Bereiche 371, 373, 375 können über dem
Substrat 301 ausgebildet werden. In den Ionen-implantierten Bereichen 371 bis 375 kann
die Struktur der Materialschicht 370 durch Einwirkung der
Ionen physikalisch und/oder chemisch verändert werden.
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Auf
im Wesentlichen vertikalen Teilen der Materialschicht 370 wie
beispielsweise Teilen 376, 377 über den
Seitenwänden
der Gate-Elektrode 306 des ersten Transistorelements 330 oder
Teilen 378, 379 über den Seitenwänden der
Gate-Elektrode 306 des zweiten Transistorelements 430 kann
jedoch eine geringere Ionenmenge auftreffen. Da die Ionen aus einer
Einfallsrichtung kommen können,
die zur Oberfläche
des Substrats 201 im Wesentlichen senkrecht ist, und da
die Ionen in die Materialschicht 370 nur bis zu einer begrenzten
Tiefe eindringen können, die
kleiner als eine Höhe
der Gate-Elektroden 306, 406 ist, kann nur eine
relativ geringe Ionenmenge die Teile 376, 377, 378, 379 über den
Seitenwänden
der Gate-Elektroden 306, 406, erreichen. Deshalb
können
die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der Schicht 370 in
den Teilen 376, 377, 378, 379 nur
in relativ geringem Umfang beendet werden.
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2b zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 300 in
einem späteren Stadium
des Herstellungsprozesses.
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Nachdem
der Ionen-Implantationsprozess durchgeführt wurde, kann ein Ätzprozess
durchgeführt
werden, um Teile der Materialschicht 370 über den
Deckflächen
der Gate-Elektroden 306, 406 und Teile
der Materialschicht 370 über der Oberfläche des Substrats 301 neben
den Gate-Elektroden 306, 406 zu entfernen.
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Der Ätzprozess
kann ein Trockenätzprozess sein,
der anisotrop sein kann. Beim anisotropen Ätzen kann eine Ätzrate von
Teilen der geätzten
Materialschicht, die eine im Wesentlichen horizontale Oberfläche parallel
zur Oberfläche
des Substrats 301 haben, größer als eine Ätzrate von
Teilen der Materialschicht, die relativ zur Oberfläche des
Substrats 301 geneigt sind, sein.
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Wie
die Fachleute wissen, wird die Halbleiterstruktur 300 beim
Trockenätzen
in eine Reaktorkammer gebracht. Der Reaktorkammer kann ein Ätzgas zugeführt werden.
In dem Ätzgas
kann durch Anlegen einer Wechselspannung mit Radiofrequenz zwischen
einem Elektrodenpaar, das sich in dem Ätzgas befindet oder durch induktives
Einkoppeln der Wechselspannung mit Radiofrequenz in das Ätzgas eine
Glimmentladung erzeugt werden. Durch die Glimmentladung können aus
dem Reaktionsgas chemisch reaktionsfreudige Teilchensorten wie etwa
Ionen und/oder Radikale erzeugt werden. Die chemisch reaktionsfreudigen
Teilchensorten können
mit der Materialschicht 370 reagieren, wobei flüchtige Verbindungen
entstehen, die aus dem Reaktorgefäß gepumpt werden können. Neben
der Wechselspannung mit Radiofrequenz kann zwischen der Halbleiterstruktur 300 und
dem Ätzgas
eine Vorspannung angelegt werden. Die Vorspannung, die eine Wechselspannung
niedriger Frequenz oder eine Gleichspannung sein kann, kann Ionen
auf die Halbleiterstruktur 300 zu beschleunigen. Die Bewegungsrichtung
der Ionen führt
zu einer Richtungsabhängigkeit des Ätzprozesses,
so dass man eine anisotropes Ätzen
erhalten kann. Im Allgemeinen kann eine größere Vorspannung zu einer größeren Anisotropie
des Ätzprozesses
führen.
Parameter des Ätzprozesses zum
anisotropen Ätzen
einer Materialschicht, die die elektrischen Materialien wie etwas
Siliciumdioxid, Siliciumnitrid und/oder Siliciumoxinitrid enthält, wie
beispielsweise die Frequenz und/oder Amplitude der Wechselspannung
mit Radiofrequenz sowie die Temperatur, der Druck und die Zusammensetzung
des Reaktionsgases sind den Fachleuten wohl bekannt und/oder können jederzeit
durch Routine-Experimente bestimmt werden.
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Die Ätzrate,
die bei dem Ätzprozess
erhalten wird, kann ferner durch strukturelle Eigenschaften der
Materialschicht 370 beeinflusst werden. Insbesondere können physikalische
und/oder chemische Veränderungen
der Materialschicht 370 in den Ionen-implantierten Bereichen 371 bis 375,
die durch die Ionen-Implantation verursacht wurden, zu einer erhöhten Ätzrate der
Ionen-implantierten Bereiche im Vergleich zu einer Ätzrate der
Materialschicht 376, die erhalten wird, wenn der Ionen-Implantationsprozess
weggelassen wird, führen.
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Da
sich die Ionen-implantierten Bereiche 371 bis 375 in
Teilen der Materialschicht 370 befinden können, die
eine relativ schwach geneigte oder im Wesentlichen horizontale Oberfläche haben,
wie etwa in Teilen der Materialschicht 370 über den
Deckflächen
der Gate-Elektroden 306, 406 oder
Teilen der Materialschicht 370 über den spannungserzeugenden
Gebieten 314, 315, 414, 415 kann
die Erhöhung der Ätzrate,
die durch die physikalischen und/oder chemischen Veränderungen
verursacht wird, die von der Ionen-Implantation herrühren, die
Wirkungen der Anisotropie des Ätzprozesses
verstärken.
Somit kann die Ätzrate
von Teilen der Materialschicht 370, die eine im Wesentlichen
horizontale oder schwach geneigte Oberfläche aufweisen, weiter vergrößert werden.
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Der Ätzprozess
kann beendet werden, sobald Teile der Materialschicht 370 mit
einer im Wesentlichen horizontalen oder schwach geneigten Oberfläche wie
etwa die Ionen-implantierten Bereiche 373 bis 375 entfernt
sind. Da die Teile 376, 377, 378, 379 der
Materialschicht 370 eine kleinere Ätzrate aufweisen können, können diese
Teile zumindest teilweise auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur 300 bleiben
und eine Seitenwandabstandshalterstrukutr 318 neben der
Gate-Elektrode 306 des ersten Transistorelements 330 sowie
eine Seitenwandabstandshalterstruktur 418 neben der Gate-Elektrode 406 des
zweiten Transistorelements 430 bilden.
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Da
die Ätzrate
der Materialschicht 370 in den Ionen-implantierten Bereichen 371 bis 375 durch
die physikalischen und/oder chemischen Veränderungen, die durch die Einwirkung
der Ionen verursacht wurden, erhöht
wurde, kann sich die Ätzzeit,
die zum Entfernen der Ionen-implantierten Bereiche 371 bis 375 erforderlich
ist, verringern, so dass in den Teilen 376, 377, 378, 379 der
Materialschicht 370 im Vergleich zu einer Ausführungsform,
in welcher der Ionen-Implantationsprozess weggelassen wird, nur eine
geringere Materialmenge entfernt werden muss.
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Eine
Dicke der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418,
die man nach dem Ätzprozess
erhält,
kann durch Abweichungen des Abscheideprozesses, der zum Ausbilden
der Materialschicht 370 verwendet und durch Abweichungen
des Ätzprozesses,
der zum Entfernen der Ionen-implantierten Bereiche 317 bis 375 verwendet
wird, beeinflusst werden. In manchen Ausführungsformen können die Abweichungen,
die durch den Abscheideprozess verursacht werden, kleiner als die
Abweichungen, die durch den Ätzprozess
verursacht werden, sein, da bekannte Abscheidungsprozesse besser
steuerbar sein können
als bekannte Ätzprozesse.
Da sich durch das Ausbilden der Ionen-implantierten Bereichen 371 bis 375 eine
beim Ätzprozess
entfernte Materialmenge verringern kann, kann die Form der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 in
geringerem Umfang durch die Abweichungen des Ätzprozesses beeinflusst werden.
Deshalb können
die Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 319 genauer ausgebildet
werden als in Ausführungsformen,
in denen der Ionen-Implantationsprozess weggelassen wird. Außerdem können die
Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 steiler
sein.
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Nach
dem Ausbilden der Seitenwandabstandshalter 318, 418 kann
ein Ionen-Implantationsprozess durchgeführt werden, bei dem die Halbleiterstruktur 300 mit
Ionen eine Dotiersubstanz bestrahlt wird, um neben den Gate-Elektroden 306, 307 äußere erweiterte
Sourcegebiete 319, 419 und äußere erweiterte Draingebiete 320, 420 auszubilden.
In Ausführungsformen,
in die in das erste Transistorelement 330 und das zweite
Transistorelement 430 Transistoren unterschiedlichen Typs
sind, können
zwei Ionen-Implantationsprozesse durchgeführt werden, bei denen die Transistorelemente 330, 430 nacheinander
mit Masken abgedeckt werden können,
während in
das jeweils andere der Transistorelemente 330, 430 Ionen
implantiert werden. Da die Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 Ionen
absorbieren können,
die auf den Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 auftreffen,
können
sich die äußeren erweiterten
Sourcegebiete 319, 419 und die äußeren erweiterten
Draingebiete 320, 420 in einen größeren Abstand
zu den Gate-Elektroden 306, 406 befinden als die
inneren erweiterten Sourcegebiete 316, 416 und
die inneren erweiterten Draingebiete 317, 417. Außerdem können die äußerten erweiterten
Sourcegebiete 319, 419 und die äußeren erweiterten
Draingebiete 320, 420 eine andere Tiefe, beispielsweise eine
größere Tiefe
aufweisen, was durch Bereitstellen einer größeren Ionenenergie erreicht
werden kann.
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Anschließend können über der
Halbleiterstruktur 300 eine Zwischenschicht 381 und
eine Materialschicht 382 abgeschieden werden. Die Zwischenschicht 381 und
die Materialschicht 382 können unterschiedliche dielektrische
Materialien enthalten, die derart ausgewählt sind, dass die Materialschicht 382 und
die Zwischenschicht 381 selektiv geätzt werden können. In
manchen Ausführungsformen kann
die Zwischenschicht 381 im Wesentlichen das gleiche Material
enthalten wie die Zwischenschicht 380 und die Materialschicht 382 kann
im Wesentlichen das gleiche Material enthalten wie die Materialschicht 370.
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2c zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 300 in
einem späteren Stadiums
des Herstellungsprozesses.
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Nach
dem Ausbilden der Materialschicht 382 kann ein weiterer Ätzprozess
durchgeführt
werden, um neben den Gate-Elektroden 306, 406 des
ersten Transistorelements 330 und des zweiten Transistorelements 430 Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 auszubilden.
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Der Ätzprozess,
der beim Ausbilden der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 verwendet
wird, kann eine anisotroper Trockenätzprozess, ähnlich dem Ätzprozess, der beim Ausbilden
der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 verwendet
wird, sein. Der Ätzprozess
kann Teile der Materialschicht 382 über den Deckflächen der
Gate-Elektroden 306, 406, den spannungserzeugenden
Elementen 314, 315, 414, 415 und
der Isoliergrabenstruktur 302 entfernen, während Teile
der Materialschicht 382 über den Seitenflächen der
Gate-Elektroden 306, 406 zumindest teilweise auf
dem Substrat 301 verbleiben können, um die Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 zu
bilden.
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In
manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann vor dem Ätzen der Materialschicht 382 ein
Ionen-Implantationsprozess ähnlich dem
beim Ausbilden der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 verwendeten
Ionen-Implantationsprozess durchgeführt werden. Bei dem Ionen-Implantationsprozess
können
Ionen eines Edelgases wie Xenon in die Halbleiterstruktur 300 implantiert
werden. Dadurch können
in der Materialschicht 382 Ionen-implantierte Bereiche
(nicht gezeigt) ausgebildet werden. Eine Einfallsrichtung der Ionen
kann zur Oberfläche
des Substrats 301 im Wesentlichen senkrecht sein, so dass
sich die Ionen-implantierte Bereiche über den Deckflächen der
Gate-Elektroden 306, 406 und über Teilen des Substrats 301 neben den
Gate-Elektroden 306, 406 befinden. Auf Teilen der
Materialschicht 382 über
den Seitenwänden
der Gate-Elektroden 306, 406 kann jedoch eine
erheblich geringere Ionenmenge auftreffen, so dass über den Seitenwänden der
Gate-Elektroden 306, 406 im Wesentlichen keine
Ionen-implantierten Bereiche entstehen. Wenn die Materialschicht
geätzt
wird, kann eine Ätzrate
der Ionen-implantierten Bereiche größer als eine Ätzrate von
Teilen der Materialschicht 382 über den Seitenflächen der
Gate-Elektroden 306, 406 sein. Dadurch kann die
Anisotropie des Ätzprozesses
erhöht werden.
In manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann dies dabei helfen, ein starker abgeschrägtes Profil
der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 zu
erhalten.
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Nach
dem Ausbilden der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 kann
ein Ionen-Implantationsprozess
durchgeführt
werden, bei dem Ionen einer Dopiersubstanz in die Halbleiterstruktur 300 implantiert
werden, um neben den Gate-Elektroden 306, 406 Sourcegebiete 321, 421 und
Draingebiete 322, 422 auszubilden. Die Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 und
die Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 können Ionen,
die auf ihnen auftreffen, absorbieren. Deshalb können sich die Sourcegebiete 321, 322, 421, 422 in einem
Abstand zu den Gate-Elektroden 306, 406 befinden,
der der Dicke der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 383, 418, 483 entspricht
und größer als
ein Abstand zwischen den Gate-Elektroden 306, 406 und
den inneren erweiterten Source- und Draingebieten 316, 317, 416, 417 bzw.
den äußeren erweiterten
Source- und Draingebieten 319, 320, 419, 420 ist.
Außerdem
kann eine Energie der Ionen der Dopiersubstanz größer sein
als eine Ionenenergie, die beim Ausbilden der inneren erweiterten
Source- und Draingebiete 316, 317, 416, 417 und
der äußeren erweiterten
Source- und Draingebiete 319, 320, 419, 420 verwendet
wird.
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Nach
dem Ausbilden der Sourcegebiete 321, 421 und der
Draingebiete 322, 422 kann ein Ionen-Implantationsprozess
durchgeführt
werden, um in den Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 Ionen-implantierte
Bereiche 384, 484 auszubilden. Ähnlich dem
oben beschriebenen Ausbilden der Ionen-implantierten Bereiche 371 bis 379 in
der Materialschicht 370 kann die Halbleiterstruktur 300 mit
Ionen, beispielsweise Ionen eines Edelgases wie etwa Xenon bestrahlt
werden. In 2c wird die Bestrahlung der
Halbleiterstruktur 300 mit den Ionen schematisch durch
Pfeile 391 angedeutet. Eine Energie der Ionen kann derart
angepasst sein, dass Ionen in die Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 bis
zu einer Tiefe eindringen können,
die geringer als die Höhe
der Gate-Elektroden 306, 406 ist. In einer Ausführungsform
haben die Ionen eine Energie in einem Bereich von etwa 80 keV bis
ungefähr
250 keV. Eine Ionendosis kann derart angepasst sein, dass sich die
chemische Struktur des Materials der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 in
den Ionen-implantierten Bereichen 384, 484 verändert. In einer
Ausführungsform
kann die Ionendosis einen Wert in einem Bereich von ungefähr 1015 Ionen/cm2 bis
ungefähr
5 1016 Ionen/cm2 haben.
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Eine
Einfallsrichtung der Ionen kann zur Oberfläche des Substrats 301 im
Wesentlichen senkrecht sein. Deshalb kann am oberen Ende der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 eine
relativ große
Ionenmenge auftreffen, während
am unteren Ende der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 eine
relativ geringe Ionenmenge auftrifft. Dadurch bilden sich die Ionen-implantierten
Bereiche 384, 484, in denen die physikalische
und/oder chemische Struktur des Materials der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418 verändert wird,
am oberen Ende der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 418,
während
die physikalische und/oder chemische Struktur des Materials der
Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 am
unteren Ende der Seitenwandabstandshaltestrukturen 383, 483 im Wesentlichen
unverändert
bleiben kann oder in nur geringem Umfang verändert werden kann.
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Neben
den Ionen-implantierten Bereichen 384, 484, die
in den Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 ausgebildet
werden, können
in den Zwischenschichten 380, 381 während des
Ionen-Implantationsprozesses weitere Ionen-implantierte Bereiche 385, 386, 387, 388, 389 ausgebildet
werden. Die Ionen-implantierten Bereiche 385, 386, 387 befinden
sich über
den spannungserzeugenden Bereichen 314, 315, 414, 415 und
der Isoliergrabenstruktur 302. Die Ionen-implantierten
Bereiche 388, 389 befinden sich über den
Deckflächen
der Gate-Elektroden 306, 406.
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Nach
dem Ausbilden der Ionen-implantierten Bereiche 385 bis 389, 384, 484,
kann ein Ätzprozess durchgeführt werden,
der dafür
ausgelegt ist, die Ionen-implantierten Bereiche 384, 484 mit
einer größeren Ätzrate zu
entfernen als andere Teile der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 wie
beispielsweise Teile der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 am
unteren Ende der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 und
die Ionen-implantierten Bereiche 385 bis 389 in
den Zwischenschichten 380, 381 mit einer größeren Ätzrate zu
entfernen als die Zwischenschichten 380, 381, wenn
sie nicht mit Ionen bestrahlt wurden.
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Im
manchen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Ätzprozess einen Nass-Ätzprozess
umfassen, bei dem die Halbleiterstruktur 300 einem Ätzmittel
ausgesetzt wird, das dafür
ausgelegt ist, das Material der Zwischenschichten 380, 381 zu
entfernen, und das ferner dafür
ausgelegt ist, das Material der Seitenwandabstandshalterstrukturen 318, 383 anzugreifen.
In manchen dieser Ausführungsformen
kann das Nass-Ätzmittel Flusssäure (HF)
enthalten. In anderen Ausführungsformen
kann ein Trocken-Ätzprozess
verwendet werden.
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Da
die physikalische und/oder chemische Struktur des Materials der
Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 bei
dem Ionen-Implantationsprozess verändert wurde, können die Ionen-implantierten
Bereiche 384, 484 durch das Ätzmittel in größerem Ausmaß angegriffen
werden als andere Teile der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483. Deshalb
kann sich eine Dicke der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 484 in
der Nähe
der Deckflächen
der Gate-Elektroden 306, 406 verringern, während sich
die Dicke der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 in
der Nähe
des unteren Endes der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 in
einem geringeren Umfang verringern kann. Dadurch können die
Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 384 eine
abgeschrägte
Form erhalten, was in 2d schematisch gezeigt ist.
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Da
die chemische Struktur der Zwischenschichten 380, 381 in
den Ionen-implantierten Bereichen 385 bis 389 durch
den Ionen-Implantationsprozess verändert wurde, können die
Zwischenschichten 380, 381 effektiver von der
Halbleiterstruktur 300 entfernt werden als in Ausführungsformen,
in den der Ionen-Implantationsprozess weggelassen wird.
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2d zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 300 in
einem späteren Stadium
des Herstellungsprozesses.
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Nach
dem Ätzprozess
kann über
die Halbleiterstruktur 300 eine Schicht 360 aus
einem dielektrischen Materials ausgebildet werden. Die Schicht 360 kann
beispielsweise Siliciumnitrid enthalten und mit Hilfe den Fachleuten
wohlbekannter Abscheidungstechniken wie der chemischen Dampfabscheidung und/oder
der Plasma-verstärkten
chemischen Dampfabscheidung ausgebildet werden. Parameter des Abscheidungsprozesses
können
so angepasst sein, dass die Schicht 360 unter eine elastischen Druckspannung
steht. In anderen Beispielen kann die Schicht 360 unter
einer elastischen Zugspannung stehen. Dadurch kann die elastische
Spannung, die von den spannungserzeugenden Bereichen 314, 315, 414, 415 auf
Teile des Substrats 301 unter den Gate-Elektroden 306, 406 ausgeübt wird,
verändert werden.
In Ausführungsformen,
in denen die spannungserzeugenden Bereiche 314, 315, 414, 415 dafür ausgelegt
sind, auf Teile des Substrats 301 unter den Gate-Elektroden 306, 406 eine
elastische Druckspannung auszuüben,
kann eine intrinsische elastische Druckspannung der Schicht 360,
die elastische Spannung in den Substratbereichen vergrößern, während eine
intrinsische elastische Zugspannung der Schicht 360 die
elastische Spannung in den Substratbereichen verringern kann. In
Ausführungsformen,
in denen die spannungserzeugenden Bereiche 314, 315, 414, 415 dafür ausgelegt
sind, auf die Substratbereiche eine elastische Zugspannung auszuüben, kann
die elastische Zugspannung durch das Ausstatten der Schicht 360 mit
einer intrinsischen elastischen Druckspannung dagegen verringert
werden und durch das Ausstatten der Schicht 360 mit einer
intrinsischen elastischen Zugspannung vergrößert werden.
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In
weiteren Ausführungsformen
kann die Schicht 360 einen Teil umfassen, der eine von
einer intrinsischen elastischen Druckspannung und einer intrinsischen
elastischen Zugspannung aufweist und sich über dem ersten Transistorelement 330 befindet sowie
einen Teil, der das andere von der intrinsischen elastischen Druckspannung
und der intrinsischen elastischen Zugspannung aufweist und sich über dem
zweiten Transistorelement 430 befindet. In solchen Ausführungsformen
können
die Teile der Schicht 360 nacheinander ausgebildet werden.
Zuerst kann über
die Halbleiterstruktur 300 eine Schicht aus dem dielektrischen
Material ausgebildet werden, die unter einer elastischen Druckspannung
steht. Danach kann ein Teil der Schicht, die unter der elastischen
Druckspannung steht, wobei sich der Teil über einem der Transistorelemente 330, 430 befindet,
mit Hilfe bekannter Verfahren der Photolithographie und des Ätzens entfernt
werden. Anschließend
kann über der
Halbleiterstruktur 300 eine Schicht aus dem dielektrischen
Material abgeschieden werden, die unter einer elastischen Zugspannung
steht und ein Teil der Schicht, die unter der elastischen Zugspannung steht,
wobei sich der Teil über
dem anderen der Transistorelemente 330, 430 befindet,
kann mit Hilfe von Photolithographie und Ätzen entfernt werden.
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Da
die Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 bei
dem Ätzprozess,
der nach der Erzeugung Ionen-implantierten Bereiche 384, 484 durchgeführt wurde,
eine abgeschrägte
Form erhalten haben, was oben genauer erläutert wurde, kann der Zwischenraum
zwischen den Gate-Elektroden 306, 406 eine Form ähnlich der
eines Grabens mit geneigten Wänden
haben. Deshalb können
bei dem Abscheidungsprozess, der bei der Ausbildung der Schicht 360 durchgeführt wird,
Reaktionsgase effektiver in den Zwischenraum zwischen Gate-Elektroden 306, 406 eindringen
als in dem oben mit Bezug auf die 1a bis 1d beschriebenen
Verfahren nach dem Stand der Technik. Dadurch kann eine unerwünschte Entstehung
von Zwischenräumen
zwischen den Gate-Elektroden 306, 406 vorteilhafterweise
vermieden werden.
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Nach
dem Ausbilden der Schicht 306 kann über der Halbleiterstruktur 300 eine
weitere Schicht 365 aus einem dielektrischen Material abgeschieden werden
und Kontaktöffnungen 362, 363, 364 können ausgebildet
und mit einem elektrisch leitfähigen
Material wie etwa Wolfram gefüllt
werden, um elektrische Verbindungen zu dem Sourcegebiet 321,
der Gate-Elektrode 306 und
dem Draingebiet 322 des ersten Transistorelements 330 bereitzustellen.
Entsprechend können
mit elektrisch leitfähigem
Material gefüllte
Kontaktöffnungen 462, 463, 464 ausgebildet werden,
um elektrische Verbindungen zu dem Sourcegebiet 421, der
Gate-Elektrode 406 und dem Draingebiet 422 des
zweiten Transistorelements 430 bereitzustellen. Dies kann
mit Hilfe bekannter Verfahren der Photolithographie, des Ätzens und der
Abscheidung geschehen. Außerdem
kann die Schicht 365 planarisiert werden, beispielsweise
mit Hilfe eines bekannten chemisch-mechanischen Polierprozesses.
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Die
vorliegende Offenbarung ist nicht auf Ausführungsformen eingeschränkt, in
denen in jeder der Materialschichten 370, 382 und
in den Zwischenschichten 380, 381 Ionen-implantierte Bereiche
ausgebildet werden. Außerdem
müssen
nicht sowohl vor dem Ausbilden der Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 als
auch nach dem Ausbilden des Seitenwandabstandshalterstrukturen 383, 483 in
der Materialschicht 382 Ionen-implantierte Bereiche ausgebildet
werden. In anderen Ausführungsformen können ein
oder mehrere der oben beschriebenen Ionen-Implantationsprozesse,
die durchgeführt
werden, um Ionen-implantierte
Bereiche in den Materialschichten 370, 382 auszubilden,
weggelassen werden. Die vorliegende Offenbarung ist ferner nicht
auf Ausführungsformen
beschränkt,
in denen neben jeder der Gate-Elektroden 306, 406 zwei
Seitenwandabstandshalterstrukturen ausgebildet werden. In anderen
Ausführungsformen
kann neben jeder der Gate-Elektroden 306, 406 nur
eine Seitenwandabstandshalterstruktur ausgebildet werden, ähnlich wie in
dem Verfahren nach dem Stand der Technik, das oben mit Bezug auf
die 1a bis 1d beschrieben
wurde. In noch weiteren Ausführungsformen können neben
jeder der Gate-Elektroden 306, 406 drei
oder mehr Seitenwandabstandshalterstrukturen ausgebildet werden.