-
Gebiet der vorliegenden Erfindung
-
Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft dabei die Herstellung von Metallsilizidgebieten auf
Silizium enthaltenden leitenden Schaltungselementen, um deren Schichtwiderstand
zu reduzieren.
-
Beschreibung des Standes der Technik
-
In
modemen integrierten Schaltungen mit äußerst hoher Packungsdichte
werden die Strukturelemente ständig
kleiner, um die Bauteilleistungsfähigkeit und die Funktionalität der Schaltung
zu verbessern. Das Reduzieren der Strukturgrößen zieht jedoch gewisse Probleme
nach sich, die teilweise die durch das Reduzieren der Strukturgrößen gewonnenen
Vorteile aufheben. Im Allgemeinen kann das Reduzieren der Größe beispielsweise
eines Transistorelements, etwa eines MOS-Transistors zu einem verbesserten
Leistungsverhalten auf Grund einer verringerten Kanallänge des
Transistorelements führen, wodurch
eine höhere
Stromtreiberfähigkeit
und eine erhöhte
Schaltungsgeschwindigkeit resultieren. Bei Verringerung der Kanallänge der
Transistorelemente wird jedoch der elektrische Widerstand von Leitungen
und Kontaktgebieten, d. h. von Gebieten, die einen elektrischen
Kontakt zur Peripherie der Transistorelemente liefern, ein dominierendes
Problem, da die Querschnittsfläche
dieser Leitungen und Gebiete ebenso reduziert wird. Die Querschnittsfläche bestimmt
jedoch zusammen mit den Eigenschaften des Materials, das in den
Leitungen und Kontaktgebieten enthalten ist, deren effektiven elektrischen
Widerstand.
-
Des
weiteren erfordert eine größere Anzahl an
Schaltungselementen pro Einheitsfläche ferner eine erhöhte Anzahl
an Verbindungen zwischen diesen Schaltungselementen, da im Allgemeinen
die Anzahl der erforderlichen Verbindungen in nicht linearer Weise
mit der Anzahl der Schaltungselemente anwächst, so dass der verfügbare Platz
für Verbindungen
noch stärker
eingeschränkt
wird.
-
Die überwiegende
Zahl integrierter Schaltungen basiert auf Silizium, d. h. die meisten
der Schaltungselemente enthaltenden Siliziumgebiete, in kristalliner,
polykristalliner und amorpher Form, dotiert und nicht dotiert, die
als leitende Bereiche dienen. Ein anschauliches Beispiel in diesem
Zusammenhang ist eine Gateelektrode eines MOS-Transistorelements, das als eine Polysiliziumleitung
betrachtet werden kann. Bei Anlegen einer geeigneten Steuerspannung
an die Gateelektrode bildet sich ein leitender Kanal an der Grenzfläche einer
dünnen
Gateisolationsschicht und eines aktiven Gebiets des halbleitenden
Substrats. Obwohl das Reduzieren der Strukturgröße eines Transistorelements
die Bauteileigenschaften auf Grund der reduzierten Kanallänge verbessert,
kann das Reduzieren der Gateelektrode jedoch zu deutlichen Verzögerungen
bei der Signalausbreitung entlang der Gateelektrode führen, d. h.
die Ausbildung des Kanals entlang der gesamten Ausdehnung der Gateelektrode
ist verzögert.
Das Problem der Signalausbreitungsverzögerung wird noch verschärft für Polysiliziumleitungen
bzw. -linien, die einzelne Schaltungselemente oder unterschiedliche
Chipgebiete verbinden. Daher ist es äußerst wichtig, den Schichtwiderstand
von Polysiliziumleitungen und anderen Silizium enthaltenden Kontaktgebieten
zu verbessern, um eine weitere Größenreduzierung der Bauteile
zu ermöglichen,
ohne die Bauteilleistungsfähigkeit
zu beeinträchtigen.
Aus diesem Grund ist es üblich,
den Schichtwiderstand von Polysiliziumleitungen und Siliziumkontaktgebieten durch
Herstellen eines Metallsilizids in und auf geeigneten Bereichen
der entsprechenden Silizium enthaltenden Gebiete zu reduzieren.
-
Mit
Bezug zu den 1a bis 1d wird
nun ein typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung
eines Metallsilizids auf einem entsprechenden Bereich eines MOS-Transistorelements
als ein anschauliches Beispiel zur Darstellung der Reduzierung des
Schichtwiderstands von Silizium beschrieben.
-
1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Transistorelements 100,
etwa eines MOS-Transistors, der auf einem Substrat 101 mit
einem Silizium enthaltenden aktiven Gebiet 102 gebildet
ist. Das aktive Gebiet 102 wird von einer Isolationsstruktur 103 umschlossen,
die in dem vorliegenden Beispiel in Form einer Flachgrabenisolation
vorgesehen ist, die für
gewöhnlich
in technisch fortschrittlichen integrierten Schaltungen verwendet wird.
Hoch dotierte Source- und Draingebiete 104 mit Erweiterungsgebieten 105,
die für
gewöhnlich
eine geringere Dotierkonzentration als die hoch dotierten Gebiete 104 aufweisen,
sind in dem aktiven Gebiet 102 gebildet. Die Source- und
Draingebiete 104 einschließlich der Erweiterungsgebiete 105 sind
in lateraler Richtung durch ein Kanalgebiet 106 getrennt. Eine
Gateisolationsschicht 107 trennt elektrisch und physikalisch
eine Gateelektrode 108 von dem darunter liegenden Kanalgebiet 106.
Abstandselemente 109 sind an Seitenwänden der Gateelektrode 108 ausgebildet.
Eine hochschmelzende Metallschicht 110 ist über dem
Transistorelement 100 mit einer Dicke gebildet, die zur
weiteren Bearbeitung bei der Herstellung von Metallsilizidbereichen
erforderlich ist.
-
Ein
typischer konventioneller Prozessablauf zur Herstellung des Transistorelements 100,
wie es in 1a gezeigt ist, kann die folgenden
Schritte aufweisen. Nach Definieren des aktiven Gebiets 102 durch
Herstellen der Flachgrabenisolationen 103 mittels fortschrittlicher
Photolithographie- und ätzverfahren
werden etablierte und gut bekannte Implantationsschritte ausgeführt, um
ein gewünschtes
Dotierprofil in dem aktiven Gebiet 102 und dem Kanalgebiet 106 zu
erzeugen.
-
Anschließend werden
die Gateisolationsschicht 107 und Gateelektrode 108 durch
fortschrittliche Abscheide-, Photolithographie- und anisotrope Ätzverfahren
hergestellt, um so eine gewünschte Gatelänge zu erhalten,
die die horizontale Ausdehnung der Gateelektrode 108 in 1a ist,
d. h. in der Zeichenebene aus 1a liegt.
Danach kann eine erste Implantationssequenz ausgeführt werden,
um die Erweiterungsgebiete 105 zu bilden, wobei abhängig von
den Entwurfserfordernissen zusätzlich
sogenannte Halo-Implantationen
ausgeführt
werden können.
-
Die
Abstandselemente 109 werden dann durch Abscheiden eines
dielektrischen Materials, etwa Siliziumdioxid und/oder Siliziumnitrid,
und durch Strukturieren des dielektrischen Materials mittels eines
anisotropen Ätzprozesses
gebildet. Danach kann ein weiterer Implantationsprozess ausgeführt werden,
um die stark dotierten Source- und Draingebiete 104 zu
bilden.
-
Anschließend wird
die hoch schmelzende Metallschicht 110 auf dem Transistorelement 100 durch
beispielsweise chemische Dampfabscheidung (CVD) oder physikalische
Dampfabscheidung (PVD) abgeschieden. Vorzugsweise wird ein hoch
schmelzendes Metall, etwa Titan, Kobalt, Nickel und dergleichen
für die
Metallschicht 110 verwendet. Es stellt sich jedoch heraus,
dass die Eigenschaften der diversen hoch schmelzenden Bereiche während des
Herstellens eines Metallsilizids und hinterher in Form eines Metallsilizids
sich deutlich voneinander unterscheiden. Daher hängt das Auswählen eines
geeigneten Metalls von den weiteren Entwurfsparametern des Transistorelements 100 sowie
von Prozesserfordernissen in nachfolgenden Prozessen ab. Beispielsweise
wird Titan oft zur Herstellung eines Metallsilizids auf den entsprechenden
Silizium enthaltenden Bereichen verwendet, wobei jedoch die elektrischen Eigenschaften
des resultierenden Titansilizids stark von den Abmessungen des Transistorelements 100 abhängen. Titansilizid
neigt dazu, an den Korngrenzen zu verklumpen und kann daher den
elektrischen Gesamtwiderstand erhöhen, wobei diese Wirkung bei
abnehmender Strukturgröße noch
verstärkt
wird, so dass die Verwendung von Titan für Polysiliziumleitungen, etwa
der Gateelektrode 108 mit einer seitlichen Abmessung, d.
h. einer Gatelänge,
von 0,5 Mikrometer und darunter nicht akzeptabel sein kann.
-
Für Schaltungselemente
mit Strukturgrößen in dieser
Größenordnung
wird vorzugsweise Kobalt als hoch schmelzendes Metall verwendet,
da Kobalt im Wesentlichen keine Neigung zur Blockierung von Korngrenzen
des Polysiliziums zeigt. Obwohl Kobalt erfolgreich für Strukturgrößen bis
zu 0,2 Mikrometer anwendbar ist, kann eine weitere Reduzierung der Strukturgröße ein Metallsilizid,
das einen deutlich geringeren Schichtwiderstand als Kobaltsilizid
aufweist, aus dem folgenden Grund erforderlich sein.
-
In
einem typischen MOS-Prozessablauf wird das Metallsilizid auf der
Gateelektrode 108 und den Drain- und Sourcegebieten 104 gleichzeitig
in einem sogenannten selbstjustierenden Prozess gebildet. Dieser
Prozessablauf erfordert, dass für
reduzierte Strukturgrößen eine
vertikale Ausdehnung oder Tiefe (mit Bezug zu 1a)
der Drain- und Sourcegebiete 104 in das aktive Gebiet 102 hinein
berücksichtigt werden
muss und ebenso reduziert werden muss, um sogenannte Kurzkanaleffekte
zu unterdrücken. Folglich
ist eine vertikale Ausdehnung oder Tiefe eines Metallsilizidgebiets,
das auf der Gateelektrode 108 gebildet wird, und das wünschenswerter
Weise eine möglichst
große
vertikale Ausdehnung in Hinblick auf eine Reduzierung des Gatewiderstands
aufweisen soll, durch die Anforderung für flache oder dünne Metallsilizidgebiete
auf den Drain- und Sourcegebieten begrenzt.
-
Daher
wird für
technisch fortschrittliche Transistorelemente Nickel zunehmend als
ein geeigneter Ersatz für
Kobalt betrachtet, da Nickelsilizid (NiSi) einen deutlich geringeren
Schichtwiderstand als Kobaltsilizid aufweist. Im Folgenden wird
daher angenommen, dass die Metallschicht 110 im Wesentlichen
Nickel aufweist.
-
Nach
Abscheiden der Metallschicht 110 wird eine Wärmebehandlung
ausgeführt,
um eine chemische Reaktion zwischen den Nickelatomen und den Siliziumatomen
in jenen Bereichen der Source- und Draingebiete 104 und
der Gateelektrode 108 in Gang zu setzen, die mit dem Nickel
in Kontakt sind. Beispielsweise kann ein schneller thermischer Ausheizzyklus
mit einer Temperatur im Bereich von ungefähr 400°C bis 600°C und für eine Zeitdauer von ungefähr 30 bis
90 Sekunden ausgeführt
werden. Während
der Wärmebehandlung
diffundieren Silizium- und Nickelatome und vereinigen sich zu Nickelmonosilizid.
-
1b zeigt
das Transistorelement 100 schematisch mit entsprechend
ausgebildeten Nickelsilizidschichten 111 in den Source-
und Draingebieten 104 und einer Nickelsilizidschicht 112,
die in der Gateelektrode 108 gebildet ist. Eine entsprechende Dicke 111a und 112a der
Nickelsilizidschichten 111, 112 kann durch Prozessparameter,
etwa einer Dicke der Anfangsmetallschicht 110 und/oder
den spezifizierten Bedingungen während
der Wärmebehandlung
eingestellt werden. Beispielsweise kann die Metallschicht 110 mit
einer spezifizierten Dicke abgeschieden werden und die Temperatur
und/oder die Dauer der Wärmebehandlung
werden so eingestellt, dass im Wesentlichen die gesamte Nickelschicht
in Nickelsilizid umgewandelt wird. Alternativ kann die Metallschicht 110 mit
ausreichender Dicke abgeschieden werden und der Grad an Nickesiliziderzeugung
wird durch die Temperatur und/oder die Dauer der Wärmebehandlung
gesteuert. Unabhängig
von der Art und Weise, die Dicke 111a, 112a zu
steuern, wird das nicht reagierte Nickel anschließend selektiv durch
einen beliebigen geeigneten selektiven Nassätzprozess, wie dies im Stand
der Technik bekannt ist, entfernt. Es sollte beachtet werden, dass
das in den Seitenwandabstandselementen 109 und den Flachgrabenisolationen 103 enthaltene
Silizium im Wesentlichen nicht an der chemischen Reaktion teilnimmt,
da das Silizium darin als thermisch stabiles Oxid vorliegt. Ferner
können
die Nickelsilizidschichten 111, 112 ebenso in
einem zweistufigen thermischen Prozess, beispielsweise durch zwei
schnelle thermische Ausheizzyklen gebildet werden, wobei vorzugsweise
zwischen den beiden Zyklen nicht reagiertes Nickel selektiv entfernt
werden kann.
-
Obwohl
die Dicke 111a sich von der Dicke 112a unterscheiden
kann – auf
Grund eines unterschiedlichen Diffusionsverhaltens des hoch dotierten kristallinen
Siliziums der Drain- und
Sourcegebiete 104 und des dotieren Polysiliziums der Gateelektrode 108 – sind beide
Dicken miteinander korreliert, da diese nicht unabhängig voneinander
eingestellt werden können,
ohne den gesamten Prozessablauf deutlich zu ändern, und daher ist eine maximale
Dicke 112a des Nickelsilizids auf der Gateeletrode 108 durch
die maximale zulässige
Dicke 111a bestimmt, die wiederum durch die Tiefe des Drain-
und Sourcegebietes 104 beschränkt ist. Trotz der Tatsache,
dass Nickelsilizid einen deutlich geringeren Schichtwiderstand als
beispielsweise Kobaltsilizid zeigt, stellt sich heraus, dass Nickelsilizid
thermisch bei Temperaturen über
ungefähr
400°C nicht
stabil ist und bei höheren
Temperaturen in Nickeldisilizid (NiSi2)
umgewandelt wird. Die Bildung von Nickeldisilizid anstelle von Nickelsilizid
ist äußerst unerwünscht, da
Nickeldisilizid einen deutlich höheren
Schichtwiderstand als Nickelmonosilizid aufweist. Ferner verbraucht
die weiter gehende chemische Reaktion weiter Silizium und erhöht damit
die Dicke der entsprechenden Nickelsilizidschichten.
-
1c zeigt
das Transistorelement 100 schematisch in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium, nachdem das Transistorelement 100 weitere
Wärmebehandlungen
bei erhöhten
Temperaturen, etwa Ausheizzyklen, die zur Herstellung der Metallisierungsschichten
(nicht gezeigt) und dergleichen durchgeführt werden, "erfahren" hat. Auf Grund der
erhöhten
Temperaturen kann das Nickelsilizid in den Schichten 111, 112 in
einem hohen Maße in
Nickeldisilizid umgewandelt werden, wodurch eine vergrößerte Dicke 111b und 112b aufgrund
des doppelten Siliziumverbrauchs von Nickeldisilizid im Vergleich
zu Nickelsilizid erzeugt wird. Da die Menge an Nickeldisilizid,
das durch der Silizidierung nachgeschaltete Prozesse erzeugt wird,
schwer zu steuern ist, kann die Unversehrtheit des Übergangs,
d. h. die Unversehrtheit der Grenzfläche zwischen den Source- und
Draingebiete 104 und dem aktiven Gebiet 102 nicht
sichergestellt werden, wie dies in 1c gezeigt
ist. Diese Probleme können
zu einer eingeschränkten
Fähigkeit
beitragen, die Übergangstiefe entsprechend
den Bauteilerfordernissen für
ein Transistorelement deutlich unterhalb eines Mikrometers zu berechnen.
Ferner kann der erhöhte
Schichtwiderstand des Nickeldisilizids den Vorteil, der durch das
Ersetzen von Kobalt durch Nickel gewonnen wird, teilweise aufheben,
abhängig
von dem Verhältnis
von Nickelsilizid zu Nickeldisilizid.
-
Die
Patentanmeldung US 2002/0064918 A1 offenbart ein Verfahren und eine
Vorrichtung zum Bilden eines Nickelsilizides, wobei nach dem Bilden
von Gate- und Source/Drain-Strukturen
auf einem Siliziumsubstrat und nach dem Bilden von Abstandselementen
an den Gatestrukturen, Stickstoff mittels Implantation, Diffusionsdotierung
oder beim Abscheiden eines Materials in einer stickstoffenthaltende
Atmosphäre
in das Substrat eingebracht wird. Nach einem Ausheizschritt wird
Nickel abgeschieden und das Substrat anschließend getempert, um Nickelmonosilizid
zu bilden.
-
Die
Patentschrift
US 6 008
124 A offenbart ein Halbleiterbauteil, das eine verbesserte
Zuverlässigkeit
der Schichtstruktur von vergrabenen Schichten, Silizidschichten
und Metallschichten aufweist. Ein Silizid, z. B. ein Titan- oder
ein Nickelsilizid, wird einem Stickstoffplasma ausgesetzt, um an
der Silizidoberfläche
eine Barrierenschicht zu bilden, die aus einer Stickstoff-Sauerstoff-Metall-Silizium-Verbindung
besteht.
-
Die
Patentschrift
US 5 444
024 A offenbart ein Verfahren zum Implantieren von Argon
bei niedrigen Energien, um eine Titansilizidbildung zu steuern.
-
Der
Artikel von L. W. Cheng, et al.; Effects of nitrogen ion implantation
an the formation of nickel silicide contacts an shallow junctions;
In: Thin Solid Films; Vol. 355–356
(1999); pp412 offenbart ein Stickstoffimplantationsverfahren für Source-
und Draingebiete, wobei der Stickstoff vor dem Bilden der Source-
und Draingebiete in ein kristallines Siliziumgebiet eingebracht
wird.
-
Die
Patentschrift
US 6 054
386 A bezieht sich auf Verfahren zum Bilden von Metalldisilizidschichten,
wie z. B. von Titandisilizidschichten.
-
Angesichts
der zuvor beschriebenen Sachlage ist es die Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einige der Probleme, die bei der Verarbeitung von Nickel
in äußerst fortschrittlichen
integrierten Schaltungen auftreten, zu eliminieren oder zumindest
zu reduzieren.
-
Überblick über die Erfindung
-
Im
Allgemeinen beruht die vorliegende Erfindung auf dem Konzept, Nickelsilizid
thermisch zu stabilisieren, in dem ein Material in das Nickelsilizid
eingebracht wird, das die gegenseitige Diffusion von Silizium und
Nickel während
erhöhter
Temperaturen effizient behindert, um damit die Bildung von Nickeldisilizid
zu unterdrücken
oder zumindest deutlich zu reduzieren. Geeignete Materialien, die
im weiteren auch als Diffusionsbarrierenmaterialien bezeichnet werden,
können
Stickstoff und/oder Edelgase, etwa Argon, Xenon, Krypton und dergleichen
mit einschließen.
-
Die
Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird durch die Verfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 10
gelöst.
-
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
-
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;
-
Es
zeigen:
-
1a bis 1c schematische
Querschnittsansichten eines konventionellen Transistorelements während diverser
Stadien des Herstellungsprozesses; und
-
2a bis 2e schematische
Querschnittsansichten Silizium enthaltender Gebiete in Form eines
Transistorelements während
diverser Herstellungsstadien gemäß anschaulicher
Ausführformen
der vorliegenden Erfindung.
-
Detaillierte Beschreibung
-
Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie
sie in der vorliegenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anteiligen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren
Schutzbereich durch die angefügten
Patentansprüche
definiert ist.
-
Es
sollte beachtet werden, dass in den folgenden anschaulichen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung auf ein Feldeffektransistor, etwa ein
CMOS-Transistorelement, Bezug genommen wird, um das Prinzip zur
Verbesserung der Leitfähigkeit
von Silizium enthaltenden Gebieten durch Verbessern der thermischen
Stabilität
eines in diesen Gebieten gebildeten Metallsilizids zu demonstrieren.
-
Die
vorliegende Erfindung kann jedoch in einfacher Weise auf beliebige
Silizium enthaltende Gebiete angewendet werden, die beispielsweise
in Form dotierten oder undotierten kristallinen Siliziums, dotierten
oder undotierten polykristallinen Siliziums und dotieren und undotierten
amorphen Siliziums vorliegen können,
unabhängig
von der Art des betrachteten Schaltungselements. Beispielsweise
sind Polysiliziumlinien oder -bereiche, die benachbarte Schaltungselemente
verbinden, etwa Transistoren, Widerstände, Kondensatoren und dergleichen,
oder die eine Verbindung zu unterschiedlichen Chipbereichen schaffen,
sowie gewisse Silizium enthaltende Bereiche beliebiger Arten von
Schaltungselementen, beispielsweise Elektroden von Kondensatoren,
Kontaktbereiche von Widerständen
und dergleichen, als von der vorliegenden Erfindung mit eingeschlossen zu
betrachten und sollten als von dem Silizium enthaltenden leitenden
Gebiet dss in dem mit Bezug zu den 2a bis 2e in
den folgenden anschaulichen Ausführungsformen
beschriebenen Transistorelements als repräsentiert betrachtet werden.
-
2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Transistorelements 200 mit
einem Substrat 201, das ein Siliziumsubstrat oder ein anderes geeignetes
Substrat mit einer darauf gebildeten Silizium enthaltenden kristallinen
Schicht ist, um darin ein aktives Gebiet 202 zu definieren,
das von einer Isolationsstruktur 203, etwa einer Flachgrabenisolation,
umschlossen ist. Eine Gateelektrode 208, die aus polykristallinem
Silizium hergestellt ist, ist über
dem aktiven Gebiet 202 gebildet und davon durch eine Gateisolationsschicht 207 getrennt.
Seitenwandabstandselemente 220 mit einer spezifizierten
Dicke 221 sind an den Seitenwänden der Gateelektrode 208 gebildet.
Die Seitenwandabstandselemente 220 können Siliziumdioxid, Siliziumnitrid
oder ein anderes geeignetes Material aufweisen, wobei die Dicke 221 der
Abstandselemente 220 entsprechend den Prozesserfordernissen
gewählt
ist und für
typische Ausführungsformen
im Bereich von ungefähr
10 bis 110 nm liegen kann.
-
Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Transistorelements 200,
wie es in 2a gezeigt ist, kann wie folgt
sein. Nach Herstellung der Flachgrabenisolationen 203 können Implantationsschritte ausgeführt werden
(nicht gezeigt), um ein erforderliches Dotierprofil in dem aktiven
Gebiet 202 zu definieren. Danach wird die Gateisolationsschicht 207 gebildet,
indem ein geeignetes dielektrisches Material, etwa Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid, Siliziumoxidnitrid, oder eine Kombination davon
gebildet wird, oder im Falle hoch entwickelter Bauteile kann die
Gateisolationsschicht 207 ein Material mit großem ε aufweisen.
Anschließend
wird Polysilizium abgeschieden und das Gatedielektrikum und das
Polysilizium werden durch fortschrittliche Photolithographie- und
anisotrope Ätzverfahren
strukturiert, um die Gateisolationsschicht 207 und die
Gateelektrode 208 zu bilden. Anschließend werden die Seitenwandabstandselemente 220 durch
gute bekannte Abstandselementsherstellungsverfahren, beispielsweise
durch Abscheiden eines geeigneten Materials, etwa Siliziumdioxid
und dergleichen, und durch anisotropes Ätzen des Materials hergestellt,
wobei die spezifizierte Weite 221 im Wesentlichen durch
die Anfangsschichtdicke definiert ist.
-
2b zeigt
das Transistorelement 200 schematisch während eines Implantationsschrittes, der
durch 223 bezeichnet ist, zum Einführen eines Diffusionsbarrierenmaterials,
etwa Stickstoff, in die Silizium enthaltenden Gebiete des aktiven
Gebiets 202 und der Gateelektrode 208. Der Einfachheit
halber ist lediglich eine Spitzenwertkonzentration des Diffusionsbarrierenmaterials
in diesen Gebieten durch eine gestrichelte Linie, die durch 222 bezeichnet
ist, gezeigt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auf Grund der
Natur des Implantationsprozesses die Konzentration typischer Weise
ein Profil in vertikaler Richtung in Bezug auf 2b aufweist.
Die Spitzenwertkonzentration 222 ist vorzugsweise bei einer
Tiefe 222a lokalisiert, die in Übereinstimmung der erforderlichen
Dicke einer Metallsilizidschicht ausgewählt ist, die in dem aktiven
Gebiet 202 zu bilden ist. Die Tiefe 222a kann
in Übereinstimmung
mit einer erforderlichen Tiefe des zu bildenden Übergangs, wie dies zuvor mit
Bezug zu den 1a bis 1c erläutert ist,
gebildet werden, indem die Implantationsparameter entsprechend gewählt werden. Beispielsweise
kann die Tiefe 222a im Bereich von ungefähr 10 bis
100 nm liegen. In typischen Beispielen liegt die Implantationsenergie
für Stickstoff
in molekularer Form als Diffusionsbarrierenmaterial in Bereich von
30 bis 60 KeV, wobei die Dosis mit ungefähr 1 bis 5 × 1015 Atome
pro cm2 gewählt wird. Wenn einzelne Stickstoffionen
implantiert werden, kann die Implantationsenergie mit ungefähr 10 bis
40 keV gewählt
werden können,
während
die Dosis im wesentlichen identisch zu dem vorhergehenden Fall gewählt wird
oder auf ungefähr
2 × 1015 bis 1 × 1016 Atome
pro cm2 erhöht wird. Typische Werte der
Spitzenwertkonzentration 222 können im Bereich von ungefähr 1 × 1019 und 5 × 1020 Atome
pro cm3 liegen. Während der Implantation 223 dienen
die Seitenwandabstandselemente 220 als eine Implantationsmaske,
um im Wesentlichen Gitterschäden
in der Nähe
eines unteren Randes 224 der Gateelektrode 208 zu
vermeiden. Gleichzeitig bleibt die Unversehrtheit der Gateisolationsschicht 207 von
der Implantation 223 im Wesentlichen unbeeinflusst.
-
Danach
werden Seitenwandabstandselemente 220 durch einen geeigneten
selektiven Ätzprozess,
der im Stand der Technik gut bekannt ist, entfernt. In anderen Ausführungsformen
können
die Seitenwandabstandselemente 220 beibehalten werden und
vorteilhafter Weise als Implantationsmaske für nachfolgende Implantationsschritte
verwendet werden.
-
2c zeigt
das Transistorelement 200 schematisch in einem weiter fortgeschrittenen
Herstellungsstadium. Source- und Draingebiete 204 mit Erweiterungsgebieten 205 sind
in dem aktiven Gebiet 202 gebildet. Seitenwandabstandselemente 209 sind
an den Seitenwänden
der Gateelektrode 208 gebildet, wobei abhängig von
den Prozesserfordernissen die Seitenwandabstandselemente 220 sowie
zusätzliche
Abstandselemente, die möglicherweise während der
Herstellung der Gebiete 204 und 205 verwendet
werden, entfernt werden können
oder in die Seitenwandabstandselemente 209 mit integriert werden
können.
Schließlich
ist eine Metallschicht 210, die in speziellen Ausführungsformen
im Wesentlichen aus Nickel aufgebaut ist, über dem Transistorelement 200 gebildet.
-
Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung des Transistorelements 200,
wie es in 2e gezeigt ist, kann wie folgt
sein.
-
Die
Drain- und Sourcegebiete 204 und Erweiterungsgebiete 205 werden
durch geeignet gestaltete Implantationssequenzen hergestellt, wobei ein
oder mehrere Arten von Dotierstoffen in das aktive Gebiet 202 implantiert
werden. Wie zuvor erläutert ist,
kann die Implantationssequenz äußerst komplexe Implantationsprozesse
beinhalten, um das erforderliche vertikale und horizontale Dotierprofil
zu erreichen. Insbesondere ist in hochentwickelten Transistorelementen
die Herstellung eines sogenannten Halos erforderlich, um nachteilige
Effekte während
des Transistorbetriebs zu reduzieren, die bei Gateelektroden mit
Abmessungen deutlich unter einem Mikrometer auftreten können. Es
ist daher häufig
notwendig, unterschiedliche Arten von Dotierstoffen, etwa Arsen,
Phosphor, Bor und dergleichen zu implantieren, die unterschiedliche
Arten von Leitfähigkeit
erzeugen, wobei vorteilhafter Weise das in die Gateelektrode 208 implantierte
Diffusionsbarrierenmaterial in effektiver Weise beispielsweise Boratome
am Diffundieren in die Gateisolationsschicht 207 und das darunter
liegende Kanalgebiet 206 hindern kann. Ferner ist auf Grund
des Vorhandenseins der Seitenwandabstandselemente 220 ein
Kristallschaden an dem unteren Rand 224 der Gateelektrode 208 vergleichbar
zu einem konventionellen Prozessablauf, da lediglich die Herstellung
des Erweiterungsgebietes 205 deutlich zu den Kristalldefekten, ähnlich wie bei
einem konventionellen Prozessablauf, beiträgt. Somit ist der Prozessablauf
gemäß den zuvor
beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen äußerst kompatibel
mit standardmäßigen Prozessverfahren,
ohne die Bauteileigenschaften zu beeinträchtigen. Die Seitenwandabstandselemente 209 und
die Metallschicht 210 werden in ähnlicher Weise hergestellt,
die dies bereits mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben
ist.
-
In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung brauchen die Seitenwandabstandselemente 220 nicht
gebildet werden und die Implantation 223 wird nach einem
herkömmlichen
Prozessablauf zur Herstellung des Transistorelements 200 wie
es in 2c gezeigt ist, ausgeführt, wobei
jedoch vor dem Abscheiden der Metallschicht 210 die Implantation 223 ausgeführt wird,
um die Spitzenwertkonzentration 222 so anzuordnen, wie
es für
die weitere Verarbeitung erforderlich ist. In noch anderen Ausführungsformen
kann die Implantation 223 in die Implantationssequenz zur
Herstellung der Drain- und Sourcegebiete 204 und der Erweiterungsgebiete 205 integriert
werden. Beispielsweise können
ein oder mehrere Abstandselemente (nicht gezeigt) verwendet werden,
um präzise
das laterale Dotierprofil zu definieren, oder um die Erweiterungsgebiete 205 zu bilden.
Dann wird unter Anwendung dieser Abstandselemente die Implantation 223 ausgeführt, wodurch zusätzliche
Prozessschritte vermieden und ein hohes Maß an Kompatibilität mit dem
standardmäßigen Prozessablauf
erreicht werden.
-
Unabhängig von
dem Zeitpunkt, wann die Implantation 223 ausgeführt wird,
kann ein nasschemischer Reinigungsprozess vor dem Abscheiden der Metallschicht 210 durchgeführt werden,
was durch ein beliebiges geeignetes Abscheideverfahren, etwa CVD
oder PVD, erreicht werden kann, wobei eine Dicke der Metallschicht 210 in Übereinstimmung
mit dem Prozesserfordernissen gewählt wird.
-
Anschließend wird
eine Wärmebehandlung ausgeführt, um
eine chemische Reaktion zwischen dem in der Metallschicht 210 enthaltenen
Nickel und dem Silizium der entsprechenden Bereiche in den Drain-
und Sourcegebieten 204 und der Gateelektrode 208 in
Gang zu setzen. Wie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben
ist, kann eine beliebige geeignete Wärmebehandlung ausgeführt werden,
beispielsweise ein schnelles thermisches Ausheizen, das möglicherweise
als ein Zwei-Zyklus vorgesehen wird, wobei eine Dicke der Metallschicht 210 und/oder
die Temperatur und/oder die Dauer der Wärmebehandlung so gewählt ist,
um die erforderliche Dicke an Nickelsilizid zu erhalten. Beispielsweise kann
beim Bilden des Nickelsilizids das Verhältnis einer Siliziumdicke,
die verbraucht wird, und einer Dicke von Nickel, das verbraucht
wird, ungefähr
1,83 sein kann, so dass eine Dicke des endgültigen Nickelsilizids in einfacher
Weise einstellbar ist, in dem ein oder mehrere der vorhergehenden
Prozessparameter gesteuert werden. Während der Wärmebehandlung wird das Diffusionsbarrierenmaterial,
in das Nickelsilizid mit aufgenommen, um die Diffusion von Silizium
und Nickel und die Bildung von Nickeldisilizid zu begrenzen.
-
2d zeigt
das Transistorelement 200 schematisch nach Abschluss der
Wärmebehandlung und
der nachfolgenden selektiven Entfernung von nicht reagiertem Nickel.
In den Source- und Draingebieten 204 sind Nickelsilizidschichten 211 gebildet mit
einer Dicke, die durch 211a bezeichnet ist. In ähnlicher
Weise ist eine Nickelsilizidschicht 212 auf der Gateelektrode 208 mit
einer Dicke 212a gebildet. Die Dicken 211a und 212a werden
in der zuvor beschriebenen Weise eingestellt, wobei aufgrund des
inkorporierten Diffusionsbarrierenmaterials, etwa dem Stickstoff,
eine weitere Diffusion von Silizium und Nickel bei erhöhten Temperaturen
deutlich behindert ist und damit wird die Erzeugung von Nickeldisilizid deutlich
unterdrückt.
Z. B. kann für
Temperaturen bis ungefähr
500 Grad C eine 50prozentige Rauhigkeitsverbesserung an der Grenzfläche zwischen
den Nickelsilizidschichten 211, 212 und dem Silizium
in der Gateelektrode 208 und den Source- und Draingebieten für eine maximale Stickstoffkonzentration,
die der Spitzenwertkonzentration 222 entspricht, in einem Bereich
von ungefähr
1 × 1019 bis 5 × 1020 Atome
pro cm3 erreicht werden. Somit kann die
Unversehrtheit des Übergangs
und der geringe Schichtwiderstand der Nickelsilizidschichten 211, 212 selbst
während erhöhten Temperaturen
in weiteren Prozessschritten zur Fertigstellung der Transistorelements 200 im
Wesentlichen beibehalten werden.
-
In
weit entwickelten Transistorelementen 200 und ebenso in
zukünftigen
Schaltungsgenerationen kann die laterale Abmessung, d. h. die Gatelänge der
Gateelektrode 208 (in 2 die
horizontale Ausdehnung der Gateelektrode 208) auf 0.08
bis 0.05 Mikrometer und sogar darunter verringert werden. Für eine entsprechend
kurze Kanallänge
muss die Tiefe der entsprechenden Drain- und Sourcegebiete 204 ebenso
reduziert werden, so dass die Dicke 211a der Nickelsilizidschicht 211 im
Wesentlichen auf die Oberflächenbereiche
der Drain- und Sourcegebiete 204 beschränkt werden muss. in diesen
Fällen kann
es wünschenswert
sein, das Diffusionsbarrierenmaterial, etwa den Stickstoff, in verhältnismäßig lokalisierter
Art und Weise bereitzustellen, so dass ein verbesserter Barrierendiffusionseffekt
an den Oberflächenbereichen
der Drain- und Sourcegebiete 204 erreicht wird, wohingegen
tieferliegende Gebiete im Wesentlichen unbeeinflusst von dem Diffusionsbarrierenmaterial
bleiben.
-
2e zeigt
das Transistorelement 200 schematisch in einem frühen Herstellungsstadium gemäß einer
weiteren anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die mit Bezug zu 2e beschriebene
Herstellungssequenz kann den Prozessablauf, wie er in den 2a und 2b beschrieben
ist, ersetzen.
-
In
diesem Falle umfasst die Gateelektrode 208 Seitenwandabstandselemente 230,
die den Abstandselementen 220 entsprechen oder die beliebige zusätzliche
Abstandselemente sein können,
die zum Definieren der Erweiterungsgebiete 205, die noch herzustellen
sind, gebildet sind. Ferner ist das Transistorelement 200 einer
Stickstoff enthaltenden Plasmaumgebung 240 ausgesetzt,
die das Abscheiden von Stickstoff an Oberflächenbereichen des aktiven Gebiets 202 und
der Gateelektrode 208 in präziserer Weise im Vergleich
zu einem Implantationsprozess ermöglicht.
-
Die
Plasmaumgebung 240 kann durch eine beliebige geeignete
Prozessanlage, die das Erzeugen und Steuern eines Plasmas ermöglicht,
erzeugt werden. Zum Beispiel können
Abscheideanlagen für Plasma
unterstütztes
CVD, Plasmaätzanlagen – selbst
Abscheideanlagen mit Fernplasmaquellen – verwendet werden. Prozessparameter
dieser Anlagen können
so gesteuert werden, um Stickstoff bei einer gewünschten Tiefe, wie dies durch 222 angedeutet
ist, in dem aktiven Gebiet 202 und der Gateelektrode 208 abzuscheiden.
In einer Ausführungsform
können
die Seitenwandabstandselemente 230 weggelassen werden und
die Richtung der Plasmateilchen kann so gesteuert werden, dass diese
sich im Wesentlichen in einer Richtung senkrecht zu dem Substrat 201 bewegen.
Auf diese Weise kann ein Eindringen des Stickstoffs in Seitenwände der
Gateelektrode 208 minimiert werden, ohne dass Seitenwandabstandselemente 230 vorzusehen
sind. Um nicht die Unversehrtheit der Gateisolationsschicht 207 zu
beeinträchtigen,
kann es vorteilhaft sein, den Stickstoff in Anwesenheit der Seitenwandabstandselemente 230 einzuführen.
-
Während der
Anwesenheit des Substrats 201 in der Plasmaumgebung 204 treffen
Stickstoffionen und Stickstoffradikale die Oberfläche mit
relativ geringer kinetischer Energie im Vergleich zu den mehreren
keV eines Implantationsprozesses. Somit sind Schäden im Vergleich zur Ionenimplantation, wie
sie beispielsweise in 2b gezeigt ist, deutlich reduziert.
Beim Auftreffen auf dem Substrat 201 wird der Stickstoff
in das aktive Gebiet 202 und die Gateelektrode 208 sowohl
durch einen geringen Implantationseffekt ionisierten Stickstoffs
als auch durch eine chemische Reaktion des Siliziums mit den Stickstoffradikalen
eingeführt.
-
Mit
der geringen kinetischen Energie jener Stickstoffpartikel, die durch
einen Implantationseffekt eingeführt
werden, ist die Eindringtiefe der Stickstoffkonzentration im Wesentlichen
auf Oberflächenbereiche
des aktiven Gebiets 202 und der Gateelektrode 208,
wie dies durch 222 bezeichnet ist, begrenzt. Somit ist
das Einführen
von Stickstoff gut steuerbar und erlaubt das Anordnen einer ausreichend
hohen Stickstoffkonzentration innerhalb einer präzise definierten Tiefe des
aktiven Gebiets 202 und der Gateelektrode 208.
Durch Anlegen einer DC-Vorspannung zwischen der Plasmaumgebung 240 und
dem Substrat 201 im Bereich von ungefähr 10 bis 100 Volt kann die
Eindringtiefe des Stickstoffs 222 in einem Bereich von
ungefähr
2 bis 10 nm gesteuert werden. Nach Beendigung des Einführens von
Stickstoff kann die weitere Bearbeitung in der Weise fortgesetzt
werden, wie dies bereits mit Bezug zu den 2c und 2d beschrieben
ist.
-
Als
Ergebnis der vorliegenden Erfindung kann die Umwandlung von Nickelsilizid
in Nickeldisilizid bei erhöhten
Temperaturen, beispielsweise innerhalb eines 1 Temperaturbereichs
bis zu 500°C, verhindert
oder zumindest deutlich reduziert werden. Die Beeinträchtigung
des Schichtwiderstands, wie sie typischer Weise in der konventionellen
Bearbeitung von Nickelsilizid enthaltenden Schaltungselementen auftritt,
kann deutlich reduziert werden, wobei gleichzeitig die Qualität des Übergangs
verbessert wird. Während
diverser Herstellungsphasen kann ein Diffusionsbarrierenmaterial,
etwa Stickstoff, in die relevanten Bereiche des Schaltungselements beispielsweise
durch Ionenimplantation oder Plasmaabscheidung eingebracht werden,
so dass das Diffusionsbarrierenmaterial in die Metallsilizidschicht eingebaut
wird und eine weitere Reaktion bei erhöhten Temperaturen während späterer Prozessschritte unterdrückt wird.
Der Zeitpunkt, wann das Diffusionsbarrierenmaterial eingeführt wird,
kann entsprechend den Prozesserfordernissen gewählt werden, so dass zusätzliche
synergetische Wirkungen erreicht werden können, etwa das Blockieren von
Boratomen, oder so dass ein hohes Maß an Kompatibilität mit standardmäßigen Prozesstechniken
erreicht wird.