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Gebiet der vorliegenden Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung die Herstellung
komplexer integrierter Schaltungen mit modernsten Transistorelementen, die
aufwendige Gateelektrodenstrukturen mit komplexen Gatedielektrika
enthalten, etwa einem Gatedielektrikum mit großem ε und einem metallenthaltenden
Elektrodenmaterial.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Die
Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASIC's (anwendungsspezifische
integrierte Schaltungen) und dergleichen erfordert die Herstellung
einer großen
Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem
spezifizierten Schaltungsaufbau. In einer Fülle von elektronischen Schaltungen
repräsentieren
Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen, die
das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen im Wesentlichen
bestimmen. Im Allgemeinen werden aktuell eine Vielzahl von Prozesstechnologien
zur Herstellung von Feldeffekttransistoren eingesetzt, wobei für viele
Arten komplexer Schaltungen die MOS-Technologie aktuell eine der vielversprechendsten
Vorgehensweisen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf
die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz
ist. Während
der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung
von beispielsweise der MOS-Technologie werden Millionen Transistoren,
beispielsweise n-Kanaltransistoren und/oder p-Kanaltransistoren,
auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht
aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor
oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, typischerweise sogenannte pn-Übergänge, die
durch eine Grenzfläche
stark dotierter Gebiete, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet
werden, mit einem leicht dotierten oder nicht-dotierten Gebiet gebildet sind, etwa
einem Kanalgebiet, das zwischen den stark dotierten Gebieten angeordnet
ist. In einem Feldeffekttransistor wird die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals,
durch eine Gateelektrode gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet ausgebildet
und davon durch eine dünne
isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets beim
Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten
Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration,
der Beweglichkeit der Ladungsträger
und – für eine gegebene
Abmessung des Kanalgebiets an der Transistorbreitenrichtung – von dem
Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch
als Kanallänge
bezeichnet wird. Somit beeinflusst in Verbindung mit der Fähigkeit,
rasch einen leitenden Kanal unter der isolierenden Schicht beim Anlegen
der Steuerspannung an der Gateelektrode aufzubauen, die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets wesentlich das Leistungsverhalten von MOS-Transistoren. Da
somit die Geschwindigkeit des Aufbaus des Kanals, die von der Leitfähigkeit
der Gateelektrode abhängt,
und der Kanalwiderstand im Wesentlichen die Transistoreigenschaften
bestimmen, ist die Reduzierung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung
des Kanalwiderstands, was wiederum eine Zunahme des Gatewiderstands
auf der Grund der geringeren Abmessungen nach sich zieht – ein wichtiges
Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter
Schaltungen zu erreichen.
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Gegenwärtig wird
der Hauptteil der integrierten Schaltungen auf der Grundlage von
Silizium hergestellt auf Grund der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit,
auf Grund der gut verstandenen Eigenschaften von Silizium und zugehöriger Materialien
und Prozesse und auf Grund der Erfahrung, über die letzten 50 Jahre gewonnen
wurde. Daher bleibt Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit das Material
der Wahl für
künftige
Schaltungsgenerationen, die durch Massenproduktionsverfahren hergestellt
werden. Ein Grund für
die überragende
Rolle des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen
sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die
eine zuverlässige
elektrische Isolation unterschiedlicher Gebiete ermöglicht.
Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil
und ermöglicht
damit das Ausführen
nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise während Ausheizprozessen
erforderlich sind, um Dotierstoffe zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen,
ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
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Aus
den zuvor dargelegten Gründen
wird Siliziumdioxid vorzugsweise als ein Basismaterial für eine Gateisolationsschicht
in Feldeffekttransistoren eingesetzt, die die Gateelektrode, die
häufig
aus Polysilizium und metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist,
von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern der
Bauteilleistungseigenschaften von Feldeffekttransistoren wird die
Länge der
Kanalgebiets ständig
verringert, um die Schaltge schwindigkeit und den Durchlassstrom
zu verbessern. Da das Transistorleistungsverhalten durch die Spannung
gesteuert wird, die der Gateelektrode zugeführt wird, um die Oberfläche des
Kanalgebiets auf eine ausreichend hohe Ladungsträgerdichte zu invertieren, um
damit den gewünschten
Durchlassstrom bei einer vorgegebenen Spannung bereitzustellen,
ist ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung erforderlich, die
durch den Kondensator erzeugt wird, der durch die Gateelektrode,
das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet wird.
Es zeigt sich, dass die Verringerung der Kanallänge eine erhöhte kapazitive
Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs
zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom
und zu einer ausgeprägten
Abhängigkeit
der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente
mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer
geringeren Schwellwertspannung weisen ggf. einen exponentiellen
Anstieg des Leckstromes auf, wobei auch eine erhöhte kapazitive Kopplung der
Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich ist. Daher muss die Dicke
der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert werden, um die
erforderliche hohe Kapazität
zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erzeugen. Beispielsweise
erfordert eine Kanallänge
von ungefähr
80 nm ein Gatedielektrikum, das aus Siliziumdioxid hergestellt ist,
mit einer Dicke von ungefähr
1,2 nm. Obwohl die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistorelementen
mit einem extrem kurzen Kanal auf Hochgeschwindigkeitssignalwege
beschränkt
wird, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal weniger kritische
Schaltungsbereiche eingesetzt werden, etwa in Form von Speichertransistorelementen,
führt der
relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch
eine sehr dünne
Siliziumdioxidgateisolationsschicht hervorgerufen wird, Werte bei
einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mit dem Erfordernis
für Leistungsanforderungen
gewisser integrierter Schaltungen verträglich sind, selbst wenn nur
Transistoren in geschwindigkeitskritischen Wegen mit einer äußerst dünnen Gateoxidschicht hergestellt
werden.
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Es
wurden daher diverse Maßnahmen
vorgeschlagen, um die dielektrische Isolationsfestigkeit und die
wirksame Dielektrizitätskonstante
des Siliziumdioxidmaterials zu erhöhen, etwa das Ausführen von
Behandlungen auf der Grundlage von Stickstoff, um einen gewissen
Anstiegsstoff einzubauen. Obwohl diese Behandlungen des Basisoxidmaterials deutliche
Verbesserungen vergeben, ist für
die weitere Größenreduzierung
der Transistorabmessungen ein noch aufwendigeres Vorgehen erforderlich.
Zu diesem Zweck wird das Ersetzen des Siliziumdioxidmaterials für die Gateisolationsschichten
in Betracht gezogen, insbeson dere für Gateschichten auf Basis eines
sehr dünnen
Siliziumdioxids. Mögliche
alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität aufweisen,
so dass eine physikalisch größere Dicke
einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive
Kopplung erzeugt, die durch eine extrem dünne siliziumdioxidbasierte
Schicht erreicht würde.
Es wurde daher vorgeschlagen, zumindest einen Teil des konventionellen Siliziumdioxids
durch ein Material mit großer
Permittivität
zu ersetzen, etwa durch Tantaloxid (Ta2O5) mit einem ε von ungefähr 25, durch Strontiumtitanoxid (SrTiO3) mit einem ε von ungefähr 150, durch Hafniumoxid (HfO2), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO2)
und dergleichen.
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Des
weiteren kann das Transistorleistungsverhalten verbessert werden,
indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird,
so dass das für
gewöhnlich
verwendete Polysiliziummaterial ersetzt wird, da Polysilizium eine
Ladungsträgerverarmung
in der Nähe
der Grenzfläche zum
Gatedielektrikum aufweist, wodurch die wirksame Kapazität zwischen
dem Kanalgebiet und der Gateelektrode verringert wird. Es wurde
daher ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material
mit großem ε für eine erhöhte Kapazität auf der
Grundlage der gleichen oder einer größeren Dicke als eine siliziumdioxidbasierte
Schicht sorgt, wobei zusätzliche
Leckströme
auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits ist das nicht-Polysiliziummaterial,
etwa Titannitrid, und dergleichen, so gebildet, dass mit dem dielektrischen Material
mit großem ε in Verbindung
ist, wodurch das Vorhandensein einer Verarmungszone im Wesentlichen
vermieden wird.
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Nach
der Herstellung der komplexen Gatestrukturen mit einem dielektrischen
Material mit großem ε sind jedoch
Hochtemperaturbehandlungen und andere Prozesse erforderlich, die
das Material mit großem ε deutlich
beeinflussen können.
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Aus
diesem Grunde werden viele dielektrische Materialien mit großem ε einer der
Abscheidung nachgeordneten Behandlung unterzogen, um eine bessere
Stabilität
der Materialeigenschaften während
der weiteren Bearbeitung zu erreichen. Beispielsweise ist typischerweise
eine Einkapselung des dielektrischen Materials mit großem ε erforderlich, um
die Wechselwirkung mit den metallenthaltenden. Elektrodenmaterialien
und anderen Prozessumgebungen, die während der weiteren Bearbeitung
des Bauelements angetroffen werden, zu verringern. Ferner muss ggf.
die Kristallisierungstemperatur des dielektrischen Materials mit
großem ε erhöht werden, um
eine bessere Stabilität
während
nachfolgender Hochtem peraturprozesse zu erreichen, die typischerweise
für die
Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration erforderlich
sind. Andere Materialmodifizierungen können eine Phasenseparation
der dielektrischen Materialien mit großem ε beinhalten und es muss auch
eine Diffusion von Implantationssorten, die in einen oberen Bereich
der Gateelektrodenstrukturen während
der weiteren Bearbeitung eingebracht werden, verhindert werden.
Ferner kann eine Verschiebung der Austrittsarbeit und eine Verringerung
der Permittivität
des dielektrischen Materials mit großem ε, was mit einer Zunahme der Schichtdicke
einhergehen kann, zu einer ausgeprägten Schwellwertspannungsänderung
des Transistors führen,
wobei angenommen wird, dass dies durch eine ausgeprägte Wechselwirkung
der Gatestapelmaterialien mit Sauerstoff hervorgerufen wird. Beispielsweise
weisen Hafniumoxid und Zirkonoxid eine sehr hohe Oxidationsrate
in Anwesenheit von Sauerstoff und erhöhten Temperaturen auf, woraus
sich eine ausgeprägte
Modifizierung der Materialeigenschaften ergibt, was zu einer signifikanten
Variabilität der
Transistoreigenschaften führen
kann. Folglich ist es sehr schwer, die Schwellwertspannung von Transistoren
auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε genau einzustellen,
das in einer frühen
Fertigungsphase bereitgestellt wird. In einigen konventionellen
Vorgehensweisen wird ein gewisser Grad an Stabilisierung von Materialeigenschaften
erreicht durch eine Behandlung des dielektrischen Materials mit
großem ε unmittelbar
nach dem Abscheiden, beispielsweise in Form einer Nitrierung und
dergleichen, um damit die weitere Bearbeitung der empfindlichen
gatedielektrischen Materialien zu verbessern. Andererseits muss
ggf. die Schwellwertspannung der Transistoren speziell auf der Grundlage
eines entsprechenden Austrittsarbeitsmetalls in Verbindung mit dem
dielektrischen Material mit großem ε eingestellt
werden. In einigen konventionellen Vorgehensweisen wird die Schwellwertsspannungseinstellung
bewerkstelligt, indem eine gewisse Metallsorte in das dielektrische
Material mit großem ε eingebaut
wird, um damit eine gewünschte
Austrittsarbeit in Verbindung mit einem metallenthaltenden Material,
das auf der dielektrischen Schicht mit großem ε gebildet ist, zu erreichen.
Eine effiziente Technik zum Einbau der gewünschten Metallsorte in das
dielektrische Material mit großem ε ist das
Vorsehen einer Deckschicht mit der gewünschten Diffusionssorte und
das Ausführen
einer Wärmebehandlung,
um die Diffusion der Metallsorte in das dielektrische Material mit
großem ε zu initiieren.
Der Einbau gewünschter Metallsorte
für n-Kanaltransistoren
und p-Kanaltransistoren wird typischerweise während einer geeigneten Fertigungsphase
ausgeführt,
beispielsweise in einer sehr späten
Phase nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration,
oder in einer frühen
Fertigungsphase, d. h. nach dem Bereitstellen des stabilisierten
dielektrischen Materials mit großem ε und nach dem Bilden einer Deckschicht,
wobei diese die gewünschte
Metallsorte für
den betrachteten Transistor aufweist. Auf Grund der besseren Stabilität des dielektrischen
Materials mit großem ε sind jedoch
moderate Prozesstemperaturen und Konzentrationen der gewünschten
Metallsorte erforderlich, die Transistoreigenschaften negativ beeinflussen können, wodurch
das schließlich
erreichte Gesamtverhalten der Transistoren beeinträchtigt wird.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Offenbarung
Verfahren und Techniken, in denen eine bessere Stabilisierung von empfindlichen
dielektrischen Materialien von Gateelektrodenstrukturen erreicht
wird, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder
zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die vorliegende Offenbarung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung Techniken und Halbleiterbauelemente,
in denen eine verbesserte Integrität und damit Stabilität des dielektrischen
Materials mit großem ε auf der Grundlage
einer geeigneten Behandlung, etwa einer Nitrierung, einer Oxidation
und dergleichen, erreicht wird, wobei vor der Stabilisierung der
Materialeigenschaften eine gewünschte
schwellwerteinstellende Sorte in das dielektrische Material mit
großem ε eingebaut
wird. Dazu werden das dielektrische Material mit großem ε und eine
geeignete Deckschicht oder Deckschichten vor dem Ausführen der
Stabilisierungsbehandlung gebildet, so dass ein besseres Verhalten
in dem Diffusionsprozess erreicht wird, wobei nach dem Einbau der
schwellwerteinstellenden Sorte in das dielektrische Material mit
großem ε die nachfolgende
Stabilisierung für
eine besserer Integrität und
damit Stabilität
der resultierenden Schwellwertspannung. Folglich kann nach dem Einbau
der gewünschten
schwellwerteinstellenden Sorte in das dielektrische Material mit
großem ε ein beliebiges
geeignetes Elektrodenmaterial auf das dielektrische Material mit
großem ε aufgebracht
werden, was in einer frühen
Fertigungsphase oder nach dem Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration bewerkstelligt
werden kann.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines
Gatedielektrikumsmaterials über
einem Halbleitergebiet eines Halbleiterbauelements, wobei das Gatedielektrikumsmaterial ein
dielektrisches Material mit großem ε aufweist. Das
Verfahren um fasst ferner das Bilden eines metallenthaltenden Materials über dem
Gatedielektrikumsmaterial, wobei das metallenthaltende Material eine
schwellwerteinstellende Sorte umfasst. Ferner wird eine Wärmebehandlung
ausgeführt,
um einen Teil der schwellwerteinstellenden Sorte in das Gatedielektrikumsmaterial
zu verteilen. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen des metallenthaltenden Materials
von dem Gatedielektrikumsmaterial und das Ausführen einer Behandlung, um das
Gatedielektrikumsmaterial zu stabilisieren. Ferner wird ein metallenthaltendes
Elektrodenmaterial auf dem Gatedielektrikumsmaterial gebildet. Des
weiteren umfasst das Verfahren das Bilden einer Gateelektrodenstruktur
eines Transistors auf der Grundlage des metallenthaltenden Elektrodenmaterials
und auf der Grundlage des Gatedielektrikumsmaterials.
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Ein
weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das
Bilden eines Gatedielektrikumsmaterials über einem ersten aktiven Gebiet und
einem zweiten aktiven Gebiet. Ferner wird ein erstes metallenthaltendes
Material selektiv über
dem ersten aktiven Gebiet hergestellt. Das Verfahren umfasst ferner
das Bilden eines zweiten metallenthaltenden Materials über dem
zweiten aktiven Gebiet. Des weiteren umfasst das Verfahren das Ausführen einer
Wärmebehandlung,
um eine Diffusion einer ersten Sorte von dem ersten metallenthaltenden
Material in das Gatedielektrikummaterial über dem ersten aktiven Gebiet
in Gang zu setzen, und um eine Diffusion der zweiten Sorte aus dem
zweiten metallenthaltenden Material in das Gatedielektrikumsmaterial über dem
zweiten aktiven Gebiet in Gang zu setzen. Des weiteren umfasst das
Verfahren das Entfernen des ersten und des zweiten metallenthaltenden Materials
und das Ausführen
einer Behandlung, um das Gatedielektrikumsmaterial zu stabilisieren.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein
erste aktives Gebiet und eine erste Gateelektrodenstruktur, die
auf dem ersten aktiven Gebiet gebildet ist. Die erste Gateelektrodenstruktur
umfasst ein dielektrisches Basismaterial und ein dielektrisches
Material mit großem ε, das auf
dem dielektrischen Basismaterial gebildet ist, wobei das dielektrische
Material mit großem ε eine erste schwellwerteinstellende
Metallsorte in der ersten Gateelektrodenstruktur aufweist. Das Halbleiterbauelement
umfasst ferner ein zweites aktives Gebiet und eine zweite, auf dem
zweiten aktiven Gebiet gebildete Gateelektrodenstruktur. Die zweite
Gateelektrodenstruktur umfasst das dielektrische Basismaterial und
das dielektrische Material mit großem ε, das auf dem dielektrischen
Basismaterial gebildet ist, wobei das dielektrische Material mit
großem ε eine zweite schwellwerteinstellende
Metallsorte in der zweiten Gateelektrodenstruktur aufweist. Des
weiteren umfasst das Halbleiterbauelement ein metallenthaltendes
Elektrodenmaterial, das auf dem dielektrischen Material mit großem ε in der ersten
und der zweiten Gateelektrodenstruktur gebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert
wird, in denen:
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1a bis 1g schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung einer komplexen Gateelektrodenstruktur
auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε und auf
der Grundlage eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials zeigen,
wobei eine schwellwerteinstellende Sorte in das dielektrische Material
mit großem ε vor dem
Stabilisieren der Materialeigenschaften gemäß anschaulicher Ausführungsformen
eingebaut wird; und
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2a bis 2j schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Herstellung von Gateelektrodenstrukturen
unterschiedlicher Transistorarten zeigen, in denen die schwellwerteinstellende Sorte
vor dem Stabilisieren des dielektrischen Materials mit großem ε gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
eingebaut wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen
beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung
sowie in den Zeichnungen dargerstellt sind, sollte beachtet werden,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, den hierin offenbarten Gegenstand auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung der,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente und Techniken
bereit, in denen empfindliche Gatedielektrikumsmaterialien so behandelt werden,
dass diese eine geeignete Sorte zum Einstellen der gesamten Transistoreigenschaften,
etwa der Schwellwertspannung und dergleichen, vor der Ausführung einer
Behandlung zum Stabilisieren der Materialeigenschaften der Gatedielektrikumsschicht erhalten.
Wie zuvor erläutert
ist, können
die hierin offenbarten Prinzipien vorteilhaft auf empfindliche dielektrische
Materialien mit großem ε angewendet
werden, die eine Neigung besitzen, die Materialeigenschaften bei
Einwirkung gewisser Umgebungsbedingungen oder Prozessbedingungen
zu ändern,
die während
der weiteren Bearbeitung des Halbleiterbauelements auftreten. Gemäß den hierin
offenbarten Prinzipien werden die gewünschten Transistoreigenschaften,
beispielsweise bezüglich
der Schwellwertspannung, nach dem Abscheiden des empfindlichen dielektrischen
Materials und vor einer Stabilisierungsbehandlung eingestellt, um
die Effizienz des Einbaus der gewünschten Sorte, etwa einer Metallsorte,
zu verbessern. Folglich kann die gewünschte Sorte durch Diffusion
auf der Grundlage weniger anspruchsvoller Prozessbedingungen eingebaut
werden, d. h. auf der Grundlage einer geringeren Prozesstemperatur
und Konzentration, so dass andere Bauteileigenschaften durch die
Schwellwerteinstellung weniger beeinflusst werden. Auf Grund der
nachfolgenden Beibehaltung der Materialeigenschaften durch eine
beliebige geeignete Modifizierung, etwa eine Nitrierung und dergleichen,
kann die weitere Bearbeitung fortgesetzt werden, indem ein einzelnes Elektrodenmaterial
für beide
Arten an Transistoren bereitgestellt wird, wodurch die gesamte Prozesseffizienz
verbessert wird.
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In
einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die Einstellung der Transistoreigenschaften auf der Grundlage
des Einbaus einer Sorte in das empfindliche dielektrische Material
vor dessen Stabilisierung ebenfalls komplexe „konventionelle” Gatedielektrikumsmaterialien
angewendet, etwa auf siliziumdioxidbasierte Materialien in Verbindung
mit geeigneten Gateelektrodenmaterialien, etwa Polysilizium, Silizium/Germanium
und dergleichen. Sofern somit in den hierin beschriebenen Ausführungsformen oder
in den angefügten
Patentansprüchen
dies nicht anders explizit beschrieben ist, sollte das Gatedielektrikumsmaterial
nicht auf dielektrische Materialien mit großem ε eingeschränkt erachtet werden.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche
Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch die Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit
einem Substrat 101, über
welchem eine Halbleiterschicht 102 gebildet ist. Das Substrat 101 repräsentiert
ein beliebiges geeignetes Trägermaterial,
um darüber die
Halbleiterschicht 102 herzustellen, und repräsentiert
beispielsweise ein kristallines Substratmaterial, ein isolierendes
Material und dergleichen. Beispielsweise ist eine vergrabene isolierende
Schicht auf einem im Wesentlichen kristallinen Substratmaterial hergestellt,
woran sich die Halbleiterschicht 102 anschließt, wodurch
eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration gebildet wird. Das
Halbleiterbauelement 102 repräsentiert ein beliebiges geeignetes Material,
etwa ein Siliziummaterial möglicherweise
in Verbindung mit anderen Komponenten, etwa Germanium, Kohlenstoff
und dergleichen, um die gewünschten
Transistoreigenschaften zu erreichen. In der in 1a gezeigten
Fertigungsphase repräsentiert
der dargestellte Teil der Halbleiterschicht 102 ein aktives
Gebiet eines Transistors und enthält somit eine gewisse grundlegende
Dotierung, um die grundlegenden Transistoreigenschaften, etwa die
Leitfähigkeitsart,
festzulegen. In dieser Hinsicht ist eine aktives Gebiet als ein
Teil der Halbleiterschicht 102 zu verstehen, der lateral
durch eine geeignete Isolationsstruktur (nicht gezeigt) begrenzt
ist und der geeignete Dotierstoffprofile enthält oder umfasst, um einen oder
mehrere pn-Übergänge zu bilden.
Ferner umfasst das Halbleiterbauelement 100 ein Gatedielektrikumsmaterial 110,
das auf der Halbleiterschicht 102 gebildet ist. In einigen
anschaulichen Ausführungsformen
umfasst das Gatedielektrikumsmaterial 110 ein dielektrisches
Material mit großem ε 112,
etwa Hafniumoxid, Zirkonoxid, Hafniumsiliziumoxid und dergleichen,
wobei dies von den gesamten Prozess- und Bauteilerfordernissen abhängt. Wenn
ein direkter Kontakt des dielektrischen Materials mit großem ε 112 mit
der Halbleiterschicht 102 als ungeeignet erachtet wird,
beispielsweise im Hinblick auf die thermische Stabilität und dergleichen,
wird eine dielektrische Basisschicht 111 so vorgesehen,
dass diese als eine Grenzfläche
zwischen dem dielektrischen Material mit großem ε 112 und der Halbleiterschicht 102 dient.
Z. B. repräsentiert
das Material 111 ein „konventionelles” siliziumdioxidbasiertes
Material mit einer gewünschten
reduzierten Dicke von beispielsweise 1 nm oder weniger. Andererseits
wird eine kombinierte Dicke und eine relative Permittivität des Gatedielektrikumsmaterials 110 so
gewählt,
dass es den gewünschten
Transistoreigenschaften möglicherweise
in Kombination mit einer gewissen Modifizierung der Eigenschaften
des dielektrischen Materials 110 in einer späteren Fertigungsphase
entspricht. Wie zuvor erläutert
ist, sind die Materialeigenschaften des dielektrischen Materials 110 relativ
variabel, beispielsweise im Hinblick auf einen oder mehrere der zuvor
beschriebenen Einflüsse,
so dass eine Stabilisierung der Materialeigenschaften in einer späteren Fertigungsphase
vorgese hen wird, in der auch eine zusätzliche Anpassung, etwa im
Hinblick auf die gesamte Dielektrizitätskonstante, bewerkstelligt
wird, indem eine geeignete Sorte, etwa Stickstoff, Sauerstoff und
dergleichen eingebaut wird. In der gezeigten Fertigungsphase ist
eine Deckschicht 120 auf dem dielektrischen Material 110 gebildet
und enthält eine
geeignete Sorte, die in das dielektrische Material 110 eingebaut
wird, um damit dessen Eigenschaften einzustellen, beispielsweise
im Hinblick auf eine Schwellwertspannung eines Transistors, der
auf der Grundlage des Gatedielektrikumsmaterials 110 hergestellt
wird. Des weiteren sorgt die Deckschicht 120 für eine bessere
Integrität
des Gatedielektrikumsmaterials 110 während der weiteren Bearbeitung.
In einer anschaulichen Ausführungsform
umfasst die Deckschicht 120 eine erste Schicht 121,
die eine gewünschte
Diffusionssorte, etwa ein Metall, aufweist, das in das dielektrische
Material 110 eingebaut wird, um die gewünschte Austrittsarbeit und
damit die Schwellwertspannungseinstellung für einen Transistor zu erreichen,
der noch in und über
der Halbleiterschicht 102 herzustellen ist. Beispielsweise
enthält die
Schicht 121 eine Diffusionssorte von Aluminium, Tantal
und dergleichen, die geeignete Kandidaten zum Einstellen der Schwellwertspannung
eines p-Kanaltransistors bzw. eines n-Kanaltransistors repräsentieren.
Z. B. wird die Schicht 121 in Form einer Lanthanum-Schicht mit einer
Dicke von mehreren Angstrom bereitgestellt, wenn ein n-Kanaltransistor auf
der Grundlage des Gatedielektrikumsmaterials 110 zu bilden
ist. Ferner ist eine zweite Schicht 122 vorgesehen, etwa
in Form von Titannitrid und dergleichen, die in effizienter Weise
die bessere Integrität während der
weiteren Bearbeitung sorgt. Es sollte beachtet werden, dass die
Deckschicht 120 zusätzliche
Schichten aufweisen kann, etwa eine zusätzliche Titannitridschicht
direkt auf dem dielektrischen Material mit großem ε 112, wenn dies für die weitere
Bearbeitung als geeignet erachtet wird.
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Das
in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach
der Herstellung entsprechender Isolationsstrukturen (nicht gezeigt)
und dem Einführen
einer Dotierstoffsorte in die Schicht 102, um die grundlegenden
Transistoreigenschaften einzustellen, wird das Gatedielektrikumsmaterial 110 hergestellt,
beispielsweise auf der Grundlage komplexer Abscheidetechniken, möglicherweise
in Verbindung mit Oxidationsprozessen und dergleichen. Beispielsweise
wird die Schicht 111, falls diese vorgesehen ist, ggf.
auf der Grundlage einer thermischen Oxidation, einer nasschemischen
Oxidation und dergleichen hergestellt, wenn ein Siliziumdioxidmaterial
vorzusehen ist. Daraufhin wir das dielektrische Material mit großem ε 112 auf
der Grundlage gut etablierter Abscheidetechniken hergestellt, etwa durch
CVD (chemische Dampfab scheidung) und dergleichen. Beispielsweise
wird in komplexen Anwendungen das dielektrische Material mit großem ε mit einer
Dicke von 10 bis 20 Angstrom aufgebracht, wenn beispielsweise Hafniumoxid
als das dielektrische Material mit großem ε eingesetzt wird. Daraufhin
wird die Deckschicht 120 auf Grundlage gut etablierter
Abscheiderezepte hergestellt, etwa durch Bilden von Titannitrid
auf der Grundlage von CVD und dergleichen. In ähnlicher Weise wird eine die
Diffusionssorte enthaltende Schicht, etwa die Schicht 121, durch
CVD und dergleichen aufgebracht.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Herstellungsphase, in der das Bauelement 100 der
Einwirkung einer weiteren Abscheideumgebung 104 ausgesetzt
ist, um eine Schutzschicht 103 auf der Deckschicht 120 herzustellen.
Die Schutzschicht 103 ist aus einem beliebigen geeigneten
Material aufgebaut, etwa einem Siliziummaterial und dergleichen,
das mit hoher Effizienz in einer späteren Fertigungsphase entfernt
werden kann, ohne die Integrität
des Gatedielektrikumsmaterials 110 in unerwünschter
Weise zu beeinträchtigen.
Die Schutzschicht 103 wird für das Verbessern der Integrität der Deckschicht 120 vorgesehen,
wenn eine Einwirkung darauf durch eine Prozessumgebung während der
weiteren Bearbeitung als ungeeignet erachtet wird. Beispielsweise
besitzt Titannitrid eine ausgeprägte
Oxidationsrate, wenn dieses der Einwirkung der Umgebungsatmosphäre bei erhöhten Temperaturen
ausgesetzt wird. In anderen Fällen
dient die Schutzschicht 103 als eine effiziente Wärmeverteilungsschicht,
beispielsweise komplexer Ausheiztechniken, die während der weiteren Bearbeitung
des Bauelements 110 ggf. eingesetzt werden. Es sollte beachtet
werden, dass eine Vielzahl gut etablierter Prozessrezepte verfügbar sind und
während
des Abscheideprozesses 104 eingesetzt werden kann. Beispielsweise
wird eine Dicke der Schicht 103 im Bereich von 10 bis 30
nm gewählt, wobei
auch andere Werte ausgewählt
werden können,
wenn dies als geeignet erachtet wird.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es einer
erhöhten
Temperatur während
eines Ausheizprozesses 105 ausgesetzt ist, während welchem
eine gewünschte
Diffusionssorte von der Deckschicht 120 in das dielektrische
Material 110 verteilt wird. Während des Ausheizprozesses 105 werden
die wirksame Prozesstemperatur und die Dauer somit geeignet ausgewählt, um
eine gewünschte
Konzentration der Diffusionssorte, d. h. der schwellwerteinstellenden
Sorte, innerhalb des dielektrischen Materials 110 zu erhalten,
wobei jedoch, wie zuvor erläutert
ist, die geringer ausgeprägte „Stabilität” des die lektrischen
Materials 110 für
bessere Prozessbedingungen während
des Prozesses 105 sorgt. Bei Temperaturen von ungefähr 900 Grad
C und höher
kann somit eine effiziente Diffusion wirksam in Gang gesetzt werden,
wobei die Dauer und die Temperatur so gewählt sind, dass die betrachtete
Sorte, etwa beispielsweise Lanthanum, Aluminium und dergleichen,
an einer gewünschten
Tiefe innerhalb des Gatedielektrikumsmaterials 110 angeordnet
wird. Somit diffundiert eine Sorte 121a, die in der Schicht 121 oder
in der Schicht 122 enthalten ist, wie dies zuvor erläutert ist,
in das dielektrische Material 110 mit einer gewünschten
Konzentration. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Prozess 105 so gesteuert,
dass auch eine gewisse Menge der Sorte in die Basisschicht 111 eindiffundiert,
wenn dieses als geeignet erachtet wird, um die Gesamteigenschaften des
dielektrischen Materials 110 einzustellen. Geeignete Prozessparameter
für den
Ausheizprozess 105 können
effizient auf der Grundlage von Experimenten festgelegt werden,
in denen die Diffusionsrate einer gewünschten Sorte für das dielektrische
Material 110 bestimmt wird. Der Ausheizprozess 105 wird
auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Ausheiztechnik ausgeführt, etwa
durch schnelle thermische Ausheizprozesse, lasergestützte Ausheizprozesse,
blitzlichtgestützte
Ausheizprozesse und dergleichen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird der Ausheizprozess 105 auf Grundlage eines lasergestützten Systems
ausgeführt,
in welchem dem Bauelement 100 der Strahl in lokal beschränkter Weise
zugeführt
wird, wodurch die Möglichkeit
geschaffen wird, die Schwellwertspannung der Transistoren in lokal
unterschiedlicher Weise einzustellen. Beispielsweise ist in einigen
Bauteilgebieten eine höhere Schwellwertspannung
wünschenswert,
was erreicht werden kann, indem die wirksame Einwirkzeit und Temperatur
des Prozesses 105 geeignet eingestellt werden, was somit
zu einer entsprechenden Änderung
der Diffusion der Sorte 112a in das dielektrische Material 110 führt. Folglich
können
unterschiedliche „Nuancen” aus Transistoren
durch lokal unterschiedliches Einstellen der Menge und/oder der
Eindringtiefe der Sorte 121a in dem dielektrischen Material 110 erhalten
werden. Zu diesem Zweck können
gut etablierte lasergestützte
Ausheizsysteme in Verbindung mit einer entsprechenden Positionsinformation
angewendet werden, um die Ausheizparameter in geeigneter Weise einzustellen,
beispielsweise durch Anpassen der Abtastbewegung des entsprechenden Ausheizsystems
und dergleichen. Wie zuvor erläutert ist,
bewahr die Schutzschicht 103, falls diese vorgesehen ist,
während
des Ausheizprozesses 105 die Integrität der Deckschicht 120 und
kann bei Bedarf das Verhalten des Ausheizprozesses 105 etwa
im Hinblick auf das Absorbieren von Strahlungsenergie verbessern,
wenn die Deckschicht 120 eine erhöhte Reflektivität und dergleichen
besitzt.
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1d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie bezeigt, unterliegt das Bauelement 100 einem
oder mehrere reaktiven Prozessen 106, während welchem die Schutzschicht 102 und
die Deckschicht 120 (siehe 1c) entfernt
werden. Beispielsweise umfasst die Ätzsequenz 106 eine
beliebige geeignete Ätzchemie,
um die Schutzschicht 103 abzutragen, etwa auf der Grundlage
von Ammoniumhydroxid und dergleichen, Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH) und dergleichen, um Siliziummaterial selektiv zur Deckschicht
abzutragen. In anderen Fällen
wird ein anderes geeignetes Ätzrezept eingesetzt,
wobei dies von der Materialzusammensetzung der Schutzschicht 10d3,
wie sie in 1c gezeigt ist, abhängt. Daraufhin
wird die Deckschicht (siehe 1c) entfernt,
beispielsweise auf der Grundlage eines nasschemischen Ätzrezepts
unter Anwendung einer Ammoniumwasserstoffperoxidmischung (APM) abgetragen,
die effizient Materialien, etwa Titannitrid und dergleichen, in
Verbindung mit der Diffusionsschicht 121 entfernt, während die Ätzung an
dem dielektrischen Material 110 stoppt, da beispielsweise
eine Vielzahl von dielektrischen Materialien mit großem ε verbesserte Ätzstoppeigenschaften
im Hinblick auf eine Vielzahl von Ätzrezepten besitzen. Folglich
wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Gatedielektrikumsmaterial 110 während der Ätzsequenz 106 freigelegt
und wird damit für
die weitere Behandlung vorbereitet, um eine bessere Stabilität des Gatedielektrikumsmaterials 110 zu
erreichen. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Material 110 darin
eine gewisse Menge der Sorte 121a auf Grund des vorhergehenden
Ausheizprozesses 105 (siehe 1c) aufweisen kann.
Beispielsweise kann die Diffusionssorte 121a in der Schicht 112 gebildet
sein, während
in anderen Ausführungsformen
die Sorte 121a sich auch bis in die Basisschicht 111 erstreckt.
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1e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während einer
weiteren Behandlung 102, die auf der Grundlage beliebiger
geeigneter Prozesstechniken ausgeführt wird, um die Stabilität des Gatedielektrikumsmaterials 110 im
Hinblick auf weitere Hochtemperaturprozesse, im Hinblick auf die Einwirkung
durch andere Prozessbedingungen und dergleichen, zu verbessern,
wie dies zuvor erläutert ist.
Insbesondere verleiht der Prozess 107 dem Gatedielektrikumsmaterial 110 im
Hinblick auf eine Diffusion anderer Sorten eine erhöhte Stabilität, wodurch die
Verteilung der Sorte 121a innerhalb des dielektrischen
Materials 110 stabilisiert und damit im Wesentlichen beibehalten
wird, was somit zu einem geringeren Grad an Variabilität der schließlich erreichten Schwellwertspannung
führt.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
umfasst die Behandlung 107 ein Nitrierungsprozess, möglicherweise
in Verbindung mit einem Oxidationsschritt, um Stickstoff möglicherweise
in Verbindung mit Sauerstoff zumindest in einen oberen Bereich des
Gatedielektrikumsmaterials 110 einzuführen. Zu diesem Zweck können beliebige
geeignete Prozesstechniken eingesetzt werden, etwa plasmagestützte Behandlungen
in einer stickstoffenthaltenden Atmosphäre und dergleichen. In ähnlicher
Weise kann eine Oxidation angewendet werden, wenn dies als geeignet
erachtet wird, wobei plasmagestützte
Oxidationsrezepte angewendet werden können, wodurch somit unerwünscht hohe
Temperaturen vermieden werden, die ansonsten zu einer ausgeprägten Diffusion
der Sorte 121a während
einer anfänglichen
Phase der Behandlung 107 führen können. In einigen anschaulichen
Ausführungsformen
werden die Prozessparameter der Behandlung 107 so gewählt, dass
eine gewünschte
Sorte, etwa Stickstoff, ebenfalls in die Basisschicht 111,
falls diese vorgesehen ist, eingeführt werden, wodurch ebenfalls
deren Eigenschaften verbessert werden, beispielsweise im Hinblick
auf die resultierende Dielektrizitätskonstante, im Hinblick auf die
Diffusionsblockierwirkung und dergleichen. Während der Behandlung 107 können somit
die Eigenschaften der Schicht 110 eingestellt und gleichzeitig „konserviert” werden,
da das dielektrische Material 110 eine deutlich bessere
Stabilität
während
der weiteren Bearbeitung aufweist, wie dies auch zuvor erläutert ist.
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1f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines
weiteren Abscheideprozesses 108, während welchem ein geeignetes
metallenthaltendes Elektrodenmaterial 113 auf dem Gatedielektrikumsmaterial 110 vorgesehen
wird. Beispielsweise wird das metallenthaltende Elektrodenmaterial 113 in
Form von Titannitrid mit einer Dicke von ungefähr 1 bis 10 nm vorgesehen,
wobei jedoch auch andere Werte abhängig von den gesamten Prozessbedingungen
ausgewählt
werden können.
Der Abscheideprozess 108 wird auf der Grundlage etablierter
Prozessrezepte durchgeführt.
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1g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Gateelektrodenstruktur 115 über der
Halbleiterschicht 102 ausgebildet und enthält das Gatedielektrikumsmaterial 110 mit
einer besseren Stabilität
und mit geeignet eingestellten Eigenschaften, etwa im Hinblick auf
eine Schwellwertspannung, wie dies auch zuvor erläutert ist.
Des weiteren ist das metallenthaltende Elektrodenmaterial 113 auf
dem dielektrischen Material 110 gebildet, woran sich ein
weiteres Elektrodenmaterial oder Platzhaltematerial 114,
etwa in Form von Silizium, Silizium/Germanium und dergleichen, anschließt. Es sollte
beachtet werden, dass das Material 114 auch weitere Materialien
aufweisen kann, etwa eine Deckschicht, falls dies für die weitere
Bearbeitung des Halbleiterbauelements 100 erforderlich
ist. Ferner ist eine Schutzschicht 109, etwa aus Siliziumnitrid,
auf der Halbleiterschicht 102 und der Gateelektrodenstruktur 115 gebildet,
wodurch eine bessere Integrität
der Gateelektrodenstruktur 115 während der weiteren Bearbeitung
erreich wird. Beispielsweise ist die Schutzschicht 109 der
Einwirkung einer anisotropen Ätzumgebung
in einer nachfolgenden Fertigungsphase ausgesetzt, um entsprechende
Seitenwandabstandshalterelemente für die Gateelektrodenstruktur 115 zu
bilden, wodurch die Integrität
von deren Seitenwänden
während
der weiteren Bearbeitung bewahrt wird.
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Das
in 1g gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden,
in denen das Material 114 auf dem Elektrodenmaterial 113 möglicherweise
in Verbindung mit weiteren Deckmaterialien und dergleichen abgeschieden
wird. Daraufhin wird eine komplexe Strukturierungsprozesssequenz
ausgeführt,
indem aufwendige Lithographie- und Ätztechniken enthalten sind,
um die Gateelektrodenstruktur 115 herzustellen, woran sich
das Abscheiden des Materials 109 anschließt, was
auf der Grundlage thermisch aktivierter CVD-Techniken und dergleichen
bewerkstelligt werden kann. Somit wird die Gateelektrodenstruktur 115 mit
dem Gatedielektrikumsmaterial 110 in einem stabilisierten
Zustand bereitgestellt, wobei auch eine Schwellwertspannung auf
der Basis des dielektrischen Materials 110 und auf der Basis
des Elektrodenmaterials 113 für einen Transistor eingestellt
ist, der auf der Grundlage der Gateelektrodenstruktur 115 herzustellen
ist.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2j werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben,
in denen Transistoreigenschaften, etwa die Schwellwertspannung,
vor dem Stabilisieren eines empfindlichen dielektrischen Materials
für unterschiedliche
Arten an Transistoren eingestellt wird.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200,
das ein Substrat 201 aufweist, über welchem eine Halbleiterschicht 202 gebildet
ist. Im Hinblick auf das Substrat 201 und die Halbleiterschicht 202 gelten
die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind.
Ferner trennt eine Isolationsstruktur 202c ein erstes aktives
Gebiet 202a von einem zweiten aktiven Gebiet 202b.
Beispielsweise repräsentiert
das erste aktive Gebiet 202a ein n-dotiertes Wannengebiet
in und über welchem
ein p-Kanaltransistor während
der weiteren Bearbeitung herzustellen ist. In ähnlicher Weise repräsentiert
das aktive Gebiet 202b das aktive Gebiet eines n-Kanaltransistors.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass die folgende Grenze aus Prozessen
auch auf eine Konfiguration angewendet werden kann, in der das aktive Gebiet 202a einen
n-Kanaltransistor repräsentiert, während das
aktive Gebiet 202b einen p-Kanaltransistor darstellt. In der gezeigten
Fertigungsphase ist ferner ein Gatedielektrikumsmaterial 210 über dem ersten
und dem zweiten aktiven Gebiet 202a, 202b gebildet,
woran sich eine Deckschicht 220 anschließt. In der
gezeigten Ausführungsform
umfasst das dielektrische Material 210 ein dielektrisches
Basismaterial 211, etwa ein siliziumdioxidbasiertes Material
und dergleichen, in Verbindung mit einer dielektrischen Materialschicht
mit großem ε 212.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass das dielektrische Material 210 in
Form einer einzelnen Materialschicht bereitgestellt werden kann
oder dass dieses aus drei oder mehr Teilschichten aufgebaut sein
kann, wenn dies als geeignet erachtet wird. In ähnlicher Weise umfasst die
Deckschicht 220 einen geeigneten Aufbau, um ein Material 221 bereitzustellen,
das eine Diffusionssorte enthält,
die in geeigneter Weise so gewählt
ist, dass die Schwellwertspannung für einen Transistor eingestellt
wird, der in und über
dem aktiven Gebiet 202a herzustellen ist. Beispielsweise
enthält
die Deckschicht 220 das Material 221 und eine erste
und eine zweite Deckschicht 222, 223, die beispielsweise
aus Titannitrid und dergleichen aufgebaut sind, die die Materialschicht 221 einschließen. Beispielsweise
ist die Schicht 221 aus Lanthanum oder Aluminium aufgebaut,
wobei dies von der Art des Transistors abhängt, dessen Schwellwertspannung
auf der Grundlage der Materialschicht 221 einzustellen
ist. In der gezeigten Ausführungsform
repräsentiert
die Schicht 221 eine Aluminiumschicht mit einer Dicke von
ungefähr
0,1 bis 1,5 nm, während die
Schichten 222, 223 eine Dicke von beispielsweise von
1 bis 3 nm besitzen. in einer anschaulichen Ausführungsform enthält das aktive
Gebiet 202a ein geeignet ausgewähltes Halbleitermaterial 202d,
etwa in Form einer Silizium/Germanium-Legierung, um für einen
gewünschten
Bandlückenabstand
zu sorgen, der in Verbindung mit einem entsprechenden Einbau der
Sorte in der Schicht 221, für eine geeignete Schwellwertspannung
eines p-Kanaltransistors sorgt.
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Das
in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach
der Ausbildung der Isolationsstruktur 202c wird das grundlegende
Dotierstoffprofil der aktiven Gebiete 202a, 202b auf Grundlage
gut etablierter Maskierungsschemata in Verbindung mit Implantationsprozessen
eingerichtet. Daraufhin wird die Halbleiterlegierung 202d selektiv auf
dem aktiven Gebiet 202a hergestellt, was bewerkstelligt
werden kann, indem selektive epitaktische Aufwachstechniken in Verbindung
mit einem geeigneten Maskierungsschema zum Abdecken des aktiven
Gebiets 202b während
des Abscheideprozesses bewerkstelligt werden kann. Danach wird das Gatedielektrikumsmaterial
in einer geeigneten Weise hergestellt, wie dies auch zuvor mit Bezug
zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. Daraufhin wird die Deckschicht 220 unter
Anwendung gut etablierter Abscheidetechniken aufgebracht, wie dies
zuvor erläutert
ist.
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2b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung
einer Ätzumgebung 230 das
selektive Entfernen der Deckschicht 220 von dem aktiven
Gebiet 202b auf der Grundlage einer Ätzmaske 231, etwa
einer Lackmaske, ausgesetzt ist. Der Ätzprozess 220 kann
auf der Grundlage ähnlicher Ätztechniken
ausgeführt
werden, wie sie zuvor mit Bezug zu der Ätzsequenz 106 in 1d beschrieben
sind. Folglich wird das Material 221 mit der gewünschten
Diffusionssorte, etwa mit Aluminium, selektiv von dem aktiven Gebiet 202a abgetragen.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer weiteren
Deckschicht 225, die über
den aktiven Gebieten 202a, 202b gebildet ist. Die
Deckschicht 225 umfasst eine beliebige geeignete Konfiguration,
um eine Diffusionssorte in einer Schicht 226 möglicherweise
in Verbindung mit einer oder mehreren zusätzlichen Deckmaterialien 227 bereitzustellen.
Beispielsweise enthält
die Schicht 226 eine Diffusionssorte, die eine geeignete
Einstellung der Schwellwertspannung des Transistors ermöglicht,
der in und über
dem aktiven Gebiet 202b herzustellen ist. In dem gezeigten
Beispiel enthält
die Schicht 226 Lanthanium, das einen geeigneten Kandidaten
zum Einstellen der Schwellwertspannung eines n-Kanaltransistors repräsentiert.
Das zusätzliche Deckmaterial 227 kann
Titannitrid oder eine andere geeignete Materialzusammensetzung aufweisen.
Im Hinblick auf Prozesstechniken zur Herstellung der Deckschicht 225 sei
auf die Schicht 221 und 121 verwiesen, wie sie
zuvor beschrieben sind.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Schutzschicht 203, die
beispielsweise aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material
aufgebaut ist, über
der Deckschicht 225 gebildet. Ferner unterliegt das Bauelement 200 der
Einwirkung erhöhter
Temperaturen während
eines Ausheizprozesses 205, um die Diffusion der entsprechenden
Sorte in den Deckschich ten 225 und 220 in das
dielektrische Material 210 in Gang zu setzen. Folglich
diffundiert die Sorte der Schicht 226, etwa Lanthanum,
effizient in das dielektrische Material 210 über dem
aktiven Gebiet 202b, während
eine entsprechende ausgeprägte
Lanthanumdiffusion in der Schicht 222 der Deckschicht 220, die über dem
aktiven Gebiet 202a gebildet ist, unterdrückt wird.
Andererseits diffundiert die Sorte in der Schicht 221 effizient
in das dielektrische Material 210 über dem aktiven Gebiet 202a.
Auf diese Weise wird die Schwellwertspannungseinstellung für unterschiedliche
Arten von Transistoren während
des Ausheizprozesses 205 erreicht, wobei ein gewisser Grad an
individueller Anpassung des Diffusionsverhaltens erreicht werden
kann, indem beispielsweise die Schicht 223 bereitgestellt
wird, was zu einer gewissen Art an „Diffusionswiderstand” führt, wodurch
die gewünschte
Anpassung für
einen gegebenen Satz an Prozessparametern des Prozessors 205 gelingt. Es
sollte beachtet werden, dass im Hinblick auf das Anpassen der Schwellwertspannung
in unterschiedlichen Bauteilgebieten des Bauelements 200 die
gleichen Kriterien gelten, wie sie zuvor erläutert sind. D. h., darauf können lokal
unterschiedliche Ausheizparameter angewendet werden, um unterschiedliche „Nuancen
im Transistorverhalten” der
Transistorelemente zu erhalten.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung
einer Sequenz aus Ätzprozessen 206 unterliegt,
während
welcher die Schutzschicht 203 unter die Deckschichten 225 und 220 (siehe 2d)
entfernt werden, wodurch durch Gatedielektrikumsmaterial 210 freigelegt
wird, was eine unterschiedliche Materialzusammensetzung über dem
aktiven Gebiet 202a bis 202b besitzt, wie dies
auch durch 210a, 210b angegeben ist, auf Grund
des Einbaus einer unterschiedlichen Art an Dotierstoffsorte, wie
dies zuvor erläutert
ist. Die Ätzsequenz 206 kann
auf der Grundlage ähnlicher Ätzrezepte
ausgeführt
werden, wie sie zuvor mit Bezug zu der Ätzsequenz 106 der 1d erläutert sind. Nach
der Ätzsequenz 206 kann
somit das Dielektrikumsmaterial 210 freigelegt werden und
wird somit für
eine weitere Behandlung zur Verbesserung Stabilität vorbereitet.
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2f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während einer
Behandlung 207 zum Stabilisieren der Eigenschaften der
dielektrischen Schicht 210, wodurch ebenfalls die Verteilung
und die Konzentration der entsprechenden Diffusionssorte stabilisiert
werden, die für
die unterschiedlichen dielektrischen Materialien 210a, 210b über den
aktiven Gebieten 202a, 202b sorgt. Im Hinblick
auf die Behandlung 207 gelten ähnliche Kriterien, wie sie
zuvor erläutert
sind. D. h., es können
Stickstoff und/oder Sauerstoff auf der Grundlage ge eignet ausgewählter Prozessparameter
eingebaut werden, um die „endgültigen” Eigenschaften
der Gatedielektrikumsmaterialien 210a, 210b einzustellen,
und um eine bessere Stabilität
während
der weiteren Bearbeitung zu erreichen.
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2g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines
Abscheideprozesses 208, in welchem ein metallenthaltendes
Gateelektrodenmaterial 213 über den aktiven Gebieten 202a, 202b gebildet
wird. D. h., das Elektrodenmaterial 213 wird in einigen
anschaulichen Ausführungsformen
direkt auf dem Gatedielektrikumsmaterial 210 gebildet, d.
h. auf den jeweiligen Bereichen mit unterschiedlichen Eigenschaften 210a, 210b,
ohne dass unterschiedliche Metalle für die Austrittsarbeit erforderlich sind,
wie dies in konventionellen Lösungen
der Fall ist, in denen die eigentliche Schwellwertspannung in einer
späteren
Phase eingestellt wird. Im Hinblick auf geeignete Materialien und
Abscheidetechniken sei auf das Halbleiterbauelement 100 verwiesen.
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2h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine erste Gateelektrodenstruktur 125a auf
dem aktiven Gebiet 202a gebildet und enthält das Gateelektrikumsmaterial 210a gefolgt
von dem Elektrodenmaterial 213 und einem weiteren Elektrodenmaterial 214,
das auch Deckmaterialien und dergleichen aufweisen kann, wie dies
für die
weitere Bearbeitung des Bauelements 200 erforderlich ist.
In ähnlicher
Weise ist eine zweite Gateelektrodenstruktur 235b auf dem
aktiven Gebiet 202b gebildet und enthält das Gatedielektrikumsmaterial 210b,
gefolgt von dem Elektrodenmaterial 213 und dem weiteren
Elektrodenmaterial 214. Das Material 214 kann
Siliziummaterial, ein Silizium/Germaniummaterial und dergleichen
enthalten, wie dies für
die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 und für die gewünschten
gesamten Bauteileigenschaften erforderlich ist. Es sollte beachtet
werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Material 214 durch
ein gut leitendes Metall in einer späteren Fertigungsphase ersetzt
werden kann, d. h. nach dem Fertigstellen der grundlegenden Transistorstrukturen
und über
den aktiven Gebieten 202a, 202b.
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Das
in 2h gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage ähnlicher
Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor mit Bezug zu
dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben sind. D. h., nach
dem Herstellen des metallenthaltenden Elektrodenmaterials 213 wird
Material 214 abgeschieden und nachfolgend auf der Grundlage
aufwendiger Lithographie- und Ätztechniken
strukturiert, um die Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b mit
einer Größe gemäß den Entwurfsregeln
zu erhalten. Beispielsweise beträgt
für modernste
Halbleiterbauelemente eine Gatelänge,
d. h. in 2h die horizontale Erstreckung
des Elektrodenmaterials 213, ungefähr 50 nm und weniger, etwa
40 nm und weniger. Daraufhin wird eine Schutzschicht 209 gebildet,
um die Integrität
von Seitenwänden
der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b während der
weiteren Bearbeitung zu bewahren.
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2i zeigt
schematisch einen Teil der Gateelektrodenstruktur 235a, 235 in
einer detaillierteren Ansicht. Wie gezeigt, enthält die Gateelektrodenstruktur 235a die
Basisschicht 211 in Verbindung mit dem dielektrischen Material
mit großem ε 212,
wobei die Basisschicht 211 eine bessere Stabilität beispielsweise
auf Grund des Einbaus einer Stickstoffsorte und dergleichen besitzt,
was während
der vorhergehenden Behandlung 207 (siehe 2f)
bewerkstelligt wird. Des weiteren ist in dem dielektrischen Material 212 eine
Diffusionssorte eingebaut, etwa Aluminium 226a, was in
Verbindung mit der Halbleiterlegierung 202c zu einer geeigneten
Halbleiterspannung für
einen p-Kanaltransistor führt.
Die dielektrische Schicht 212 umfasst ferner eine geeignete
Sorte, etwa Stickstoff, Sauerstoff und dergleichen, die zuvor eingebaut
wurde, um eine bessere Stabilität
des Materials 212 zu erhalten.
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In ähnlicher
Weise enthält
die Gateelektrodenstruktur 235b das dielektrische Material
mit großem ε 212,
das über
der Basisschicht 211 gebildet ist, wobei eine Diffusionssorte 221,
etwa Lanthanum, und dergleichen, eingebaut ist, um damit die gewünschte Schwellwertspannung
zu erreichen. In ähnlicher
Weise kann die Schicht 212 die Sorte 212d zur
Verbesserung der Stabilität
des Materials 212 enthalten.
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Es
sollte beachtet werden, dass bei Bedarf die Sorten 226a, 221a auch
in der Basisschicht 211 eingebaut sein können, wodurch
Eigenschaften modifiziert werden können. Zum Beispiel kann ein
Dioxidmaterial in ein Silikat umgewandelt werden, wodurch die Dielektrizitätskonstante
des Basismaterials 211 vergrößert wird. Folglich bietet
die zuvor beschriebene Prozesssequenz einen höheren Grad an Flexibilität bei der
Einstellung der gesamten Transistoreigenschaften, indem in geeigneter
Weise ein empfindliches Gatedielektrikumsmaterial modifiziert wird,
wobei dennoch die unterschiedlichen Eigenschaften für n-Kanaltransistoren
und p-Kanaltransistoren während
einer gemeinsamen Fertigungssequenz erreicht werden.
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2j zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in eine weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein erster Transistor 250a auf
der Grundlage der Gateelektrodenstruktur 235a gebildet.
In ähnlicher
Weise ist ein zweiter Transistor 205b auf der Grundlage
der Gateelektrodenstruktur 235b gebildet. Wie zuvor erläutert ist,
repräsentieren
die Transistoren 250a, 250b einen p-Kanaltranistor
und einen n-Kanaltransistor. Die Transistoren 250a, 250b enthalten
Drain- und Sourcegebiete 251 mit einem geeigneten vertikalen
und lateralen Dotierstoffprofil entsprechend den gewünschten Transistoreigenschaften.
Beispielsweise wird das Dotierstoffprofil der Drain- und Sourcegebiete 251 auf
der Grundlage einer Abstandshalterstruktur 255 erzeugt,
die an Seitenwänden
der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b gebildet
ist. Ferner sind Metallsilizidgebiete 252 in den Drain-
und Sourcegebieten 251 und möglicherweise in den Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b gebildet,
während
in anderen Fällen,
wie dies auch zuvor erläutert
ist, das Material 214 ein Deckmaterial aufweist, das in
einer späteren
Fertigungsphase entfernt wird, wenn der verbleibende Bereich des
Materials 214 durch ein gut leitendes Metall zu ersetzen
ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen enthalten einer
oder beide Transistoren 250a, 250b ein verformungsinduzierendes
Halbleitermaterial 254, das in den jeweiligen aktiven Gebieten
eingebettet ist. Beispielsweise ist in dem Transistor 250a die
Halbleiterlegierung 254 eingebaut, beispielsweise in Form
einer Silizium/Germanium-Legierung, um eine kompressive Verformung
in einem Kanalgebiet 253 zu erzeugen, wodurch das Gesamtleistungsverhalten
des Transistors 250a weiter verbessert wird. In anderen
Fällen
wird ein entsprechendes Material, etwa eine Silizium/Kohlenstofflegierung
und dergleichen, in den Transistor 250b vorgesehen, um
dessen Leistungsverhalten zu verbessern.
-
Das
in 2j gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesstechniken hergestellt werden.
Nach dem Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b wird das
Material 254 bei Bedarf durch gut etablierte Prozesstechniken
hergestellt, in denen Aussparungen in dem aktiven Gebiet 202a erzeugt
und nachfolgend mit dem Material 254 auf der Grundlage
selektiver epitaktischer Aufwachstechniken gefüllt werden. Danach werden die
Drain- und Sourcegebiete 251 durch Ionenimplantation unter
Anwendung der Abstandshalterstruktur 255 als Implantationsmaske
gebildet. Daraufhin werden Ausheizprozesse ausgeführt, wobei
die bessere Stabilität
der Gatedielektrikumsmaterialien 210a, 210b im
Wesentlichen die voreingestellten Eigenschaften bewahrt, wie dies
auch zuvor erläutert
ist. Als nächstes
werden die Metallsilizidgebiete 252 auf der Grundlage gut
etablierter Silizidierungstechniken hergestellt. Im Anschluss daran
wird ein dielektri sches Zwischenschichtmaterial aufgebracht, das
ein verformungsinduzierendes dielektrisches Material zum Verbessern
des Leistungsverhaltens eines oder beider Transistoren 250a, 250b enthalten
kann. In einigen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt)
wird das dielektrische Zwischenschichtmaterial so strukturiert,
dass die obere Fläche
der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b frei liegt,
um das Material 214 zu entfernen und um ein gewünschtes
Metall einzufüllen,
etwa Aluminium, Wolfram und dergleichen.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente
und Fertigungstechniken bereit, in denen die Diffusion von schwellwerteinstellenden
Sorten in das dielektrische Material von Transistorelementen bei
geringeren Temperaturen und Dosiswerten im Vergleich zu konventionellen Strategien
möglich
ist. Die Materialeigenschaften können
durch eine nachfolgende Behandlung, etwa auf der Grundlage einer
Nitrierung oder einer anderen geeigneten Behandlung „bewahrt” werden,
wodurch die erforderliche bessere Stabilität während der weiteren Bearbeitung
erreicht wird. Während
der Diffusion der Deckschichten der Atomsorten in das dielektrische
Material können
die Sorten auch in eine Basisschicht bei Bedarf eingebaut werden,
wodurch dessen dielektrische Eigenschaften verbessert werden. Während der
nachfolgenden Behandlung zum Stabilisieren des empfindlichen Gatedielektrikumsmaterials
kann eine entsprechende Behandlung der Basisschicht erreicht werden,
indem etwa Stickstoff und dergleichen eingebaut wird. Nach dem Stabilisieren
der Materialeigenschaften des empfindlichen Dielektrikumsmaterials
kann somit die weitere Bearbeitung ausgeführt werden, indem ein einzelnes
metallenthaltendes Elektrodenmaterial aufgebracht wird, wodurch
die gesamte Prozesseffizienz höher
wird. In einigen Fällen
wird die Diffusion von Material in das Gatedielektrikumsmaterial
in einer frühen
Fertigungsphase auch auf siliziumdioxidbasierte Materialien angewendet,
wobei eine nachfolgende Behandlung, etwa eine Nitrierung, somit
die zuvor eingestellte Materialeigenschaften bewahrt. Daraufhin
wird ein „konventionelles” Elektrodenmaterial,
etwa Polysilizium, amorphes Silizium, Silizium/Germanium und dergleichen,
aufgebracht.
-
Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist dient
diese Beschreibung als lediglich der Anschauung und ist für die Zwecke
gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der
hierin offenbarten Lehre zu ermitteln. Selbstverständlich sind
die hierin gezeigten Formen des erfindungsgemäßen Konzepts als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
zu betrachten.