DE102011079919A1 - Method for manufacture of complementary transistors, involves forming gate electrode structure of n-channel and p-channel transistors with specific critical dimensions on another substrate - Google Patents
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Abstract
Bei der Herstellung komplexer Transistoren, die Gateelektrodenstrukturen mit einem Dielektrikum mit großem ε sowie ein eingebettetes verformungsinduzierendes Halbleitermaterial in den p-Kanaltransistoren aufweisen, wird die negative Auswirkung der ausgeprägten Oberflächentopographie in den Isolationsgebieten im Hinblick auf das Freilegen von Endbereichen von Gateelektrodenstrukturen von n-Kanaltransistoren dadurch vermieden, dass der laterale Abstand zwischen zwei fluchtenden Gateelektrodenstrukturen über dem Isolationsgebiet vergrößert wird, so dass bei einer Strukturierung einer weiteren Lackmaske das Freilegen des Endbereichs der Gateelektrodenstruktur insbesondere des n-Kanaltransistors zuverlässig vermieden wird.In the fabrication of complex transistors having high-k dielectric gate electrode structures and an embedded strain-inducing semiconductor material in the p-channel transistors, the negative effect of the pronounced surface topography in the isolation regions on the exposure of end regions of gate electrode structures of n-channel transistors is thereby eliminated avoided that the lateral distance between two aligned gate electrode structures is increased over the isolation region, so that when structuring a further resist mask, the exposure of the end region of the gate electrode structure in particular of the n-channel transistor is reliably avoided.
Description
Generell betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung modernster integrierter Schaltungen mit fortschrittlichen Transistoren, die Gatestrukturen mit einem Gatedielektrikumsmaterial mit großem ε enthalten.In general, the present invention relates to the fabrication of state-of-the-art integrated circuits with advanced transistors that include gate structures with a high-k gate dielectric material.
Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASICS (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen macht es erforderlich, dass eine große Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau hergestellt wird. In sehr vielen Arten von integrierten Schaltungen sind Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen, die im Wesentlichen das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen bestimmen. Generell wird eine Vielzahl an Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, um Feldeffekttransistoren herzustellen, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen die CMOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen ist auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung der CMOS-Technologie werden Millionen Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und 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, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche aus stark dotierten Gebieten, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, und einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet, gebildet sind, etwa einem Kanalgebiet, das benachbart zu 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 angeordnet 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 u. a. von der Beweglichkeit der Ladungsträger in dem Kanalgebiet ab.The manufacture of advanced integrated circuits such as CPUs, memory devices, ASICS (Application Specific Integrated Circuits) and the like requires that a large number of circuit elements be fabricated on a given chip area according to a specified circuit configuration. In very many types of integrated circuits, field effect transistors are an important type of circuit element that essentially determines the performance of integrated circuits. In general, a variety of process technologies are currently used to fabricate field effect transistors, with CMOS technology being one of the most promising approaches for many types of complex circuits due to their good performance in terms of operating speed and / or power consumption and / or cost efficiency. During the fabrication of complex integrated circuits using CMOS technology, millions of transistors, i. H. n-channel transistors and p-channel transistors, fabricated on a substrate having a crystalline semiconductor layer. Regardless of whether an n-channel transistor or a p-channel transistor is considered, a field effect transistor includes so-called pn junctions which are defined by an interface of heavily doped regions, referred to as drain and source regions, and a lightly doped or undoped one Area, are formed, such as a channel region, which is adjacent to the heavily doped areas. In a field effect transistor, the conductivity of the channel region, i. H. the forward current of the conductive channel is controlled by a gate electrode disposed adjacent to the channel region and separated therefrom by a thin insulating layer. The conductivity of the channel region in the construction of a conductive channel due to the application of a suitable control voltage to the gate electrode depends u. a. from the mobility of the charge carriers in the channel region.
Die stetige Verringerung kritischer Abmessungen von Transistoren hat zu einer Gatelänge von Feldeffekttransistoren von 50 nm und deutlich weniger geführt, wodurch komplexe Halbleiterbauelemente mit verbessertem Leistungsverhalten und einer erhöhten Packungsdichte bereitgestellt werden. Die Zunahme des elektrischen Leistungsvermögens der Transistoren ist mit der Verringerung der Kanallänge verknüpft, was zu einem erhöhten Durchlassstrom und zu einer erhöhten Schaltgeschwindigkeit der Feldeffekttransistoren führt. Andererseits ist die Verringerung der Kanallänge mit einer Reihe von Problemen behaftet im Hinblick auf die Kanalsteuerbarkeit und die statischen Leckströme dieser Transistoren. Es ist gut bekannt, dass Feldeffekttransistoren mit einem sehr kurzen Kanal eine erhöhte kapazitive Kopplung zwischen der Gateelektrodenstruktur und dem Kanalgebiet erfordern, um damit die gewünschte Steuerbarkeit des statischen und dynamischen Stromflusses zu erreichen. Typischerweise wird die kapazitive Kopplung erhöht, indem die Dicke des Gatedielektrikumsmaterials verkleinert wird, das typischerweise auf der Grundlage eines Siliziumdioxidbasismaterials möglicherweise in Verbindung mit Stickstoff auf Grund der günstigen Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche hergestellt wird. Beim Einrichten einer Kanallänge in der zuvor genannten Größenordnung erreicht die Dicke des siliziumdioxidbasierten Gatedielektrikumsmaterials Werte von 1,5 nm und weniger, was wiederum zu ausgeprägten Leckströmen auf Grund eines direkten Tunnels der Ladungsträger durch das sehr dünne Gatedielektrikumsmaterial führt. Da die exponentielle Zunahme der Leckströme bei einer weiteren Verringerung der Dicke von siliziumdioxidbasierten Gatedielektrikumsmaterialien nicht mit den thermischen Entwurfsleistungsanforderungen verträglich ist, wurden andere Mechanismen entwickelt, um das Transistorleistungsvermögen zu verbessern und/oder um die gesamten Transistorabmessungen zu verringern.The steady reduction in critical dimensions of transistors has resulted in a gate length of field effect transistors of 50 nm and significantly less, providing complex semiconductor devices with improved performance and increased packing density. The increase in the electrical performance of the transistors is associated with the reduction in channel length, resulting in increased forward current and increased switching speed of the field effect transistors. On the other hand, the reduction of the channel length has a number of problems with regard to the channel controllability and the static leakage currents of these transistors. It is well known that very short channel field effect transistors require increased capacitive coupling between the gate electrode structure and the channel region to achieve the desired controllability of static and dynamic current flow. Typically, the capacitive coupling is increased by decreasing the thickness of the gate dielectric material typically fabricated based on a silica base material, possibly in combination with nitrogen, due to the favorable properties of a silicon / silicon dioxide interface. When establishing a channel length of the order of magnitude mentioned above, the thickness of the silicon dioxide-based gate dielectric material reaches values of 1.5 nm and less, which in turn leads to pronounced leakage currents due to a direct tunneling of the carriers through the very thin gate dielectric material. Since the exponential increase in leakage currents, while further reducing the thickness of silicon dioxide-based gate dielectric materials, is not compatible with thermal design performance requirements, other mechanisms have been developed to improve transistor performance and / or reduce overall transistor dimensions.
Beispielsweise kann durch das Erzeugen einer gewissen Verformung in dem Kanalgebiet von siliziumbasierten Transistorelementen die Ladungsträgerbeweglichkeit und somit die gesamte Leitfähigkeit des Kanals erhöht werden. Für ein Siliziummaterial mit einer standardmäßigen Kristallkonfiguration, d. h. einer (100) Oberflächenorientierung und einer Ausrichtung der Kanallängsrichtung entlang einer <110> äquivalenten Richtung, kann eine Zugverformung in der Stromflussrichtung die Leitfähigkeit der Elektronen verbessern, wodurch das Transistorverhalten von n-Kanaltransistoren verbessert wird. Andererseits steigert das Erzeugen einer kompressiven Verformung in der Stromflussrichtung die Beweglichkeit von Löchern und sorgt somit für eine bessere Leitfähigkeit von p-Kanaltransistoren. Es wurde daher eine Vielzahl an verformungsinduzierenden Mechanismen in der Vergangenheit entwickelt, die an sich bereits eine sehr komplexe Fertigungssequenz zum Einrichten dieser Techniken erfordern. Bei einer weiteren Größenreduzierung der Bauelemente sind „interne” verformungsinduzierende Quellen, etwa in Form eines eingebetteten verformungsinduzierenden Halbleitermaterials sehr effiziente verformungsinduzierende Mechanismen. Beispielsweise wird häufig der Einbau einer kompressiven verformungsinduzierenden Silizium/Germanium-Legierung in die Drain- und Sourcebereiche von p-Kanaltransistoren angewendet, um das Leistungsverhalten dieser Transistoren zu verbessern. Zu diesem Zweck werden in einer frühen Fertigungsphase Aussparungen in dem aktiven Gebiet lateral benachbart zu der Gateelektrodenstruktur des p-Kanaltransistors hergestellt, während die n-Kanaltransistoren durch eine Abstandshalterschicht abgedeckt sind. Diese Aussparungen werden nachfolgend mit der Silizium/Germanium-Legierung auf der Grundlage selektiver epitaktischer Aufwachstechniken aufgefüllt. Während des Ätzprozesses zur Herstellung der Aussparungen und während des nachfolgenden epitaktischen Aufwachsprozesses muss die Gateelektrode des p-Kanaltransistors eingeschlossen werden, um nicht in unerwünschter Weise empfindliche Materialien der Gateelektrodenstruktur, etwa siliziumbasiertes Elektrodenmaterial, den Einwirkungen der Prozessumgebung zur Herstellung der Aussparungen und selektiven Aufwachsen der Silizium/Germaniumlegierung auszusetzen. Daraufhin werden die Gateelektrodenstrukturen freigelegt und die weitere Bearbeitung wird fortgesetzt, indem Drain- und Sourcegebiete gemäß einer geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden.For example, by creating some strain in the channel region of silicon-based transistor elements, the charge carrier mobility and thus the overall conductivity of the channel can be increased. For a silicon material having a standard crystal configuration, ie, (100) surface orientation and channel lengthwise orientation along a <110> equivalent direction, tensile strain in the current flow direction can improve the conductivity of the electrons, thereby improving transistor performance of n-channel transistors. On the other hand, creating a compressive strain in the current flow direction increases the mobility of holes and thus provides better conductivity of p-channel transistors. Thus, a variety of deformation-inducing mechanisms have been developed in the past, which in themselves require a very complex manufacturing sequence to set up these techniques. With further size reduction of the devices, "internal" strain-inducing sources, such as an embedded strain-inducing semiconductor material, are very efficient strain-inducing mechanisms. For example, the incorporation of a compressive strain-inducing silicon / germanium alloy into the drain and source regions of p-channel transistors is often used to improve the performance of these To improve transistors. For this purpose, in an early manufacturing stage, recesses are made in the active area laterally adjacent to the gate electrode structure of the p-channel transistor, while the n-channel transistors are covered by a spacer layer. These recesses are subsequently filled with the silicon / germanium alloy based on selective epitaxial growth techniques. During the etch process for making the recesses and during the subsequent epitaxial growth process, the gate electrode of the p-channel transistor must be included to avoid undesirably sensitive gate electrode structure materials such as silicon-based electrode material, the process environment for making the recesses, and selectively growing the silicon / Germanium alloy. Thereafter, the gate electrode structures are exposed and further processing is continued by making drain and source regions according to a suitable process strategy.
Grundsätzlich ist der zuvor beschriebene verformungsinduzierende Mechanismus ein sehr effizientes Konzept zur Verbesserung des Transistorleistungsverhaltens von p-Kanaltransistoren, wobei die Wirksamkeit der schließlich erreichten Verformung in dem Kanalgebiet des Transistors jedoch wesentlich von dem internen Verformungspegel der Halbleiterlegierung und von dem lateralen Abstand dieses Materials von dem Kanalgebiet abhängt. Typischerweise ist die Materialzusammensetzung von der verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung durch die aktuelle verfügbaren komplexen selektiven epitaktischen Abscheiderezepte beschränkt, wobei dies im Falle einer Silizium/Germaniumlegierung gegenwärtig Germaniumkonzentrationen von mehr als ungefähr 30 Atomprozent nicht zulässt. Folglich erfordert eine weitere Erhöhung der Gesamtverformung in dem Kanalgebiet eine Verringerung des lateralen Abstandes der Silizium/Germanium-Legierung von dem Kanalgebiet, so dass schützende Abstandshalterstrukturen mit einer geringeren Breite vorzusehen sind.Basically, the deformation-inducing mechanism described above is a very efficient concept for improving the transistor performance of p-channel transistors, but the efficiency of the ultimate deformation in the channel region of the transistor is significantly different from the internal strain level of the semiconductor alloy and the lateral distance of this material from the channel region depends. Typically, the material composition of the strain-inducing semiconductor alloy is limited by the currently available complex selective epitaxial deposition recipes, which in the case of a silicon / germanium alloy currently does not permit germanium concentrations greater than about 30 atomic percent. Thus, further increasing the overall strain in the channel region requires a reduction in the lateral spacing of the silicon-germanium alloy from the channel region so that protective spacer structures having a smaller width are to be provided.
Zusätzlich zum Vorsehen von verformungsinduzierenden Mechanismen in komplexen Feldeffekttransistoren wurden auch komplexe Gateelektrodenmaterialien vorgeschlagen, um die Beschränkungen im Hinblick auf konventionelle Gateelektrodenstrukturen auf Siliziumdioxid/Polysiliziumbasis zu überwinden. Dazu wird das konventionelle siliziumdioxidbasiete Dielektrikumsmaterial zumindest teilweise durch ein sogenanntes dielektrisches Material mit großem ε ersetzt, d. h. durch ein dielektrisches Material mit einer Dielektrizitätskonstante von 10,0 oder höher, was zu einer gewünschten hohen Kapazität zwischen der Gateelektrode und dem Kanalgebiet führt, wobei dennoch eine gewisse minimale physikalische Dicke beibehalten wird, um die resultierenden Leckströme auf einem akzeptablen Niveau zu halten. Zu diesem Zweck sind viele dielektrische Materialien, etwa hafniumoxidbasierten Materialien, Zirkonoxid, Aluminiumoxid und dergleichen, verfügbar und können in komplexen Gateelektrodenstrukturen eingesetzt werden. Ferner wird das Polysiliziummaterial ebenfalls zumindest in der Nähe des Gatedielektrikumsmaterials ersetzt, da typischerweise Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe des Gatedielektrikumsmaterials zeigt, was zu einer Verringerung der wirksamen Kapazität führt. Ferner ist in komplexen Gatedielektrikumsmaterialien mit großem ε die Austrittsarbeit standardmäßiger Polysiliziummaterialien, die durch eine entsprechende Dotierung erzeugt wird, nicht mehr ausreichend, um die erforderlichen elektronischen Eigenschaften des Gateelektrodenmaterials, d. h., eine gewünschte Schwellwertspannung der betrachteten Transistoren, zu erreichen. Aus diesem Grunde werden spezielle austrittsarbeitseinstellende Metallsorten, etwa Aluminium, Lanthan, und dergleichen typischerweise in das Dielektrikumsmaterial und/oder in ein geeignetes Elektrodenmaterial eingebaut, um damit eine gewünschte Austrittsarbeit zu erreichen und um die Leitfähigkeit des Gateelektrodenmaterials zumindest in der Nähe des Gatedielektrikumsmaterials zu erhöhen.In addition to providing strain-inducing mechanisms in complex field effect transistors, complex gate electrode materials have also been proposed to overcome the limitations of conventional silicon dioxide / polysilicon based gate electrode structures. For this, the conventional silicon dioxide-based dielectric material is at least partially replaced by a so-called high-k dielectric material, i. H. by a dielectric material having a dielectric constant of 10.0 or higher, resulting in a desired high capacitance between the gate electrode and the channel region, while still maintaining a certain minimum physical thickness to maintain the resulting leakage currents at an acceptable level. For this purpose, many dielectric materials, such as hafnium oxide based materials, zirconia, alumina and the like, are available and can be used in complex gate electrode structures. Further, the polysilicon material is also replaced at least in the vicinity of the gate dielectric material, since polysilicon typically exhibits charge carrier depletion in the vicinity of the gate dielectric material, resulting in a reduction in effective capacitance. Further, in complex high-k gate dielectric materials, the work function of standard polysilicon materials produced by appropriate doping is no longer sufficient to provide the required electronic properties of the gate electrode material, i. h., To achieve a desired threshold voltage of the considered transistors. For this reason, special work function adjusting metals, such as aluminum, lanthanum, and the like are typically incorporated into the dielectric material and / or a suitable electrode material to achieve a desired work function and to increase the conductivity of the gate electrode material at least in the vicinity of the gate dielectric material.
Es wurden daher viele komplexe Prozessstrategien entwickelt, wobei in einigen vielversprechenden Vorgehensweisen die komplexen Gatematerialien, etwa ein dielektisches Material mit großem ε und ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial, die möglicherweise eine austrittsarbeitsmetallenthaltende Metallsorte enthalten, in einer frühen Fertigungsphase in Verbindung mit einem Polysiliziummaterial vorgesehen werden, wodurch ein hohes Maß an Kompatibilität zu konventionellen Prozessstrategien für die Herstellung komplexer Feldeffekttransistoren beibehalten wird. Es zeigt sich jedoch, dass ein zuverlässiger Einschluss des empfindlichen Materialsystems, das das dielektrische Material mit großem ε und das metallenthaltende Elektrodenmaterial enthält, sichergestellt werden muss, um damit eine Verschiebung der Schwellwertspannung oder andere Instabilitäten der komplexen Metallgateelektroden mit großem ε während der weiteren Verarbeitung zu vermeiden.Therefore, many complex process strategies have been developed, and in some promising approaches, the complex gate materials, such as a high-k dielectic material and a metal-containing electrode material, possibly containing a workfunction metal-containing metal species, are provided in an early manufacturing stage in conjunction with a polysilicon material maintain high level of compatibility with conventional process strategies for the fabrication of complex field effect transistors. However, it has been found that reliable confinement of the sensitive material system including the high-k dielectric material and the metal-containing electrode material must be ensured to allow for shift of the threshold voltage or other instabilities of the large-metal complex metal gate electrodes during further processing avoid.
In einem Versuch, das Bauteilverhalten komplexer Feldeffekttransistoren weiter zu verbessern, wurde vorgeschlagen, komplexe Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε mit einem verformungsinduzierenden Mechanismus zu kombinieren, beispielsweise mit dem Einbauen einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung in die aktiven Gebiete der Transistoren. In diesem Falle muss die Einkapselung der Gateelektrodenstruktur des Transistors, der den Einbau einer eingebetteten verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung erfordert, auf der Grundlage sich gegenseitig widersprechender Anforderungen eingerichtet werden. Einerseits muss der Einschluss der Gateelektrodenstruktur die Integrität des empfindlichen Materialsystems beispielsweise vor, während und nach dem Einbau des verformungsinduzierenden Halbleitermaterials sicherstellen und andererseits ist eine geringere Dicke jeglicher schützender Abstandshalterelemente, etwa in Form siliziumnitridbasierter Materialien, im Hinblick auf das Verbessern der Wirksamkeit des verformungsinduzierenden Mechanismus wünschenswert. Folglich wird typischerweise ein Kompromiss zwischen der Dicke der Abstandshalterelemente und dem Zugewinn an Leistungsvermögen komplexer Transistoren angewendet.In an attempt to further improve the device performance of complex field-effect transistors, it has been proposed to combine complex high-k gate metal electrode structures with a strain-inducing mechanism, such as incorporating a strain-inducing semiconductor alloy into the active regions of the transistors. In this case, the encapsulation of the gate electrode structure of the transistor must be embedded Deformation-inducing semiconductor alloy requires to be set up on the basis of mutually conflicting requirements. On the one hand, the inclusion of the gate electrode structure must ensure the integrity of the sensitive material system, for example, before, during and after incorporation of the strain-inducing semiconductor material, and on the other hand, a smaller thickness of any protective spacer elements, such as silicon nitride-based materials, is desirable in terms of improving the effectiveness of the strain inducing mechanism , As a result, a compromise is typically made between the thickness of the spacer elements and the gain in complex transistor performance.
Generell sind die zuvor genannten Strategien, d. h. der Einbau eines verformungsinduzierenden Halbleitermaterials in die p-Kanaltransistoren und das Vorsehen von Gateelektrodenstrukturen mit einem Dielektrikum mit großem ε, sehr vielversprechende Vorgehensweisen, um die Leistungsfähigkeit der resultierenden Transistoren zu verbessern. Bei einer weiteren Verringerung der Strukturgrößen, d. h. der Gatelänge der Transistoren zeigt sich jedoch, dass eine erhöhte Ausfallrate beobachtet wird, so dass die höhere Leistungsfähigkeit der einzelnen Transistoren durch die geringere Ausbeute in der Massenproduktion deutlich beeinträchtigt wird. Mit Bezug zu den
Häufig werden in dem n-Kanaltransistor
Es sollte also beachtet werden, dass die Schicht oder der Schichtstapel
Das Halbleiterbauelement
Nach Entfernen der entsprechenden Hartmaske an dem Gebiet
Daraufhin werden geeignete Reinigungsprozesse ausgeführt, um schließlich das Material
Es sollte beachtet werden, dass also auf Grund des Einbaus des Materials
Daraufhin wird typischerweise die Verarbeitung fortgesetzt, indem die Abstandshalterschicht
Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erklärung einschränken zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass diese erhöhte Wahrscheinlichkeit des Freilegens insbesondere der Abstandshalter
Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation ist es daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Mittel anzugeben, um komplexe Transistoren mit Gateelektrodenstrukturen mit einem Dielektrikum mit großem ε bereitzustellen, wobei eines oder mehrere der zuvor genannten Probleme verhindert oder in der Wirkung abgeschwächt werden sollen.In view of the situation described above, it is therefore an object of the present invention to provide means for providing complex transistors with high-k dielectric with gate electrode structures, wherein one or more of the aforementioned problems are to be prevented or alleviated in effect.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Herstellung von komplementären Transistoren. Das Verfahren umfasst das Bestimmen des Grades an Freilegung eines Endbereiches einer Gateelektrodenstruktur eines n-Kanaltransistors nach Erzeugung einer Lackmaske, die den n-Kanaltransistor abdeckt und einen benachbarten p-Kanaltransistor auf einem ersten Substrat freilässt. Das Verfahren umfasst ferner das Bestimmen einer kritischen Abmessung, die den Abstand in einer Transistorenbreitenrichtung der Gateelektrodenstruktur des n-Kanaltransistors zu einer Gateelektrodenstruktur des benachbarten p-Kanaltransistors festlegt unter Berücksichtigung des bestimmten Grades an Freilegung des Endbereichs. Schließlich umfasst das Verfahren das Bilden der Gateelektrodenstrukturen des n-Kanaltransistors und des benachbarten p-Kanaltransistors mit der bestimmten kritischen Abmessung auf einem zweiten Substrat.According to one aspect of the present invention, the aforementioned object is achieved by a method for producing complementary transistors. The method includes determining the degree of exposure of an end region of a gate electrode structure of an n-channel transistor after generating a resist mask that covers the n-channel transistor and exposes an adjacent p-channel transistor on a first substrate. The method further includes determining a critical dimension that defines the distance in a transistor width direction of the gate electrode structure of the n-channel transistor to a gate electrode structure of the adjacent p-channel transistor, taking into account the determined degree of exposure of the end region. Finally, the method includes forming the gate electrode structures of the n-channel transistor and the adjacent p-channel transistor of the determined critical dimension on a second substrate.
Erfindungsgemäß wird also der Abstand zwischen zwei Gateelektrodenstrukturen über einem Isolationsgebiet auf der Grundlage von Daten festgelegt, die im Wesentlichen den Grad der Beeinflussung einer Lackmaske beschreiben, die etwa zum Abdecken des n-Kanaltransistors und der dazugehörigen Gateelektrodenstrukturen verwendet wird. Damit kann also die laterale Abmessung der Gateelektrodenstrukturen in der Transistorbreitenrichtung in geeigneter Weise so eingestellt werden, dass beispielsweise die bei der Strukturierung der Lackmaske hervorgerufene Materialerosion des Lackmaterials so berücksichtigt wird, dass eben keine Freilegung des Endbereichs der Gateelektrodenstruktur des n-Kanaltransistors erfolgt. Auf diese Weise wird auch die Gefahr einer Materialerosion einer schützenden Abstandshalterstruktur oder einer Materialschicht deutlich verringert, so dass insgesamt die Integrität des empfindlichen Materialsystems in der Gateelektrodenstruktur bewahrt wird.According to the invention, therefore, the distance between two gate electrode structures over an isolation region is determined on the basis of data which essentially describe the degree of influence on a resist mask used, for example, for covering the n-channel transistor and the associated gate electrode structures. Thus, therefore, the lateral dimension of the Gate electrode structures in the transistor width direction can be adjusted in a suitable manner so that, for example, the erosion of the resist material caused in the patterning of the resist mask is taken into account so that just does not expose the end portion of the gate electrode structure of the n-channel transistor. In this way, the risk of material erosion of a protective spacer structure or a material layer is significantly reduced, so that overall the integrity of the sensitive material system in the gate electrode structure is preserved.
In einer weiteren Ausführungsform werden die benachbarten p-Kanaltransistoren auf dem ersten und dem zweiten Substrat mit einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung hergestellt, die in dem jeweiligen aktiven Gebiet der p-Kanaltransistoren eingebettet ist. D. h., gemäß dieser Ausführungsform werden die Daten für das Berücksichtigen der Materialerosion zur Einstellung des lateralen Abstandes der Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage eines Transistoraufbaus ermittelt, der das verformungsinduzierende Material implementiert hat, so dass damit äußerst leistungsfähige p-Kanaltransistoren hergestellt werden können, wobei gleichzeitig die Auswirkungen der auftretenden Topographieunterschiede wirksam bekämpft werden können und die gewonnen Daten einen hohen Grad an Authentizität besitzen.In another embodiment, the adjacent p-channel transistors are fabricated on the first and second substrates with a strain-inducing semiconductor alloy embedded in the respective active region of the p-channel transistors. That is, according to this embodiment, the data for considering the material erosion for adjusting the lateral distance of the gate electrode structures is determined on the basis of a transistor structure that has implemented the strain-inducing material, thereby making extremely efficient p-channel transistors At the same time, the effects of occurring differences in topography can be effectively combated and the data obtained have a high degree of authenticity.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform werden die Gateelektrodenstrukturen der n-Kanaltransistoren und der p-Kanaltransistoren auf dem ersten und dem zweiten Substrat mit einem Gatedielektrikum mit großem ε hergestellt. Die Verwendung eines Gatedielektrikums mit großem ε ist besonders vorteilhaft im Zusammenhang mit komplexen Transistoren, da sie insbesondere die Leistungsfähigkeit erhöhen lässt, während andererseits die Integrität des empfindlichen Materialsystems bewahrt werden kann.In a further advantageous embodiment, the gate electrode structures of the n-channel transistors and the p-channel transistors on the first and the second substrate are produced with a high-k gate dielectric. The use of a high-k gate dielectric is particularly advantageous in the context of complex transistors, in particular because it increases performance, while preserving the integrity of the sensitive material system.
In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen werden die Gateelektrodenstrukturen mit einer Gatelänge von 40 nm oder weniger hergestellt, so dass äußerst komplexe und leistungsfähige integrierte Schaltungen auf der Grundlage der vorliegenden Erfindung implementiert werden können.In further advantageous embodiments, the gate electrode structures are fabricated with a gate length of 40 nm or less, so that highly complex and powerful integrated circuits based on the present invention can be implemented.
In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das Bilden der Gateelektrodenstrukturen das Erzeugen einer Hartmaske durch Ausführen einer ersten Lithographie- und Ätzsequenz zur Einstellung der Gatelänge und das Ausführen einer zweiten Lithographie- und Ätzsequenz zur Einstellung der Gatebreite in der Hartmaske. D. h., erfindungsgemäß kann eine zweistufige Strukturierung eines Hartmaskenmaterials angewendet werden, so dass insbesondere sehr effiziente gut etablierte Strukturierungsschemata anwendbar sind, ohne dass etwa weitere Lithographieschritte oder Maskierungsschritte eingeführt werden müssen.In an advantageous embodiment, forming the gate electrode structures includes generating a hard mask by performing a first lithography and etch sequence to adjust the gate length and performing a second lithography and etch sequence to adjust the gate width in the hard mask. That is, according to the invention, a two-stage structuring of a hard mask material can be used, so that, in particular, very efficient, well-established structuring schemes can be used without having to introduce further lithography steps or masking steps.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst das Verfahren ferner das Bilden einer Halbleiterlegierung auf dem aktiven Gebiet des p-Kanaltransistors vor dem Bilden der Gateelektrodenstrukturen. Auf diese Weise kann die Schwellwertspannung des p-Kanaltransistors effizient im Vergleich zu der Schwellwertspannung des n-Kanaltransistors bei Verwendung einer komplexen Gateelektrodenstruktur mit einem Dielektrikum mit großem ε eingestellt werden, ohne dass zusätzliche Maßnahmen in einer sehr späten Fertigungsphase erforderlich sind, wie dies etwa in sogenannten Austauschgateverfahren der Fall ist, in denen in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase noch geeignete Metallsorten eingebracht werden müssen, um somit letztlich die Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen einzustellen.In a further embodiment, the method further comprises forming a semiconductor alloy on the active region of the p-channel transistor prior to forming the gate electrode structures. In this way, the threshold voltage of the p-channel transistor can be adjusted efficiently in comparison to the threshold voltage of the n-channel transistor using a complex gate electrode structure with a high-k dielectric, without requiring additional measures in a very late manufacturing stage, such as in so-called Austauschgateverfahren is the case in which in a very advanced manufacturing phase still suitable metal varieties must be introduced so as to ultimately adjust the work function of the gate electrode structures.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die zuvor genannte Aufgabe gelöst durch ein Verfahren. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Gateschichtstapels über einem ersten aktiven Gebiet, einem zweiten aktiven Gebiet und einem Isolationsgebiet, das das erste aktive Gebiet von dem zweiten aktiven Gebiet trennt, wobei der Gateschichtstapel ein dielektrisches Material mit großem ε aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer ersten Gateelektrodenstruktur über dem ersten aktiven Gebiet und einer dazu fluchtenden zweiten Gateelektrodenstruktur über dem zweiten aktiven Gebiet, wobei die erste und die zweite Gateelektroden über dem Isolationsgebiet voneinander durch einen lateralen Abstand getrennt sind. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung selektiv in dem ersten aktiven Gebiet unter Abdeckung des zweiten aktiven Gebiets und der zweiten Gateelektrodenstruktur. Ferner wird eine Lackmaske zur Abdeckung des zweiten aktiven Gebiets und der zweiten Gateelektrodenstruktur erzeugt. Das Verfahren umfasst des weiteren das Ausführen eines Ätzschrittes zum Entfernen von Lackmaterial der Lackmaske, wobei der laterale Abstand so gewählt ist, dass das Freilegung eines Endbereichs der zweiten Gateelektrodenstruktur über dem Isolationsgebiet während des Ätzschrittes verhindert wird.According to another aspect of the present invention, the aforementioned object is achieved by a method. The method includes forming a gate layer stack over a first active region, a second active region, and an isolation region separating the first active region from the second active region, the gate layer stack comprising a high-k dielectric material. The method further comprises forming a first gate electrode structure over the first active region and a second gate electrode structure aligned therewith over the second active region, wherein the first and second gate electrodes are separated from each other by a lateral distance above the isolation region. The method further includes forming a strain-inducing semiconductor alloy selectively in the first active region to cover the second active region and the second gate electrode structure. Further, a resist mask is formed to cover the second active region and the second gate electrode structure. The method further comprises performing an etching step for removing resist material of the resist mask, wherein the lateral distance is selected so as to prevent the exposure of an end region of the second gate electrode structure over the isolation region during the etching step.
In diesem Aspekt werden also Parameter bei der Strukturierung der Gateelektrodenstrukturen und/oder die zu Grunde liegende Entwurfsgestaltung der Gateelektrodenstrukturen in der Transistorbreitenrichtung so festgelegt, dass bei der Herstellung von Transistoren mit Gateelektrodenstrukturen mit einem Dielektrikum mit großem ε und der Implementierung eines verformungsinduzierenden Halbleitermaterials in einer Transistorart dennoch sichergestellt ist, dass in diesen und auch weiteren Verfahrensschritten, die eine Abdeckung des n-Kanaltransistors und dessen Gateelektrodenstruktur erfordern, die Integrität des Endbereichs der Gateelektrodenstruktur gewahrt ist. Auf diese Weise wird auch, wie zuvor erläutert ist, die Wahrscheinlichkeit deutlich verringert, dass eine Materialerosion in schützenden Abstandshaltern oder Materialschichten hervorgerufen wird, die wiederum zu einer Materialerosion in empfindlichen Materialsystemen insbesondere in dem Dielektrikumsmaterial mit großem ε führen könnte.In this aspect, therefore, parameters in the patterning of the gate electrode structures and / or the underlying design of the gate electrode structures in the transistor width direction are set such that in the fabrication of transistors having gate electrode structures with a high-k dielectric and implementation of a strain-inducing semiconductor material in one transistor type nevertheless ensured is that the integrity of the end region of the gate electrode structure is maintained in these and also further process steps which require coverage of the n-channel transistor and its gate electrode structure. In this way, as previously explained, the likelihood that material erosion will be evoked in protective spacers or material layers, which in turn could lead to material erosion in sensitive material systems, especially in the high-k dielectric material, is also significantly reduced.
Insgesamt ermöglicht die vorliegende Erfindung Fertigungsverfahren zur Herstellung komplexer Transistoren, wobei insbesondere die ausgeprägte Materialerosion in den Endbereichen von Gateelektrodenstrukturen in n-Kanaltransistoren bei der Herstellung einer Lackmaske über einem Isolationsgebiet mit ausgeprägter Topographie berücksichtigt ist, indem eben ein geeigneter lateraler Abstand zwischen den Gateelektrodenstrukturen benachbarter n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren vorgesehen wird, so dass die möglicherweise erzeugte ausgeprägte Oberflächentopographie über dem Isolationsgebiet somit bei der Herstellung entsprechender Lackmasken keine negativen Auswirkungen ausübt. Damit kann die Wahrscheinlichkeit des Auftretens einer Verringerung der Produktionsausbeute auf Grund von Materialerosion in Endbereichen von Gateelektrodenstrukturen verringert werden, ohne dass zusätzliche Prozessschritte erforderlich sind. Insbesondere werden der Durchsatz sowie der Ablauf anderer Verfahrensschritte durch das erfindungsgemäße Vorgehen nicht negativ beeinflusst.Overall, the present invention allows manufacturing processes for the production of complex transistors, wherein in particular the pronounced material erosion in the end regions of gate electrode structures in n-channel transistors is taken into account in the production of a resist mask over a topography isolation region, by just a suitable lateral spacing between the gate electrode structures of adjacent n Channel transistors and p-channel transistors is provided, so that the possibly generated pronounced surface topography over the isolation region thus exerts no negative effects in the preparation of corresponding resist masks. Thus, the likelihood of a reduction in production yield due to material erosion in end regions of gate electrode structures can be reduced without requiring additional process steps. In particular, the throughput and the course of other process steps are not adversely affected by the procedure according to the invention.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen gehen auch aus den Patentansprüchen hervor und sind auch in der folgenden detaillierten Beschreibung aufgezeigt, die mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen angegeben wird, in denen:Further advantageous embodiments will become apparent from the claims, and are pointed out in the following detailed description, given with reference to the accompanying drawings, in which:
Mit Bezug zu den
Zu diesem Zweck wird beispielsweise auf der Grundlage von gegebenen Entwurfsabmessungen, wie sie etwa generell dem Bauelement
Die Herstellung des Halbleiterbauelements
Die Transistoren
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken bereit, in denen eine übermäßige Materialerosion in Abstandshalterstrukturen insbesondere von Gateelektrodenstrukturen von n-Kanaltransistoren vermieden wird, indem der laterale Abstand in der Transistorbreitenrichtung von zueinander fluchtenden Gateelektrodenstrukturen eines p-Kanaltransistors und eines n-Kanaltransistors vergrößert wird für ansonsten gleiche laterale Abmessungen. Auf diese Weise wird sichergestellt, dass insbesondere nach dem Einbau einer Halbleiterlegierung zur selektiven Einstellung der Schwellwertspannung eines p-Kanaltransistors bei der weiteren Erzeugung einer Lackmaske zur Abdeckung des n-Kanaltransistors auch der Endbereich über einem Isolationsgebiet mit lokal stark ausgeprägter Oberflächentopographie nicht freigelegt wird, so dass damit die Integrität empfindlicher Gatematerialien der Gateelektrodenstruktur in von n-Kanaltransistoren etwa beim Einbau eines verformungsinduzierenden Halbleitermaterials in das aktive Gebiet der p-Kanaltransistoren verbessert werden kann.Thus, the present invention provides fabrication techniques in which excessive material erosion in spacer structures, particularly gate electrode structures, of n-channel transistors is avoided by increasing the lateral spacing in the transistor width direction of mutually aligned gate electrode structures of a p-channel transistor and an n-channel transistor for otherwise equal lateral dimensions. In this way it is ensured that, in particular after the incorporation of a semiconductor alloy for selective adjustment of the threshold voltage of a p-channel transistor in the further generation of a resist mask for covering the n-channel transistor and the end region is not exposed over an isolation area with locally pronounced surface topography, so that the integrity of sensitive gate materials of the gate electrode structure can be improved in n-channel transistors such as the incorporation of a deformation-inducing semiconductor material in the active region of the p-channel transistors.
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