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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung komplexer integrierter Schaltungen mit aufwendigen Transistorelementen, die komplexe Gateelektrodenstrukturen enthalten, die wiederum ein komplexes Gatedielektrikum besitzen, etwa ein Gatedielektrikum mit großem ε, und ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung von modernen integrierten 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 wesentlich bestimmen. Im Allgemeinen wird eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell zur Herstellung von Feldeffekttransistoren eingesetzt, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen die MOS-Technologie 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 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, etwa einem Kanalgebiet, gebildet sind, das zwischen den stark dotierten Gebieten angeordnet ist. In einem Feldeffekttransistor ist 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 der Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in 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 die Gateelektrode aufzubauen, die Leitfähigkeit des leitenden Kanalgebiets wesentlich das Leistungsverhalten von MOS-Transistoren. Da die Geschwindigkeit des Erzeugens des Kanals, die von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und der Kanalwiderstand wesentlich die Transistoreigenschaften bestimmen, ist somit die Verringerung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung des Kanalwiderstands, was wiederum eine Zunahme des Widerstands auf Grund der geringeren Abmessungen bewirkt – ein wichtiges Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter Schaltungen zu erreichen.
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In der
WO 2009/072421 A1 wird ein Verfahren zur Herstellung eines CMOS-Bauteils mit einem n-Kanal-MOSFET und einem p-Kanal-MOSFET beschrieben, in dem ein Gatedielektrikumsmaterial mitr HfSiON Verwendung findet und amorphes Silizium mit implantiertem Aluminium über einem ersten aktiven Gebiet und amorphes Silizium mit implantiertem Magnesium über einem zweiten aktiven Gebiet gebildet wird und eine Diffusion des Aluminiums du Magnesiums durch eine Wärmebehandlung bewirkt wird.
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Gegenwärtig wird der Hauptanteil an integrierten Schaltungen auf der Grundlage von Silizium auf Grund der nahezu begrenzten Verfügbarkeit, den gut verstandenen Eigenschaften von Silizium und zugehörigen Materialien und Prozessen und auf Grund der Erfahrung hergestellt, die 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 wichtige Rolle des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolierung unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglicht somit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise während der Ausheizzyklen zum Aktivieren von Dotierstoffen und zum Ausheilen von Kristallschäden erforderlich sind, ohne dass die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche beeinträchtigt werden.
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Aus den zuvor genannten Gründen wird Siliziumdioxid vorzugsweise als Basismaterial für eine Gateisolastionsschicht in Feldeffekttransistoren eingesetzt, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium und metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets zunehmend verringert, um die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu verbessern. Da das Transistorverhalten durch die Spannung gesteuert ist, die der Gateelektrode zugeführt wird, um die Oberfläche des Kanalgebiets in eine ausreichend hohe Ladungsträgerdichte zu invertieren, um damit den gewünschten Durchlassstrom einer vorgegebenen Versorgungsspannung zu ermöglichen, ist eine gewisse kapazitive Kopplung beizubehalten, die durch den Kondensator erzeugt wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es stellt sich heraus, dass eine Verringerung der Kanallänge eine größere kapazitive Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom und zu einer sehr ausgeprägten Abhängigkeit der Schwellwertspannung der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer reduzierten Schwellwertspannung weisen eine exponentielle Zunahme 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. Z. B. erfordert eine Kanallänge von ungefähr 80 nm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistoren mit äußerst kurzem Kanal auf Hochgeschwindigkeitssignalwege beschränkt wird, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger kritische Schaltungsbereiche eingesetzt werden, etwa in Form von Speichertransistoren, erreicht 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 mehr mit den Erfordernissen für leistungsorientierte Schaltungen verträglich sind, selbst wenn nur Transistoren in geschwindigkeitskritischen Wegen auf der Grundlage eines äußerst dünnen Gateoxids hergestellt werden.
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Daher wurden diverse Maßnahmen vorgeschlagen, um die Isolationsfestigkeit und die wirksame Dielektrizitätskonstante des Siliziumdioxidmaterials zu erhöhen, etwa das Ausführen von Behandlungen auf der Grundlage von Stickstoff, um eine gewisse Menge an Stickstoff einzubauen. Obwohl diese Behandlungen des Oxidbasismaterials für ausgeprägte Verbesserungen sorgen, ist die weitere Reduzierung der Transistorabmessungen für künftige anspruchsvolle Vorgehensweisen erforderlich. Dazu wurde das Ersetzen des Siliziumdioxid als Material für Isolationsschichten in Betracht gezogen, insbesondere für extrem dünne siliziumdioxidbasierte Gateschichten. Möglich alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalisch größere Dicke einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung ergibt, die ansonsten durch eine extrem dünne siliziumdioxidbasierte Schicht erhalten würde. Es wurde daher vorgeschlagen, zumindest einen Teil des konventionellen Siliziumdioxids durch Materialien mit hoher 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), durch HfSiO, durch 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 erleidet, 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 höhere Kapazität auf der Grundlage der gleichen oder größeren Dicke als eine siliziumdioxidbasierte Schicht sorgt, wobei zusätzlich Leckströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits wird das nicht-Polysiliziummaterial, etwa Titannitrid und dergleichen, so hergestellt, dass es mit dem dielektrischen Material mit großem ε in Verbindung ist, wodurch das Auftreten einer Verarmungszone im Wesentlichen vermieden wird.
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Da die Schwellwertspannung komplexer Transistorelemente wesentlich von der Austrittsarbeit des Gateelektrodenmaterials abhängt, die wiederum im Wesentlichen durch die Eigenschaften des Gatedielektrikumsmaterials bestimmt ist, muss eine geeignete Anpassung der elektronischen Eigenschaften typischerweise vorgesehen werden, um die gewünschten Werte für die Austrittsarbeit für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren zu erreichen. Zu diesem Zweck werden typischerweise geeignete Metallsorten in der Nähe des Gatedielektrikumsmaterials vorgesehen und während einer geeigneten Fertigungsphase in Richtung des und in das Gatedielektrikumsmaterial hinein diffundiert, um einen gewünschten Wert der resultierenden Austrittsarbeit zu erreichen. Folglich sind unterschiedliche Metallsorten erforderlich, die in der Nähe des Gatedielektrikumsmaterials angeordnet werden müssen, was im Allgemeinen zu einer sehr komplexen Fertigungssequenz führt. Beispielsweise wird in einigen konventionellen Vorgehensweisen die Einstellung der Austrittsarbeit und die Ausbildung des eigentlichen Elektrodenmaterials in einer frühen Fertigungsphase bewerkstelligt, d. h. beim Strukturieren der Gateelektrodenstruktur, was zu einem sehr komplexen Schichtstapel führt, da eine Vielzahl von Diffusions- und Deckschichten in unterschiedlicher Zusammensetzung in den Gateelektroden von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren vorzusehen sind, und das erforderliche Diffundieren wird während der Hochtemperaturausheizprozesse in Gang gesetzt, die typischerweise beim Aktivieren der Dotiermitteln in den Drain- und Sourcegebieten und beim Rekristallisieren von durch Implantation hervorgerufenen Schäden angewendet werden. In anderen konventionellen Vorgehensweisen wird der Fertigungsprozess auf der Grundlage eines Gateschichtstapels mit deutlich geringerer Komplexität ausgeführt, indem Diffusions- und Deckschichten in der Gateelektrode weggelassen werden, wodurch eine im Wesentliche gleichmäßige Prozesssequenz im Hinblick auf n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren erreicht wird, wobei jedoch in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase die entsprechenden Platzhaltermaterialien, Polysilizium, entfernt werden und durch geeignete Metalle für die Austrittsarbeit und geeignete Elektrodenmetalle ersetzt werden müssen, die für die p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren unterschiedlich sind, wodurch ebenfalls eine sehr komplexe Prozesssequenz in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase erforderlich ist. Folglich ist das Weglassen zur Verringerung der Komplexität von Diffusionsschichten und Deckschichten in einer frühen Fertigungsphase, d. h. nach dem Bereitstellen des dielektrischen Materials mit großem ε, in einem sogenannten Austauschgateverfahren mit einer komplexen Prozesssequenz in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase verknüpft, wobei auch ausgeprägte Unregelmäßigkeiten und damit Transistorinstabilitäten während der Prozesssequenz zum Freilegen des Platzhaltermaterials, zum Entfernen dieses Materials und zum Bilden unterschiedlicher Arten an Austrittsarbeitsmetallen und metallenthaltenden Elektrodenmaterialien eingeführt werden können. Andererseits führt das Einstellen der Austrittsarbeit in einer sehr frühen Fertigungsphase zu einer sehr komplexen unterschiedlichen Struktur der Gateelektroden, wie dies mit Bezug zu 1 erläutert ist.
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1 zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Substrat 101, über welchem eine Halbleiterschicht 102 gebildet ist, in der ein erstes aktives Gebiet 102a und ein zweites aktives Gebiet 102b vorgesehen sind, die etwa durch eine Isolationsstruktur (nicht gezeigt) begrenzt sind. Typischerweise repräsentiert die Halbleiterschicht 102 ein Siliziummaterial, das in der gezeigten Fertigungsphase geeignete Dotierstoffe aufweist, um damit die grundlegenden Transistoreigenschaften, etwa die Leitfähigkeitsart und dergleichen, festzulegen. Ferner enthält das erste aktive Gebiet 102a, das einen p-Kanaltransistor enthält, ggf. zusätzlich zumindest teilweise über dem grundlegenden aktiven Gebiet 102a eine schwellwerteinstellende Halbleiterlegierung 102d, beispielsweise in Form eines Silizium/Germanium-Materials, um damit einen zusätzlichen Valenzbandabstand zu erzeugen, so dass eine gewünschte Schwellwertspannung in Verbindung mit der Austrittsarbeit erreicht wird, die für eine Gateelektrodenstruktur 135a einzustellen ist. Die Gateelektrodenstruktur 135a enthält ein Gatedielektrikumsmaterial 110, das ein „konventionelles” Gatedielektrikumsmaterial 111 in Form eines siliziumoxidbasierten Materials, etwa als Siliziumoxinitrid, und dergleichen enthalten kann, woran sich ein dielektrisches Material mit großem ε 112, etwa Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid und dergleichen, anschließt, wie dies auch zuvor erläutert ist. Ferner enthält die Gateelektrodenstruktur 135a mehrere Deck- und Diffusionsschichten, etwa eine Titannitridschicht 112 und eine Diffusionsschicht 123, die eine geeignete Metallsorte, etwa Aluminium, aufweist, woran sich eine weitere Deckschicht, d. h. eine Titannitridschicht 121, anschließt. Ferner ist eine weitere Diffusionsschicht 126, etwa eine Lanthanschicht, in Verbindung mit einer Titannitrid-Deckschicht 127 vorgesehen, wobei die Schichten 126, 127 Materialien repräsentieren, wie sie für eine Gateelektrodenstruktur 135b eines n-Kanaltransistors erforderlich sind, der in und über dem aktiven Gebiet 102b herzustellen ist. Schließlich enthält die Gateelektrodenstruktur 135a ein amorphes oder polykristallines Siliziummaterial 114 und 115, wobei dies von der gesamten Prozessstrategie abhängt. In ähnlicher Weise enthält die Gateelektrodenstruktur 135b die Gatedielektrikumsmaterialien 111 und 112, woran sich die Diffusionsschicht 126, d. h. die Lanthanschicht, in Verbindung mit der Titannitridschicht 127 anschließt, und worauf die Siliziumschichten 114 und 115 folgen. Auf Grund der mehreren Deckschichten und Diffusionsschichten besitzen folglich die Gateelektrodenstrukturen 135a, 135b eine sehr unterschiedliche Konfiguration, die durch die vorhergehenden Fertigungsprozesse hervorgerufen wird. D. h. typischerweise wird das Dielektrikumsmaterial 110 durch Oxidation und Abscheidetechniken in Verbindung mit anderen geeigneten Oberflächenbehandlungen und dergleichen vorgesehen, woran sich das Abscheiden eines Schichtsystems mit den Schichten 123, 122 und 121 anschließt, das nachfolgend selektiv von dem zweiten aktiven Gebiet 102b entfernt wird, indem eine Ätzmaske vorgesehen und die Materialien selektiv in Bezug auf das Gatedielektrikumsmaterial 110 abgetragen werden. Daraufhin werden die Schichten 126 und 127 aufgebracht, woran sich das Abscheiden der Siliziummaterialien 114 und 115 anschließt. Daraufhin wird eine sehr komplexe Strukturierungssequenz auf der Grundlage aufwendiger Lithographie- und Ätztechniken ausgeführt, wobei die Gateelektrodenstrukturen 135a, 135b sich in der Höhe und dem Aufbau unterscheiden, wodurch zu Prozess- und Bauteilvariabilitäten beigetragen wird. Beispielsweise werden in Halbleiterbauelementen mit einer Gatelänge, d. h. in 1 die horizontale Erstreckung der Gateelektrodenstrukturen 135a, 135b, von 40 nm und weniger Materialreste am Fuße der Gateelektrodenstruktur 135a beobachtet, während die Struktur 135b eine zusätzliche Unterschneidung abhängig von den entsprechenden Prozessbehandlungen erleidet. Beim Fortsetzen der weiteren Fertigungsprozesse zur Fertigstellung der Transistoren in und über den aktiven Gebieten 102a, 102b werden somit weitere verstärkte prozessabhängige Unregelmäßigkeiten eingeführt. Schließlich wird bei der Herstellung der Drain- und Sourcegebiete der nachfolgende Ausheizprozess zu einer Diffusion von Metallsorten der Schicht 123 in Richtung des Gatedielektrikumsmaterials 110 über die Deckschicht 123, um die gewünschte Austrittsarbeit zu erreichen, während in der Gateelektrodenstruktur 135 die Lanthansorte in der Schicht 126 in das dielektrische Material 110 diffundiert.
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Obwohl die mit Bezug zu 1 beschriebene Fertigungsstrategie prinzipiell zu komplexen Transistorelementen führt, erweist es sich, dass in der Massenproduktion prozessabhängige Unregelmäßigkeiten zu einem deutlichen Ausbeuteverlust beitragen, wodurch diese Vorgehensweise wenig wünschenswert ist.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Verfahren und Halbleiterbauelemente, in denen die Austrittsarbeit komplexer Gateelektrodenstrukturen in einer frühen Fertigungsphase eingestellt 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 Erfindung
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Techniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen die Austrittsarbeit und damit die Schwellwertspannung von Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeitsart auf der Grundlage geeigneter Diffusions- und Deckschichten eingestellt wird, die vor dem Bereitstellen eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials entfernt werden, das dann für beide Arten von Gateelektrodenstrukturen in einem gemeinsamen Prozess aufgebracht wird. Folglich wird die gleiche Konfiguration für die Gateelektrodenstrukturen von n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren erhalten, wodurch die Komplexität des Gatestrukturierungsprozesses deutlich verringert wird. Zu diesem Zweck wird ein Ausheizprozess auf der Grundlage der Deck- und Diffusionsschichten vor dem Abscheiden des Elektrodenmaterials ausgeführt und diese metallenthaltenden Materialien werden auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie, etwa durch nasschemische Ätzrezepte abgetragen, um damit ähnliche Bedingungen für das nachfolgende Abscheiden des Elektrodenmaterials möglicherweise in Verbindung mit einem Halbleitermaterial, etwa Silizium und dergleichen, zu schaffen. Beim geeigneten Dimensionieren von Materialeigenschaften der Deck- und Diffusionsschichten, etwa der Materialzusammensetzung, die Schichtdicke und dergleichen, wird ein geeigneter Grad an Flexibilität für das Einstellen der gewünschten Austrittsarbeiten erreicht, wobei auch unterschiedliche „Leistungsgrade” von an sich gleichen Transistoren bereitgestellt werden können, indem in geeigneter Weise die Zusammensetzung der Deck- und Diffusionsschichtstapel in unterschiedlichen Bauteilbereichen ausgewählt wird. Ferner wird in einigen hierin offenbarten anschaulichen Aspekten ein Halbleitermaterial durch ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase ersetzt, was in einer gemeinsamen Prozesssequenz bewerkstelligt werden kann, da die grundlegenden Transistoreigenschaften bereits in der frühen Fertigungsphase eingestellt wurden. Beim Festlegen der Werte für die Austrittsarbeit für unterschiedliche Transistorarten in einer frühen Fertigungsphase werden somit die Transistoreigenschaften im Hinblick auf die Schwellwertspannung von Prozessbedingungen entkoppelt, die während eines Ausheizprozesses zum Aktivieren der Drain- und Sourcegebiete angetroffen werden, die wiederum in sehr komplexen Anwendungen auf Grund des Erfordernisses für geringere Ausheiztemperaturen signifikante Prozessanpassungen für das Bereitstellen von Diffusions- und Deckschichten in konventionellen Strategien erfordern wurde, in denen die endgültige Schwellwerteinstellung auf der Grundlage der Ausheizprozesse für die Drain- und Source-Aktivierung bewerkstelligt wird.
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Ein erfindungsgemäßes Verfahren umfasst
Bilden eines Gatedielektrikumsmaterials über einem ersten aktiven Gebiet und einem zweiten aktiven Gebiet eines Halbleiterbauelements;
Bilden einer ersten Diffusionsschicht mit einer ersten Metallsorte selektiv über dem ersten aktiven Gebiet;
Bilden einer zweiten Diffusionsschicht mit einer zweiten Metallsorte über dem zweiten aktiven Gebet;
Ausführen einer Wärmebehandlung, um eine Diffusion der ersten Metallsorte von der ersten Diffusionsschicht mit der ersten Metallsorte in das Gatedielektrikumsmaterial über dem ersten aktiven Gebiet zu initiieren und um eine Diffusion der zweiten Metallsorte von der zweiten Diffusionsschicht mit der zweiten Metallsorte in das Gatedielektrikumsmaterial über dem zweiten aktiven Gebiet zu initiieren;
Entfernen von der ersten Diffusionsschicht mit der ersten Metallsorte und der zweiten Diffusionsschicht mit der zweiten Metallsorte, so dass das Gatedielektrikumsmaterial über dem ersten und zweiten aktiven Gebiet freigelegt wird;
Bilden eines Gateelektrodenmaterials über dem Gatedielektrikumsmaterial nach dem Entfernen des ersten und des zweiten metallenthaltenden Materials; und
Bilden einer ersten Gateelektrodenstruktur über dem ersten aktiven Gebiet und einer zweiten Gateelektrodenstruktur über dem zweiten aktiven Gebiet aus dem Gateelektrodenmaterial.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung 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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1 schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements mit komplexen Gateelektrodenstrukturen eines n-Kanaltransistors und eines p-Kanaltransistors zeigt, wobei mehrere Diffusions- und Deckschichten gemäß konventioneller Prozessstrategien (sogenannter interner Stand der Technik) vorgesehen sind;
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2a bis 2i schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung von Gateelektrodenstrukturen unterschiedlicher Transistorarten zeigen, indem die Schwellwertspannung vor dem Strukturieren der Gateelektrodenstruktur gemäß anschaulicher Ausführungsformen eingestellt wird; und
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3 und 4 schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigen, in denen Transistoren unterschiedlicher Endkonfiguration auf der Grundlage einer früh eingestellten Schwellwertspannung basierend auf einer Diffusion in Deckschichten erhalten wird, die vor dem Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen entfernt werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Techniken bereit, in denen empfindliche Gatedielektrikumsmaterialien so behandelt werden, dass diese eine geeignete Sorte zum Einstellen der Austrittsarbeit und somit der Schwellwertspannung und dergleichen vor dem eigentlichen Bilden der Gateelektrodenstrukturen erhalten, was bewerkstelligt werden kann, indem geeignete Materialien in Form von Diffusionsschichten und Deckschichten bereitgestellt werden, die es ermöglichen, dass entsprechende Metallsorten für die Austrittsarbeitseinstellung in das dielektrische Material diffundieren, das in Form eines dielektrischen Materials mit großem ε und/oder eines siliziumoxidbasierten Materials bereitgestellt wird, und indem diese Materialien vor dem eigentlichen Abscheiden eines Elektrodenmaterials, etwa eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials, möglicherweise in Verbindung mit einem Halbleitermaterial entfernt werden. Auf diese Weise kann die Austrittsarbeit grundsätzlich in einer frühen Fertigungsphase eingestellt werden, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, einen Gateschichtstapel zu erhalten der für beide Transistorarten im Wesentlichen den gleichen Aufbau besitzt, was somit zu besseren Prozessbedingungen während des nachfolgenden komplexen Strukturierungsprozesses führt. Somit können prozessabhängige Unregelmäßigkeiten verringert werden, wodurch dieser Ansatz sehr vorteilhaft für Massenproduktionsverfahren ist, da die gewünschten Transistoreigenschaften mit einem hohen Grade an Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit erreicht werden. Auf Grund der „Stabilisierung” der Eigenschaften der Austrittsarbeit in einer frühen Fertigungsphase mittels Diffusion und Anwendung eines Ausheizprozesses mit geeigneten Temperaturen kann ferner der Einfluss eines Ausheizprozesses zum Aktivieren der Drain- und Sourcegebiete verringert werden, wodurch ein gewisser Grad an Unabhängigkeit zwischen der Dotierstoffaktivierung und den Eigenschaften der Austrittsarbeit erreicht wird, was sehr vorteilhaft den Prozessstrategien, die geringere Ausheiztemperaturen in den Drain- und Sourcegebieten erfordern, da ausgeprägte Modifizierungen in der vorhergehenden Gatestrukturierungssequenz nicht erforderlich sind. Zu dem wird in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen ein gewünschtes metallenthaltendes Elektrodenmaterial oder ein anderes geeignetes Elektrodenmaterial in einer sehr späten Fertigungsphase auf der Grundlage weniger kritischer Prozessbedingungen eingebaut, da ein einzelnes Metall in beiden Transistoren verwendet werden kann, da deren grundlegenden Eigenschaften bereits in einer frühen Fertigungsphase festgelegt sind. Somit kann eine gewünschte hohe Leitfähigkeit der Gateelektrodenstrukturen erreicht werden, indem ein Platzhaltermaterial, etwa ein Siliziummaterial in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase ersetzt wird, ohne dass das Abscheiden unterschiedlicher Arten an Metallsorten erforderlich ist, wie dies typischerweise in konventionellen „Austauschgateverfahren” erforderlich ist.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2i, 3 und 4 werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1 verwiesen 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. Das Substrat 202 und die Halbleiterschicht 202 repräsentieren beliebige geeignete Materialien, um darüber und darin Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen herzustellen. Beispielsweise ist eine vergrabene isolierende Schicht auf einem im Wesentlichen kristallinen Substratmaterial ausgebildet, woran sich die Halbleiterschicht 202 anschließt, wodurch eine SOI-(Silizium-auf-Isolator)Konfiguration erzeugt wird. Das Halbleitermaterial 202 repräsentiert ein beliebiges geeignetes Material, etwa ein Siliziummaterial möglicherweise in Verbindung mit anderen Komponenten, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen, um die gewünschten Transistoreigenschaften einzustellen. Ferner begrenzt die Isolationsstruktur 202c lateral ein erstes aktives Gebiet 202a und ein zweites aktives Gebiet 202b in der Halbleiterschicht 202. Beispielsweise repräsentiert das erste aktive Gebiet 202a ein n-dotiertes Wannengebiet bzw. Potentialtopfgebiet, in und auf welchem ein p-Kanaltransistor während der weiteren Bearbeitung hergestellt wird. In ähnlicher Weise repräsentiert das aktive Gebiet 202b das aktive Gebiet eines n-Kanaltransistors. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die folgende Sequenz aus Prozessen ebenfalls auf eine Konfiguration angewendet werden kann, in der das aktive Gebiet 202a einen n-Kanaltransistor repräsentiert, während das aktive Gebiet 202b einen p-Kanaltransistor repräsentiert. Ferner enthält in der gezeigten Ausführungsform das aktive Gebiet 202a eine schwellwerteinstellende Halbleiterlegierung 202d beispielsweise in Form einer Silizium/Germanium-Legierung mit einer spezifizierten Dicke und Germaniumkonzentration, um einen erforderlichen Valenzbandabstand zu erzeugen, so dass in Verbindung mit einer geeigneten Austrittsarbeit, die in der nachfolgenden Fertigungssequenz einzustellen ist, die Schwellwertspannung eines Transistors, der in und über dem aktiven Gebiet 202a zu bilden ist.
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Ferner ist in der gezeigten Fertigungsphase ein Gatedielektrikumsmaterial 210 über dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet 202a, 202b gebildet, woran sich ein Schichtstapel 220 mit „Deckschichten” in Verbindung mit einer Diffusionsschicht 221 anschließt. In der gezeigten Ausführungsform enthält das dielektrische Material 210 eine dielektrische Basisschicht 211, etwa ein siliziumdioxidbasiertes Material in Form von Siliziumoxinitrid und dergleichen. Des weiteren ist eine dielektrische Materialschicht mit großem ε 212 in dem Gatedielektrikumsmaterial 210 vorgesehen. Zu diesem Zweck wird ein beliebiges geeignetes Material, wie es zuvor angegeben ist, als ein dielektrisches Material mit großem ε verwendet. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das dielektrische Material 210 in Form einer einzelnen Materialschicht vorgesehen werden kann oder drei oder mehr Teilschichten bei Bedarf aufweisen kann. Die Schichtstapel 220 umfasst die Deckschichten 223 und 222 in Form eines beliebigen geeigneten Materials, etwa als ein Titannitridmaterial, während die Diffusionsschicht 221 eine Metallsorte aufweist, die zum Einstellen der Austrittsarbeit einer über dem aktiven Gebiet 202a zu bildenden Gateelektrodenstruktur geeignet ist. Beispielsweise wird die Diffusionsschicht 221 in Form einer Aluminiumschicht oder einer Materialschicht mit einer hohen Konzentration an Aluminiumatomen bereitgestellt. Es sollte beachtet werden, dass die Diffusionseigenschaften während eines nachfolgenden Ausheizprozesses auf der Grundlage der Materialzusammensetzung und der Schichtdicke des Schichtstapels 220 eingestellt werden, der in einer anschaulichen Ausführungsform die Deckschicht 223 mit einer Dicke von 0 bis 3 nm aufweist, während die obere Deckschicht 222 mit einer Dicke von ungefähr 0 bis 10 nm vorgesehen ist. D. h., in einigen Fällen wird eine oder werden beide Schichten 222, 223 weggelassen, wenn dies als geeignet erachtet wird, während in anderen Fällen ein geeigneter Dickewert in den oben spezifizierten Bereichen in Abhängigkeit der Prozessparameter eines Ausheizprozesses ausgewählt wird, der noch auszuführen ist. Ferner besitzt die Diffusionsschicht eine Dicke von ungefähr 1 bis 2 nm für eine Materialschicht, die eine Aluminiumsorte enthält.
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Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach der Herstellung der Isolationsstruktur 202c wird das grundlegende Dotierstoffprofil der aktiven Gebiete 202a, 202b eingerichtet, indem geeignete Maskierungsschemata in Verbindung mit Implantationsprozessen angewendet werden. Daraufhin wird bei Bedarf die Halbleiterlegierung 202d selektiv auf dem aktiven Gebiet 202a erzeugt, was unter Anwendung selektiver epitaktischer Aufwachstechniken in Verbindung mit einem geeigneten Maskierungsschema zum Abdecken des aktiven Gebiets 202b während des Abscheideprozesses bewerkstelligt werden kann. Als nächstes wird das Gatedielektrikumsmaterial 210 in einer geeigneten Weise hergestellt, beispielsweise durch Ausführen eines Oxidationsprozesses zur Erzeugung eines siliziumoxidbasierten Basismaterials, während in anderen Fällen chemische Oxidationsprozesse, Abscheidung und dergleichen angewendet werden. Bei Bedarf werden weitere Oberflächenbehandlungen und dergleichen ausgeführt, um in geeigneter Weise die Zusammensetzung der Basisschicht 211 einzustellen, die eine Dicke von ungefähr 0,1 nm und weniger besitzen kann. Daraufhin wird das dielektrische Material mit großem ε unter Anwendung gut etablierter CVD-Techniken, physikalischer Dampfabscheidung (PVD) und dergleichen aufgebracht. Danach wird der Schichtstapel 220 auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken abgeschieden, in denen Abscheideparameter so gesteuert werden, dass gewünschte Materialzusammensetzungen und die Dicke erreicht werden, wie dies auch zuvor spezifiziert ist.
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2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung einer Ätzumgebung zum selektiven Entfernen des Schichtstapels 220 von dem aktiven Gebiet 202b auf der Grundlage einer Ätzmaske 231, etwa einer Lackmaske möglicherweise in Verbindung mit anderen geeigneten Materialien unterzogen wird. Der Ätzprozess 230 wird auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie ausgeführt, um den Schichtstapel 220, etwa unter Anwendung eines geeigneten nasschemischen Ätzrezepts auf der Grundlage einer Ammoniumperoxidmischung (APM) zu entfernen, die effizient Materialien, etwa Titannitrid und dergleichen in Verbindung mit der Diffusionsschicht 221 abträgt, während das dielektrische Material 210 den Ätzprozess anhält, da beispielsweise eine Vielzahl von dielektrischen Materialien mit großem ε eine ausgeprägte Ätzstoppeigenschaft in Bezug auf eine Vielzahl von Ätzrezepten zeigt. Somit wird das dielektrische Gatematerial 210, d. h. die Schicht 212 während des Ätzprozesses 230 freigelegt.
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2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einem weiteren Schichtstapel 225, der über den aktiven Gebieten 202a, 202b gebildet ist. Der Schichtstapel 225 besitzt einen beliebigen geeigneten Aufbau, um eine Diffusionssorte in einer Diffusionsschicht 226 möglicherweise in Verbindung mit einer oder mehreren zusätzlichen Deckschichten 227 bereitzustellen. Beispielsweise enthält die Schicht 226 eine Metallsorte, die eine geeignete Einstellung der Schwellwertspannung eines in und über dem aktiven Gebiet 202b herzustellenden Transistors ermöglicht. In einer Ausführungsform enthält die Diffusionsschicht 226 Lanthan, das einen geeigneten Kandidaten zum Einstellen der Austrittsarbeit in einem n-Kanaltransistor repräsentiert. Die zusätzliche Deckschicht 227 enthält Titannitrid oder eine andere geeignete Materialzusammensetzung. Im Hinblick auf Prozesstechniken zur Herstellung des Schichtstapels 225 sei auch auf den Schichtstapel 220 verwiesen.
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2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Schutzschicht 203, etwa aus Silizium oder einem anderen geeigneten Material, über dem Schichtstapel 225 gebildet. Zu beachten ist, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen die Schutzschicht 203 weggelassen wird, wenn dies zum Ausführen eines nachfolgenden Ausheizprozesses als geeignet erachtet wird. Ferner wird das Bauelement 200 einem Ausheizprozess 205 bei erhöhten Temperaturen im Bereich von ungefähr 800 bis 1200 Grad C unterzogen, während in anderen Fällen eine Temperatur von ungefähr 900 Grad C und höher angewendet wird. Während des Ausheizprozesses 205, der auf der Grundlage von RTA-(schnelles thermisches Ausheizen)Prozessbedingungen ausgeführt werden kann, während in anderen Fällen andere Ausheizstrategien eingesetzt werden, etwa lasergestützte Ausheizprozesse, blitzlichtbasierte Ausheizprozesse und dergleichen, wird die Diffusion bzw. die Verteilung der metallenthaltenden Sorte der Diffusionsschichten 221 und 226 in Gang gesetzt, so dass diese in Richtung und in das dielektrische Material 210 wandern. Folglich verteilt sich eine Sorte der Schicht 226, etwa Lanthan, effizient in das dielektrische Material 210 über dem aktiven Gebiet 202b, wohingegen eine entsprechende Lanthandiffusion in der Schicht 222 des Schichtstapels 220, der über dem aktiven Gebiet 202a gebildet ist, unterdrückt wird. Andererseits kann sich die Aluminiumsorte der Schicht 221 effizient in den Bereich des dielektrischen Materials 210 verteilen, der über dem aktiven Gebiet 202a angeordnet ist. Auf diese Weise kann die Schwellwertspannungseinstellung für unterschiedliche Transistorarten während des Ausheizprozesses 205 bewerkstelligt werden. Wie zuvor erläutert ist, können die Diffusionsbedingungen individuell für die Diffusionsschichten 221 und 226 angepasst werden, indem die Materialzusammensetzung und die Dicke geeignet ausgewählt werden und indem geeignete Materialien und Schichtdickenwerte für die Deckschichten 223 und 222 in dem Schichtstapel 220 und der Deckschicht 227 des Schichtstapels 225 ausgewählt werden. Beispielsweise wird die Diffusionsschicht 226 mit einer Dicke von ungefähr 0,1 bis 2 nm bereitgestellt, wenn etwa eine Lanthansorte betrachtet wird, während die Deckschicht 227 mit einer Dicke von 0 bis ungefähr 10 nm, etwa in Form des Titannitridmaterials vorgesehen wird.
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Beispielsweise übt die Dicke der Deckschicht 223 einen starken Einfluss auf das Diffusionsverhalten der Sorte in der Diffusionsschicht 221 aus, wodurch ebenfalls die schließlich erreichte Schwellwertspannung des entsprechenden Transistors wesentlich beeinflusst wird. Durch Verringern der Dicke der Schicht 223, wodurch die Menge der Metailsorte vergrößert wird, die im Bereich des dielektrischen Materials 210 über dem ersten aktiven Gebiet 202a eingebaut wird, wird eine günstigere Verschiebung der Schwellwertspannung von p-Kanaltransistoren erreicht. In ähnlicher Weise führt das Vergrößern der Dicke der Diffusionsschicht 221 zu einer größeren Menge an Metallsorte in dem Gatedielektrikumsmaterial 210 über dem aktiven Gebiet 202a, wodurch ebenfalls eine günstige Verschiebung der resultierenden Schwellwertspannung erreicht wird. Andererseits besitzt die Dicke der Deckschicht 222 keinen wesentlichen Einfluss in Bezug auf die Menge der Sorte in der Diffusionsschicht 221, die in das dielektrische Material 210 eingebaut wird, sondern stellt die „Diffusionsblockierwirkung” im Hinblick auf die Diffusionsschicht 226 ein, wodurch eine mehr oder minder effiziente Unterdrückung der Diffusion dieser Metallsorte in Richtung des Gatedielektrikumsmaterials 210 unterdrückt wird, die ansonsten die gewünschte Schwellwertspannung verschieben könnte. In ähnlicher Weise übt die Dicke der Diffusionsschicht 226 einen Einfluss auf die schließlich erreichte Menge an Metallsorte, etwa Lanthan, in dem Bereich des Gatedielektrikumsmaterials 210 aus, der über dem zweiten aktiven Gebiet 202b angeordnet ist, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, das Verschieben der endgültigen Schwellwertspannung einzustellen. Andererseits beeinflusst die Dicke der Deckschicht 227 das Diffusionsverhalten nicht wesentlich, es wird jedoch für eine bessere Integrität der darunter liegenden Materialien, etwa das Gatedielektrikumsmaterial 210, im Hinblick auf das Bereitstellen der Schutzschicht 203 bei Bedarf gesorgt.
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Durch das Vorsehen der Schichtstapel 220 und 225, welche Null bis mehrere Deckschichten in Verbindung mit den entsprechenden Diffusionsschichten 221 und 226 aufweisen, kann somit ein weiter Bereich an Schwellwertsspannungen in Bezug auf eine gegebene Parametereinstellung des Ausheizprozesses 205 eingestellt werden. Folglich können die Prozessparameter des Prozesses 205 so gewählt werden, dass eine ausreichende „Stabilisierung” der eingestellten Materialeigenschaften in dem Gatedielektrikumsmaterial 210 über dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet 202a, 202b erreicht wird, um den Einfluss von nachfolgenden Prozessschritten, etwa der Dotierstoffaktivierung und dergleichen, zu verringern. Die Schichtstapel 220 und/oder 225 können mit unterschiedlichen Eigenschaften, d. h. einer unterschiedlichen Art an Materialschichten, mit unterschiedlichen Dickenwerten, unterschiedlicher Materialzusammensetzung in diversen Bauteilbereichen, bereitgestellt werden, wodurch die Einstellung unterschiedlicher „Leistungsklassen” von Transistoren ermöglicht wird, indem unterschiedliche Schwellwertspannungen vorgesehen werden. Zu diesem Zweck wird ein geeignetes Maskierungsschema angewendet, indem beispielsweise ein gewisser Schichtstapel oder ein Teil davon in einigen Bauteilbereichen entfernt wird, während der Schichtstapel in anderen Bauteilbereichen beibehalten wird und indem eine oder mehrere weitere Schichtstapel bereitgestellt werden, wie dies zuvor mit den Schichtstapeln 220 und 225 beschrieben ist.
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In anderen Fällen wird der Ausheizprozess 205 unter Anwendung lokal unterschiedlicher Ausheizbedingungen ausgeführt, beispielsweise im Hinblick auf die Temperatur, was auf der Grundlage komplexer lasergestützter Techniken und dergleichen erfolgen kann, in denen der Energieeintrag lokal so variiert wird, dass unterschiedliche wirksame Ausheiztemperaturen und/oder Einwirkdauern erreicht werden. In anderen Fällen können die Eigenschaften der Schutzschicht 203 räumlich variieren, wodurch ebenfalls die lokalen Ausheizbedingungen während lasergestützter oder blitzlichtgestützter Ausheiztechniken variieren.
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Es sollte beachtet werden, dass während des Ausheizprozesses 205 auch die Eigenschaften der Basisschicht 211 eingestellt werden, indem eine entsprechende Metallsorte eingebaut wird, um die gewünschten Transistoreigenschaften festzulegen.
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2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es der Einwirkung einer Sequenz aus Prozessen 206 unterliegt, während welchem die Schutzschicht 203 und die Schichtstapel 225 und 220 (siehe 2d) entfernt werden, wodurch das Gatedielektrikumsmaterial 210 mit der unterschiedlichen Materialzusammensetzung über den aktiven Gebieten 202a, 202b, wie dies durch die Bereiche 210a, 210b angegeben ist, freigelegt werden. Während der Ätzsequenz 206 wird die Schutzschicht 203, falls diese vorgesehen ist, durch geeignete nasschemische Ätzrezepte, etwa in Form von Ammoniumwasserstoffperoxidmischung, TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) und dergleichen entfernt, woran sich geeignete nasschemische Ätzchemien anschließen, wie dies zuvor angegeben ist, wenn auf das selektive Entfernen der Schichtstapel 220 Bezug genommen wird.
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2f 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 210a, 210b mit unterschiedlichen Eigenschaften, ohne dass unterschiedliche Metalle für die Austrittsarbeit erforderlich sind, wie dies in konventionellen Vorgehensweisen der Fall ist, wodurch sich dann ein komplexerer Gateschichtstapel ergibt, wie dies auch zuvor mit Bezug zu 1 erläutert ist. Beispielsweise wird das gemeinsame Gateelektrodenmaterial 213 in Form von Titannitrid und dergleichen mit einer Dicke von 1 bis 10 nm bereitgestellt.
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2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine erste Gateelektrodenstruktur 235a auf dem aktiven Gebiet 202a gebildet und enthält das Gatedielektrikumsmaterial 210a, woran sich das Elektrodenmaterial 213 und ein weiteres Elektrodenmaterial 214 anschließt, das auch andere Materialien und dergleichen enthalten 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, woran sich das Elektrodenmaterial 213 und das weitere Elektrodenmaterial 214 anschließen. Das Material 214 kann ein Siliziummaterial, ein Silizium/Germanium-Material und dergleichen aufweisen, wie dies für die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 und für die gesamten gewünschten Bauteileigenschaften erforderlich ist. Zu beachten ist, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Material 214 durch ein gut leitendes Material, etwa ein Metall, in einer späteren Fertigungsphase ersetzt werden kann, d. h. nach dem Fertigstellen der grundlegenden Transistorkonfiguration in und über den aktiven Gebieten 202a, 202b.
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Das in 2g gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage geeigneter Prozesstechniken hergestellt werden, um das metallenthaltende Elektrodenmaterial 213 zu bilden und um das Material 214 abzuscheiden und nachfolgend den resultierenden Schichtstapel auf der Basis kompiexer Lithographie- und Ätztechniken zu strukturieren. Folglich sind während des Strukturierungsprozesses im Wesentlichen identische Schichtstapel zu behandeln, wodurch die gesamte Zuverlässigkeit und Gleichmäßigkeit der resultierenden Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b verbessert wird. Nach dem Strukturierungsprozess wird eine Schutzschicht 209 so gebildet, dass die Integrität von Seitenwänden der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b während der weiteren Bearbeitung bewahrt wird. Die Beschichtung 209 kann auf der Grundlage eines beliebigen geeigneten Materials, etwa Siliziumnitrid, und dergleichen, hergestellt werden.
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2h zeigt schematisch einen Teil der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b in detaillierterer Darstellung. Wie gezeigt, enthält die Gateelektrodenstruktur 235a die Basisschicht 211 in Verbindung mit dem dielektrischen Material mit großem ε 212, wobei zumindest die Schicht 212 darin eingebaut die Diffusionssorte, etwa Aluminium 262a aufweist, was in Verbindung mit der Halbleiterlegierung 202d zu einer geeigneten Schwellwertspannung für einen p-Kanaltransistor führt. In ähnlicher Weise enthält die Gateelektrodenstruktur 235b das dielektrische Material mit großem ε 212, das über der Basisschicht 211 gebildet ist, wobei eine Diffusionssorte 221a, etwa Lanthan und dergleichen, eingebaut ist, um die gewünschte Schwellwertspannung zu erhalten.
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Wie zuvor erläutert ist, sind bei Bedarf auch die Sorten 226a und 221a in der Basisschicht 211 eingebaut, wodurch ebenfalls dessen Eigenschaften modifiziert werden. Beispielsweise wird ein Siliziumdioxidmaterial in ein Silikat umgewandelt, wodurch die Dielektrizitätskonstante des Basismaterials 211 vergrößert wird.
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2i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein erster Transistor 250a auf der Basis der Gateelektrodenstruktur 235a ausgebildet und ein zweiter Transistor 250b ist auf der Grundlage der Gateelektrodenstruktur 235b gebildet. Wie zuvor erläutert ist, repräsentieren die Transistoren 250a, 250b ein p-Kanaltransistor bzw. einen n-Kanaltransistor und enthalten Drain- und Sourcegebiete 251 mit einem geeigneten vertikalen und lateralen Dotierstoffprofil gemäß 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 ausgebildet ist. Ferner sind Metallsilizidgebiete 252 in den Drain- und Sourcegebieten 251 vorgesehen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen enthält einer oder enthalten beide Transistoren 250a, 250b ein verformungsinduzierendes Halbleitermaterial 254, das in dem jeweiligen aktiven Gebiet eingebettet ist, wie dies beispielsweise für den Transistor 250a gezeigt ist, der eine Halbleiterlegierung 254 etwa in Form einer Silizium/Germanium-Legierung enthält, um damit eine kompressive Verformung in einem Kanalgebiet 253 zu erzeugen. In anderen Fällen wird ein entsprechendes Material, etwa eine Silizium/Kohlenstofflegierung und dergleichen, in dem Transistor 250b vorgesehen, um dessen Leistungsverhalten zu verbessern.
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Das in 2i gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesstechniken hergestellt werden. Nach dem Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b wird die Halbeiterlegierung 254 bei Bedarf durch gut etablierte Prozesstechniken hergestellt, in denen Aussparungen in dem aktiven Gebiet 202a erzeugt werden und dieser mit dem Material 254 auf der Grundlage selektiver epitaktischer Aufwachstechniken nachfolgend gefüllt werden. Daraufhin werden die Drain- und Sourcegebiete durch Ionenimplantation unter Anwendung der Abstandshalterstruktur 255 als eine Implantationsmaske hergestellt. Daraufhin wird ein Ausheizprozess ausgeführt auf Basis geeigneter Prozesstemperaturen, wobei in einer anschaulichen Ausführungsform die Ausheiztemperatur kleiner ist als 900 Grad C, so dass die thermische Stabilisierung der dielektrischen Materialien 210a, 210b, die zuvor erreicht wurde, wie dies auch zuvor beschrieben ist, für stabile Transistoreigenschaften sorgt, selbst wenn Ausheizparameter während der Drain- und Soureaktivierung für die Herstellung von Halbleiterbauelementen mit anderen Eigenschaften anders eingestellt werden muss. In ähnlicher Weise beeinflussen bei der Herstellung der Halbleiterlegierung 254 die entsprechenden Temperaturen die Eigenschaften der Gatedielektrikumsmaterialien 210a, 210b nicht wesentlich.
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3 zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b Metallsilizidgebiete 216 aufweisen, die gemeinsam mit dem Metallsilizidgebieten 252 hergestellt werden, oder die in einer separaten Prozesssequenz gebildet werden. In diesem Falle können die Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b auf der Grundlage einer im Wesentlichen identischen Struktur hergestellt werden, wobei in einer abschließenden Phase der Fertigstellung der Transistorkonfiguration folglich der Kontaktwiderstand weiter verringert werden kann, indem die Metallsilizidgebiete 216 vorgesehen werden.
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4 zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen, in denen ein Teil eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials so vorgesehen wird, dass dieses die Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b lateral einschließt. Das dielektrische Zwischenschichtmaterial kann ein erstes dielektrisches Material, etwa ein Siliziumnitridmaterial, ein stickstoffenthaltendes Siliziumkarbidmaterial und dergleichen aufweisen, das in einem stark verspannten Zustand zumindest lokal bei Bedarf vorgesehen werden kann. Ein zweites Material 262, etwa ein Siliziumdioxidmaterial und dergleichen, kann ebenfalls vorgesehen sein. Ferner unterliegt das Bauelement 200 der Einwirkung einer Ätzumgebung 263, um das Elektrodenmaterial 214 (siehe 2i) selektiv abzutragen, was durch gut etablierte Ätzrezepte, beispielsweise auf der Grundlage von TMAH und dergleichen, bewerkstelligt werden kann. Zu diesem Zweck ist das dielektrische Zwischenschichtmaterial auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt, woran sich eine Einebnungssequenz zum Freilegen der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b anschließt, um den Ätzprozess 263 auszuführen. Während des Prozesses 263 dient das metallenthaltende Elektrodenmaterial 213 als ein effizientes Ätzstoppmaterial, wodurch die Integrität der dielektrischen Schichtbereiche 210a, 210b beibehalten wird. Daraufhin wird ein weiteres leitendes Elektrodenmaterial eingefüllt, wie dies durch die gestrichelten Linien 236 angegeben ist, um eine bessere Gesamtleitfähigkeit der Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b zu erhalten. Somit besitzen die Gateelektrodenstrukturen 235a, 235b eine sehr ähnliche Konfiguration, d. h. die dielektrischen Gatematerialien 210a, 210b gefolgt von dem ersten metallenthaltenden Elektrodenmaterial 213 und einen zweiten sehr gut leitenden Elektrodenmaterial, etwa ein metallenthaltendes Material 236.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken bereit, in denen die Diffusion von Metallsorten zur Austrittsarbeitseinstellung vor dem eigentlichen Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen erfolgt. Zu diesem Zweck werden entsprechende Diffusionsschichten und Deckmaterialien nach dem Ausheizprozess entfernt und werden durch ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial ersetzt, das für beide Transistorarten gemeinsam bereitgestellt wird. Somit kann die weitere Abscheidung von weiteren Gatematerialien und deren Strukturierung auf der Grundlage von im Wesentlichen den gleichen Bedingungen für n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren ausgeführt werden.