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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Ausbilden integrierter
Schaltkreise und dabei auf das Ausbilden von Feldeffekttransistoren,
die zur Verbesserung der Ladungsträgerbeweglichkeit ein Kanalgebiet
mit einer festgelegten intrinsischen elastischen Spannung aufweisen.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Integrierte
Schaltkreise umfassen eine große Anzahl
einzelner Schaltkreiselemente, wie z. B. Transistoren, Kondensatoren
und Widerstände.
Diese Elemente werden intern miteinander verbunden, um komplexe
Schaltkreise, wie Speichervorrichtungen, Logikbausteine und Mikroprozessoren
auszubilden. Die Leistung integrierter Schaltkreise kann verbessert
werden, indem die Anzahl funktionaler Elemente im Schaltkreis erhöht wird,
um seinen Funktionsumfang zu erweitern und/oder indem die Arbeitsgeschwindigkeit
der Schaltkreiselemente erhöht
wird. Eine Verringerung der Strukturgrößen ermöglicht es, eine größere Anzahl
von Schaltkreiselementen auf der gleichen Fläche auszubilden, wodurch eine
Erweiterung des Funktionsumfangs des Schaltkreises ermöglicht wird,
und führt
auch zu verringerten Signalausbreitungszeiten, wodurch eine Erhöhung der Arbeitsgeschwindigkeit
von Schaltkreiselementen ermöglicht
wird.
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Feldeffekttransistoren
werden als Schaltglieder in integrierten Schaltkreisen verwendet.
Sie ermöglichen
es, einen Strom zu steuern, der durch ein Kanalgebiet fließt, das
sich zwischen einem Sourcegebiet und einem Draingebiet befindet.
Das Sourcegebiet und das Draingebiet sind stark dotiert. in Transistoren
vom n-Typ sind das Source- und das Draingebiet mit einer Dotiersubstanz
vom n-Typ dotiert. Umgekehrt sind in Transistoren vom p-Typ das
Source- und das
Draingebiet mit einer Dotiersubstanz vom p-Typ dotiert. Die Dotierung
des Kanalgebiets ist zur Dotierung des Sourcegebiets und des Draingebiets
invers. Die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets wird von einer Gatespannung gesteuert, die an einer
Gateelektrode, die über
dem Kanalgebiet ausgebildet und von diesem durch eine dünne isolierende
Schicht getrennt ist, anliegt. In Abhängigkeit von der Gatespannung
kann das Kanalgebiet zwischen einem leitfähigen „Ein”-Zustand und einem im Wesentlichen nicht
leitenden „Aus”-Zustand
geschaltet werden.
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Das
Sourcegebiet, das Draingebiet und die Gateelektrode eines Feldeffekttransistors
in einem integrierten Schaltkreis sind durch Kontaktöffnungen, die
in einer Schicht aus einem Zwischenschichtdielektrikum über dem
Transistor ausgebildet sind, mit anderen Schaltkreiselementen verbunden.
Da das Source- und Draingebiet und die Gateelektrode unterschiedliche
Höhen haben
und eine Oberfläche
des Zwischenschichtdielektrikums im Wesentlichen flach ist, haben
die einzelnen Kontaktöffnungen
unterschiedliche Tiefen. Beim Ausbilden der Kontaktöffnungen
wird auf dem Zwischenschichtdielektrikum eine Maske ausgebildet,
die die Teile des Zwischenschichtdielektrikums, in denen die Kontaktöffnungen ausgebildet
werden sollen, freilässt.
Anschließend wird
ein anisotroper Ätzprozess
durchgeführt.
Um zu vermeiden, dass ein im Ätzprozess
verwendetes Ätzmittel
den Transistor schädigt,
wird zwischen dem Transistor und dem Zwischenschichtdielektrikum eine Ätzstoppschicht
bereitgestellt. Das Ätzmittel
ist dafür
ausgelegt, selektiv das Zwischenschichtdielektrikum zu entfernen
und ein Material der Ätzstoppschicht
im Wesentlichen unversehrt zu lassen. Dadurch endet der Ätzvorgang
unabhängig
von der Höhe
des Strukturelements unter der Kontaktöffnung, sobald die Ätzfront
die Ätzstoppschicht
erreicht.
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Wenn
die Größe von Feldeffekttransistoren verringert
wird, ist es wichtig, eine hohe Leitfähigkeit des Kanalgebiets im
Ein-Zustand beizubehalten. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets im
Ein-Zustand hängt von
der Konzentration der Dotiersubstanz im Kanalgebiet, der Beweglichkeit
der Ladungsträger,
der Ausdehnung des Kanalgebiets in der Breitenrichtung des Transistors
und dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet, der üblicherweise
als „Kanallänge” bezeichnet
wird, ab. Während eine
Verringerung der Breite des Kanalgebiets zu einer Verringerung der
Kanalleitfähigkeit
führt,
verbessert eine Verringerung der Kanallänge die Kanalleitfähigkeit.
Eine Erhöhung
der Ladungsträgerbeweglichkeit
führt zu
einer Zunahme der Kanalleitfähigkeit.
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Wenn
die Strukturgrößen verringert
werden, verringert sich auch die Ausdehnung des Kanalgebiets in
der Breitenrichtung. Eine Verringerung der Kanallänge führt zu einer
Vielzahl damit verbundener Probleme. Zunächst müssen fortschrittliche Techniken
der Photolithographie und des Ätzens
bereitgestellt werden, um zuverlässig
und reproduzierbar Transistoren mit kleinen Kanallängen zu
erzeugen. Außerdem
werden im Sourcegebiet und im Draingebiet hochkomplizierte Dotierprofile
benötigt,
und zwar sowohl in der vertikalen Richtung als auch in der Längsrichtung,
um einen niedrigen Flächenwiderstand
und einen niedrigen Kontaktwiderstand in Kombination mit einer gewünschten
Steuerbarkeit des Kanals bereitzustellen. Außerdem kann eine Verringerung
der Kanallänge
zur Folge haben, dass es ist notwendig wird, die Tiefe des Sourcegebiets
und des Draingebiets bezüglich
der von der Gateisolierschicht und dem Kanalgebiet gebildeten Grenzflächen zu
verringern, was in manchen Ansätzen
dadurch erreicht werden kann, dass erhöhte Source- und Draingebiete,
die mit einer festgelegten Verschiebung zur Gateelektrode ausgebildet
sind, gebildet werden.
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Im
Hinblick auf die Probleme, die mit einer weiteren Verringerung der
Kanallänge
verbunden sind, wurde vorgeschlagen, die Leistung von Feldeffekttransistoren
auch durch Erhöhen
der Ladungsträgerbeweglichkeit
im Kanalgebiet zu verbessern. Im Prinzip können mindestens zwei Ansätze verfolgt werden,
um die Ladungsträgerbeweglichkeit
zu erhöhen.
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Erstens
kann die Konzentration der Dotiersubstanz im Kanalgebiet verringert
werden. Dadurch verringert sich die Wahrscheinlichkeit von Streuvorgängen von
Ladungsträgern
im Kanalgebiet, was zu einer Erhöhung
der Leitfähigkeit
des Kanalgebiets führt.
Eine Verringerung der Konzentration der Dotiersubstanz im Kanalgebiet
beeinflusst jedoch die Schwellenspannung der Transistorvorrichtung
erheblich. Dies macht die Verringerung der Konzentration der Dotiersubstanz
zu einem weniger attraktiven Ansatz.
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Zweitens
kann durch Erzeugen einer elastischen Zug- oder Druckspannung die
Gitterstruktur im Kanalgebiet verändert werden. Dies führt zu einer veränderten
Beweglichkeit der Elektronen bzw. Löcher. Eine Druckspannung im
Kanalgebiet erhöht
die Beweglichkeit der Löcher.
Je nach Stärke
der elastischen Druckspannung kann eine Zunahme der Beweglichkeit
der Löcher
um bis zu 15% erreicht werden. In einem Transistor vom p-Typ führt dies
zu einer entsprechenden Zunahme der Leitfähigkeit des Kanalgebiets. Umgekehrt
kann eine elastische Zugspannung im Kanalgebiet die Beweglichkeit
der Elektronen vergrößern. Somit
kann die Leistung der n-Typ-Transistoren verbessert werden, indem
eine Zugspannung in dem Kanalgebiet bereitgestellt wird.
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In
einem Verfahren zum Ausbilden von Feldeffekttransistoren mit verspannten
Kanalgebieten gemäß dem Stand
der Technik wird eine Schicht, die eine Legierung aus Silizium und
Kohlenstoff oder eine Legierung aus Silizium und Germanium enthält in das
Kanalgebiet eingebracht, um eine elastische Druck- oder Zugspannung
zu erzeugen. Alternativ kann eine solche spannungserzeugende Schicht
unter dem Kanalgebiet vorgesehen sein.
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Ein
Problem, das bei dem Verfahren zum Ausbilden von Feldeffekttransistoren
mit verspannten Kanalgebieten nach dem Stand der Technik auftritt,
ist, dass das Ausbilden der spannungserzeugenden Schicht eine erhebliche
Veränderung
konventioneller und gut etablierter Techniken, die zum Ausbilden
von Feldeffekttransistoren verwendet werden, erfordert. Beispielsweise
müssen
zusätzliche
Techniken des epitaktischen Aufwachsens entwickelt werden und in
den Arbeitsablauf eingebaut werden, um die verspannungserzeugenden
Schichten auszubilden. Dadurch wird die Komplexität des Ausbildens der
Transistoren im Vergleich zum Ausbilden von Transistoren ohne spannungserzeugende
Schichten in oder unter dem Kanalgebiet deutlich erhöht.
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Im
Hinblick auf das oben erwähnte
Problem besteht ein Bedarf nach einem Verfahren, das es ermöglicht,
gewünschte
elastische Spannungsbedingungen in einem Feldeffekttransistor zu
erzeugen, ohne dass dazu grundsätzliche Änderungen
des Herstellprozesses erforderlich wären.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Gemäß einer
veranschaulichenden Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Ausbilden einer
Halbleiterstruktur die Merkmale des Anspruchs 1.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den beigefügten Patentansprüchen definiert
und werden anhand der folgenden ausführlichen Beschreibung deutlicher,
wenn diese mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen verwendet
wird. Es zeigen:
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1 eine
schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur;
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2a bis 2e schematische
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur in Stadien eines
Herstellungsprozesses gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegende Erfindung;
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3 eine
schematische Querschnittsansicht eines Reaktors, der für die plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidung geeignet ist;
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4 Kupferkonzentrationen
in Siliziumnitridschichten, die Diffusionsbarriereneigenschaften einer
verspannten Schicht in einer Halbleiterstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung veranschaulichen;
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5 Sperrströme und Sättigungsströme von Feideffekttransistoren
in Halbleiterstrukturen gemäß der vorliegenden
Erfindung; und
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6a und 6b schematische
Querschnittsansichten einer Halbleiterstruktur in Stadien eines
Herstellungsprozesses gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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Die
vorliegende Erfindung ermöglicht
das Ausbilden einer Halbleiterstruktur, die ein Transistorelement
umfasst, dessen Kanalgebiet einer mechanischen Druckspannung ausgesetzt
ist. Zu diesem Zweck wird über
dem Transistorelement eine verspannte Schicht, die eine vorbestimmte
intrinsische elastische Druckspannung mit einem Betragswert von
ungefähr
1 GPa oder mehr aufweisen kann, ausgebildet. Auf Grund dieser hohen
intrinsischen elastischen Spannung übt die verspannte Schicht beträchtliche
elastische Kräfte
auf das Kanalgebiet des Transistorelements aus. Dadurch wird in
dem Kanalgebiet eine elastische Druckspannung erzeugt. Diese elastische
Druckspannung führt
zu einer Zunahme der Beweglichkeit der Löcher im Kanalgebiet. In einigen
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die verspannte Schicht als Ätzstoppschicht
beim Ausbilden von Kontaktöffnungen
durch eine Schicht aus einem Zwischenschichtdielektrikum verwendet
werden.
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In
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die Halbleiterstruktur Transistorelemente
umfassen, deren Kanalgebiete unterschiedlichen mechanischen Verspannungen
ausgesetzt sind. Zu diesen Zweck können über den Transistorelementen
verspannte Schichten mit unterschiedlichen Spannungseigenschaften
gebildet werden. Eine der verspannten Schichten kann eine vorbestimmte
intrinsische elastische Druckspannung mit einem Betrag von ungefähr 1 GPa
oder mehr aufweisen. Somit können
Transistorelemente unter dieser verspannten Schicht einer elastischen
Druckspannung ausgesetzt werden, was zu einer Zunahme der Beweglichkeit
der Löcher
in ihren Kanalgebieten führt.
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Mit
Bezug auf die Zeichnungen werden nun weitere anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung genauer beschrieben.
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1 zeigt
eine schematische Querschnittsansicht einer Halbleiterstruktur 1.
Die Halbleiterstruktur 1 umfasst ein Substrat 2.
Das Substrat 2 umfasst ein erstes Transistorelement 3 und
ein zweites Transistorelement 4. Flache Isoliergräben 5, 6 und 7 isolieren
die Transistorelemente 3, 4 elektrisch voneinander
und von den anderen Schaltkreiselementen in der Halbleiterstruktur 1.
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Das
erste Transistorelement 3 umfasst ein aktives Gebiet 8.
In dem aktiven Gebiet 8 sind ein Sourcegebiet 14 und
ein Draingebiet 15 neben einem Kanalgebiet 28 ausgebildet. Über dem
Kanalgebiet 28 ist eine Gateelektrode 12, die
durch eine Gateisolierschicht 10 von dem aktiven Gebiet 8 getrennt
ist, ausgebildet. Neben der Gateelektrode 12 sind Seitenwandabstandselemente 18, 19 ausgebildet.
Das Sourcegebiet 14 umfasst ein Metallsilizidgebiet 22. Entsprechend
umfasst das Draingebiet 15 ein Metallsilizidgebiet 23.
Ein weiteres Metallsilizidgebiet 24 ist auf der Gateelektrode 12 ausgebildet.
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Ähnlich wie
das Transistorelement 3 umfasst das zweite Transistorelement 4 ein
aktives Gebiet 9, ein Sourcegebiet 16, ein Draingebiet 17,
ein Kanalgebiet 29, eine Gateelektrode 13, eine
Gateisolierschicht 11, Seitenwandabstandselemente 20 und 21, und
Metallsilizidgebiete 25, 26 und 27, die
in dem Sourcegebiet 16 bzw. dem Draingebiet 17 bzw.
der Gateelektrode 13 ausgebildet sind.
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Ein
Verfahren zum Ausbilden der Halbleiterstruktur 1 wird mit
Bezug auf 1 beschrieben. Zuerst werden
die Isoliergräben 5, 6 und 7 und
die aktiven Gebiete 8, 9 im Substrat 2 ausgebildet.
Anschließend
werden die Gateisolierschichten 10, 11 und die Gateelektroden 12 und 13 über dem
Substrat 2 ausgebildet. Dies kann mit Hilfe bekannter fortschrittlicher
Techniken der Ionenimplantation, Oxidation, Abscheidung und Photolithographie
geschehen. Anschließend
werden Ionen einer Dotiersubstanz in die Sourcegebiete 14, 16 und
die Draingebiete 15, 17 implantiert. Danach werden
neben den Gateelektroden 12, 13 die Seitenwandabstandselemente 18, 19, 20, 21 ausgebildet,
was durch konformes Abscheiden einer Schicht aus einem Abstandselementmaterial über dem
Substrat 2 und durch Durchführen eines anisotropen Ätzprozesses
geschehen kann, wie es Fachleuten bekannt ist. Danach werden die
Sourcegebiete 14, 16 und die Draingebiete 15, 17 durch
eine weitere Implantation von Ionen einer Dotiersubstanz fertiggestellt.
Bei dieser Implantation schützen
die Seitenwandabstandselemente 18, 19, 20, 21 Teile der
Sourcegebiete 14, 16 und der Draingebiete 15, 17 neben
der Gateelektrode 12, 13 davor, mit Ionen bestrahlt
zu werden. Deshalb umfassen die Source- und Draingebiete Sourcerweiterungen
bzw. Drainerweiterungen, die flacher als der Rest der Source- und Draingebiete
sind. Abschließend
werden die Metallsilizidgebiete 22, 23, 24, 25, 26, 27 ausgebildet,
indem über dem
Substrat 2 eine hitzebeständige Metallschicht, die beispielsweise
Kobalt umfassen kann, abgeschieden wird und die Halbleiterstruktur 1 ausgeheizt
wird, um eine chemische Reaktion zwischen dem Metall und dem Silizium
in den Sourcegebieten 14, 16, den Draingebieten 15, 17 und
den Gateelektroden 12, 13 in Gang zu setzen.
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In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist eines der Transistorelemente 3, 4 ein
Transistor vom p-Typ, während
das andere der Transistorelemente 3, 4 ein Transistor
vom n-Typ ist. In solchen Ausführungsformen
wird bei jedem der Ionenimplantationsprozesse, die beim Ausbilden
der Sourcegebiete 14, 16 und der Draingebiete 15, 17 durchgeführt werden,
eines der Transistorelemente 3, 4 mit einer ersten
Maske (nicht gezeigt) abgedeckt. Anschließend wird die Halbleiterstruktur 1 mit
Ionen einer ersten Dotiersubstanz, beispielsweise einer Dotiersubstanz
vom n-Typ, wie etwa Arsen (As), bestrahlt. Anschließend wird
die erste Maske entfernt und das andere Transistorelement mit einer
zweiten Maske (nicht gezeigt) abgedeckt. Daraufhin wird die Halbleiterstruktur 1 mit
Ionen einer zweiten Dotiersubstanz, beispielsweise einer Dotiersubstanz
vom p-Typ, wie etwa Bor (B), bestrahlt.
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Weitere
Stadien eines Verfahrens zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur
gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den 2a bis 2e gezeigt.
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Zuerst
wird eine Halbleiterstruktur 1, wie oben mit Bezug auf 1 beschrieben,
bereitgestellt. Eine erste verspannte Schicht 201 wird über dem
ersten Transistorelement 3 und dem zweiten Transistorelement 4 ausgebildet.
Die erste verspannte Schicht 201 weist eine erste vorbestimmte
intrinsische elastische Verspannung auf.
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In
einer veranschaulichenden Ausführungsform
kann die erste verspannte Schicht 201 mit Hilfe plasmaverstärkter chemischer
Dampfabscheidung ausgebildet werden.
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Die
plasmaverstärkte
chemische Dampfabscheidung wird nun mit Bezug auf 3,
die eine schematische Querschnittsansicht eines Reaktors 300 für die plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidung zeigt, beschrieben.
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Der
Reaktor 300 umfasst ein Gefäß 301. In dem Gefäß ist ein
Substrat 314 über
einer Elektrode 313 und einer Heizvorrichtung 312 bereitgestellt.
Die Heizvorrichtung weist einen Radius R auf und ist dafür ausgelegt,
das Substrat 314 auf einer vorbestimmten Temperatur zu
halten. Über
dem Substrat 314 und der Elektrode 313 ist ein
Sprühkopf 303 vorgesehen.
Ein Abstand h trennt den Sprühkopf 303 vom
Substrat 314. In einer speziellen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung kann der Radius R einen Wert von ungefähr 110 mm haben und das Gefäß 301 kann
ein Volumen von ungefähr
13000 cm3 haben. Der Abstand h kann verändert werden,
beispielsweise durch Bewegen des Sprühkopfs 303 oder des
Substrats 314. Der Sprühkopf 303 und
die Elektrode 313 sind mit Hilfe von Leitungen 316, 317 mit
einer Stromquelle 318 verbunden.
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Der
Sprühkopf 303 umfasst
eine Mischkammer 304. Leitungen 306, 307, 308 verbinden
die Mischkammer 304 mit Gasquellen 319, 320, 321.
Jeder der Gasquellen 319, 320, 321 kann
dafür ausgelegt
sein, ein Gas einer bestimmten Sorte bereitzustellen. Insbesondere
können
die von den Gasquellen 319, 320, 321 bereitgestellten
Gase gasförmige Ausgangsstoffe
und/oder Hintergrundgase, die zum Verdünnen der Ausgangsstoffe vorgesehen
sind, umfassen. Massendurchflussregler 309, 310, 311 sind
dafür ausgelegt,
einen Gasfluss von den Gasquellen 319, 320, 321 zu
der Mischkammer 304 zu regeln. Eine Verteilerplatte 305 trennt
die Mischkammer 304 von einem inneren Volumen des Gefäßes 301.
Die Verteilerplatte 305 ist gasdurchlässig und kann Kanäle und/oder
Poren (nicht gezeigt) umfassen, durch die die Ausgangsstoffe von
der Mischkammer 304 in das innere Volumen des Gefäßes 301 fließen können.
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Die
Stromquelle 318 kann dafür ausgelegt sein, eine Wechselspannung
mit Radiofrequenz zwischen dem Sprühkopf 303 und der
Elektrode 313 anzulegen. Zusätzlich kann die Stromquelle 318 dafür ausgelegt
sein, zwischen dem Sprühkopf 303 und der
Elektrode 313 eine Gleichspannung oder eine Wechselspannung
niedriger Frequenz anzulegen, die als „Vorspannung” bezeichnet
wird. In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Reaktor 300 zwei getrennte
Stromquellen, die dafür
ausgelegt sind, die Wechselspannung mit Radiofrequenz bzw. die Vorspannung
bereitzustellen, umfassen.
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Die
Gase können
das Gefäß 301 durch
Auslasskanäle 302, 322 verlassen.
Die Auslasskanäle 302, 322 können mit
Vakuumpumpen (nicht gezeigt), die dafür ausgelegt sind, einen Druck
im Gefäß 301 zu
steuern, verbunden sein.
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Beim
Betrieb des Reaktors 301 strömt ein erstes Gas von der Gasquelle 319 zur
Mischkammer 304. Der Fluss des ersten Gases wird durch
den Massendurchflussregler 309 gesteuert. Entsprechend
fließen
ein zweites Gas und ein drittes Gas von der Gasquelle 320 und
der Gasquelle 321 zu der Mischkammer 304. Der
Fluss des zweiten bzw. des dritten Gases wird durch die Massendurchflussregler 310 bzw. 311 gesteuert.
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In
der Mischkammer mischen sich die Gase miteinander. Die Gasmischung
fließt
durch die Verteilerplatte 305 in das Gefäß 301.
Eine Strömungsrichtung
der Gasmischung ist auf das Substrat 314 zugerichtet. Die
Wechselspannung mit Radiofrequenz und/oder die Vorspannung, die
zwischen dem Sprühkopf 303 und
Elektrode 313 anliegen, erzeugen in einem Volumen zwischen
dem Sprühkopf 303 und
dem Substrat 314 eine Glimmentladung. Durch die Glimmentladung
wird aus der Gasmischung ein Plasma erzeugt. Das Plasma umfasst
Teilchen, wie beispielsweise Ionen, Radikale und Atome bzw. Moleküle in angeregten
Zuständen,
die eine große
Reaktionsfähigkeit
besitzen. Wenn sich die Strömung
der Gasmischung und/oder des Plasmas dem Substrat 314 nähert, wird
sie aus ihrer Strömungsrichtung
abgelenkt und erhält
eine Radialgeschwindigkeit, die auf einen Umfang des Substrats 314 zugerichtet
ist.
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Auf
dem Substrat 314 oder in dessen Nähe findet eine chemische Reaktion
zwischen den gasförmigen
Ausgangsstoffen und/oder Teilchen, die in Plasma daraus erzeugt
wurden, statt. Feste Produkte der chemischen Reaktion werden auf
dem Substrat 314 abgeschieden und bilden auf einer Abscheideoberfläche des
Substarts eine Materialschicht 315. Gasförmige Produkte
der chemischen Reaktion, nicht verbrauchte Ausgangsstoffe und Hintergrundgase
verlassen das Gefäß 301 durch
die Auslasskanäle 302, 322.
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Der
plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidung kann eine Vorbereitung des Reaktors 300 vorausgehen.
Bei dieser Vorbereitung wird das Substrat 314 in das Gefäß 301 eingesetzt.
Anschließend
wird der Gasfluss von den Gasquellen 319, 320, 321 in
die Mischkammer 304 eingeschaltet und das Substrat 314 wird
von der Heizvorrichtung 312 aufgeheizt. Dadurch stabilisieren
sich der Gasfluss durch den Reaktor 300, der Druck im Gefäß 301 und die
Temperatur des Substrates 314. Die Vorbereitung des Reaktors 300 kann
auch eine Einstellung des Abstandes h, die durch das Positionieren
der Heizvorrichtung 312 und/oder des Sprühkopfs 303 geschehen
kann, umfassen. Die Stromquelle 318 wird bei der Vorbereitung
des Reaktors jedoch nicht eingeschaltet. Deshalb wird in dem Volumen
zwischen dem Substrat 314 und dem Sprühkopf 303 kein Plasma
erzeugt. Folglich wird auf der Abscheideoberfläche des Substrats 314 im
Wesentlichen kein Material abgeschieden.
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Nach
der plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidung kann der Reaktor 300 gereinigt werden.
Bei der Reinigung lässt
man ein chemisch inertes Gas durch den Reaktor 300 strömen. Dadurch
werden Rückstände der
gasförmigen
Ausgangsstoffe und Teilchen, die durch Reaktionen in der Gasphase
erzeugt wurden, aus dem Gefäß 301 entfernt.
Bei der Reinigung kann der Abstand h zwischen dem Substrat 314 und
dem Sprühkopf 303 ungefähr gleich
wie bei der plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidung sein. In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Abstand h bei der Reinigung
größer als
bei der plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidung sein.
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Die
Eigenschaften des plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidungsprozesses und der dadurch erzeugten Materialschicht 315 werden
durch Parameter wie etwa die Art der verwendeten Ausgangsstoffe,
die Flüsse
der einzelnen Ausgangsstoffe, den Abstand h, die Temperatur des
Substrats, die Leistung der Wechselspannung mit Radiofrequenz und
die Vorspannung beeinflusst.
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Eine Änderung
des Abstands h verändert das
Volumen des Plasmas, und somit auch das Oberflächen-Volumen-Verhältnis zwischen
einer Fläche
der Abscheideoberfläche
des Substrats 314 und dem Volumen des Plasmas. Dies kann
eine Aufenthaltsdauer von Teilchen im Plasma, eine Verbrauchsrate
der Ausgangsstoffe und die Radialgeschwindigkeiten von Gasen, die über das
Substrat strömen,
beeinflussen. Dadurch können
das Ausmaß von
Reaktionen in der Gasphase, charakteristische Eigenschaften der
Gasströmung
und eine radiale Gleichmäßigkeit
der abgeschiedenen Materialschicht 315 beeinflusst werden.
Zusätzlich
können
Veränderungen
des Abstands h Auswirkungen auf die Dichte und das Potential des
Plasmas haben. Die Dichte des Plasmas kann auch gesteuert werden,
indem die Leistung der Wechselspannung mit Radiofrequenz und/oder
der Druck in Gefäß 301 verändert werden. Änderungen
der Vorspannung können
die Geschwindigkeit, mit der Ionen, die in dem von der Vorspannung
erzeugten elektrischen Feld beschleunigt werden, auf dem Substrat 314 auftreffen,
verändern.
Die Temperatur des Substrates 314 kann die Rate der chemischen
Reaktionen, die auf der Abscheideoberfläche stattfinden, beeinflussen.
Die oben erwähnten Parameter
können
auch einen Einfluss auf eine intrinsische elastische Spannung der
Schicht 315 haben, die durch Verändern von einem oder mehreren dieser
Parameter gesteuert werden kann.
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Beim
Ausbilden der ersten verspannten Schicht 201 kann die Halbleiterstruktur 1 als
das Substrat 314 in dem Reaktor 300 bereitgestellt
werden. Die Abscheideoberfläche
kann Oberflächen
der Sourcegebiete 14, 16, der Draingebiete 15, 17,
der Gateelektroden 12, 13, der Seitenwandabstandselemente 18, 19, 20, 21 und
der flachen Isoliergräben 5, 6 und 7 umfassen.
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Die
erste verspannte Schicht 201 kann ein dielektrisches Material,
wie z. B. Siliziumnitrid oder Siliziumkarbonat, umfassen. Die erste
vorbestimmte intrinsische elastische Verspannung kann eine Druckspannung
mit einem Betragswert von mindestens ungefähr 1 Gpa sein. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann sich der Betragswert der ersten
vorbestimmten intrinsischen elastischen Verspannung in einem Bereich
von ungefähr
1 GPa bis ungefähr
2.2 GPa befinden.
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Eine
erste verspannte Schicht 201, die eine Siliziumnitrid mit
einer intrinsischen elastischen Druckspannung mit einem Betragswert
von ungefähr 2
GPa umfasst, kann mit Hilfe eines plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidungsprozesses
abgeschieden werden, wie im Folgenden ausgeführt wird.
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In
der Ausführungsform,
in der die erste verspannte Schicht 201 aus Siliziumnitrid
besteht, sind die Gasquellen 319, 320, 321 dafür ausgelegt,
Silan, Ammoniak und Stickstoff bereitzustellen. Der Massendurchflussregler 309 ist
dafür ausgelegt,
einen Silan-Fluss zum Sprühkopf 303 zu
steuern. Entsprechend sind die Massendurchflussregler 310 bzw. 311 dafür ausgelegt,
einen Ammoniakfluss und einen Stickstofffluss zum Sprühkopf 303 zu
steuern.
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Vor
der Abscheidung wird die Halbleiterstruktur 1 in das Gefäß 303 als
das Substrat 314 eingesetzt. Der Reaktor 300 wird
vorbereitet. Während der
Vorbereitung werden ein Silanfluss in einem Bereich von ungefähr 70 sccm
bis ungefähr
130 sccm, beispielsweise ein Silanfluss von ungefähr 100 sccm, ein
Ammoniakfluss im Bereich von ungefähr 250 sccm bis ungefähr 550 sccm,
beispielsweise ein Ammoniak-Fluss ungefähr 400 sccm, und ein Stickstofffluss
im Bereich von ungefähr
9200 sccm bis ungefähr
10000 sccm, beispielsweise ein Stickstofffluss von ungefähr 9600
sccm, bereitgestellt. Der Druck im Gefäß 301 wird so gesteuert,
dass er sich im Bereich zwischen 560 Pa bis 640 Pa (4.2 Torr bis
ungefähr 4.8)
Tor befindet. Beispielsweise kann der Druck ungefähr 599 Pa
(4.5 Tor) betragen. Die Heizvorrichtung 312 wird so gesteuert,
dass sie eine Temperatur der Halbleiterstruktur 1 von ungefähr 400°C bereitstellt.
Der Abstand h befindet sich im Bereich von ungefähr 0,808 m bis ungefähr 0,013
m (300 mils bis ungefähr
500 mils) Beispielsweise kann der Abstand h ungefähr 0,01
m (400 mils) betragen. Die Stromquelle 318 befindet sich
in einem ausgeschalteten Zustand. Die Vorbereitung wird ungefähr 15 Sekunden
lang durchgeführt.
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Anschließend wird
die erste verspannte Schicht 201 abgeschieden. Zu diesem
Zweck wird die Stromquelle 318 eingeschaltet, um zwischen
der Elektrode 313 und dem Sprühkopf 303 eine Wechselspannung
mit Radiofrequenz mit einer Leistung von ungefähr 680 W anzulegen. Die anderen
Parameter können
im Wesentlichen identisch mit denen, die bei der Vorbereitung verwendet
wurden, sein. Durch die Wechselspannung mit Radiofrequenz wird zwischen der
Halbleiterstruktur 1 und dem Sprühkopf 303 ein Plasma
erzeugt, eine chemische Reaktion findet statt und Siliziumnitrid
wird auf der Halbleiterstruktur 1 abgeschieden. Die Abscheidung
kann ungefähr
9 Sekunden lang durchgeführt
werden, um eine erste verspannte Schicht mit einer Dicke von ungefähr 50 nm (ungefähr 500 Å) zu erhalten.
Eine größere oder
kleinere Dicke der ersten verspannten Schicht 201 kann erhalten
werden, indem die Abscheidungszeit entsprechend verlängert oder
verkürzt
wird. Eine Dicke der ersten verspannten Schicht kann sich in einem Bereich
von ungefähr
20 nm bis ungefähr
150 nm (200 Å bis
ungefähr
1500 Å)
befinden.
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Bei
einem plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsprozess gemäß der vorliegenden Erfindung
kann die Vorspannung ungefähr
gleich Null sein. Vorteilteilhafterweise bleibt dadurch die Wahrscheinlichkeit
eines Lichtbogenüberschlags
in den Kanälen
des Sprühkopf 303 klein.
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Nach
der Abscheidung wird der Reaktor 300 gereinigt. Zu diesem
Zweck wird ein Stickstoff-Fluss in
einem Bereich von ungefähr
9200 sccm bis ungefähr
10000 sccm, beispielsweise ein Stickstoff-Fluss von ungefähr 9600
sccm bereitgestellt. Der Silanfluss und der Ammoniakfluss sind ungefähr gleich
Null. Die Stromquelle 318 befindet sich in einem ausgeschalteten
Zustand und die Temperatur der Halbleiterstruktur 1 wird
auf 400°C
gehalten. Die Reinigung kann ungefähr 20 Sekunden lang durchgeführt werden.
Abschließend
können
die Gase im Gefäß 301 durch
die Auslasskanäle 302, 322 abgepumpt
werden, was ungefähr
15 Sekunden lang dauern kann. Bei der Reinigung und während des
Abpumpens des Gases kann der Abstand h in einem Bereich von zwischen
0,008 m bis ungefähr
0,013 m (300 mils bis ungefähr
500 mils) gehalten werden, beispielsweise bei ungefähr 0,01
m (400 mils), Vorteilhafterweise verringert sich dadurch, dass während der
Abscheidung, der Reinigung und dem Pumpen der gleiche Abstand eingestellt
wird, die Kondensationsrate von Keimen in der Gasphasen auf der
Oberfläche
der Schicht, wodurch die Qualität
des Schicht verbessert wird.
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In
andern Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
Parameter des plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsprozesses verändert werden, um eine andere
erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung zu erhalten.
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Kleinere
Werte der Leistung der Wechselspannung mit Radiofrequenz ergeben
kleinere Beträge
der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung. Beispielsweise
kann eine erste vorbestimmte intrinsische elastische Druckspannung mit
einem Betragswert im Bereich von ungefähr 1 GPa bis ungefähr 2.2 GPa
erhalten werden, indem die Leistung der Wechselspannung mit Radiofrequenz
zwischen 550 W und 730 W variiert wird.
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In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung enthält
das Gefäß 301 zwei
Wafer-Stationen, von denen jede einen Sprühkopf ähnlich dem Sprühkopf 303,
eine Heizvorrichtung ähnlich der
Heizvorrichtung 312 und eine Elektrode ähnlich der Elektrode 313 umfasst.
Auf jeder Elektrode kann ein Substrat bereitgestellt werden. Für jede der
Wafer-Stationen kann eine Stromquelle ähnlich der Stromquelle 318 bereitgestellt
werden. So kann die plasmaverstärkte
chemische Dampfabscheidung vorteilhafterweise für zwei Substrate gleichzeitig durchgeführt werden.
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Der
oben beschriebene plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidungsprozess kann in einer den Fachleuten bekannten
CVD-Anlage vom Typ „Applied
Materials Producer” mit
einer Doppelkammer durchgeführt
werden.
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Ein
plasmaverstärkter
chemischer Dampfabscheidungsprozess kann mit Hilfe unterschiedlich großer Reaktoren
durchgeführt
werden. Dies kann eine Anpassung einiger der Parameter des Abscheidungsprozesses
erfordern. Beispielsweise können Gasflüsse relativ
zum Volumen des Gefäßes 301 skaliert
werden, wobei die Verhältnisse
zwischen den Gasflüssen
beibehalten werden. Eine Leistung der Wechselspannung mit Radiofrequenz
kann bezüglich
einer Fläche
der Oberfläche
des Substrats 314 skaliert werden.
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Vorteilhafterweise
erhält
man mit dem oben beschriebenen plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidungsprozess
Siliziumnitridschichten mit einer geringer Dichte von Teilchen in
der Schicht und einer geringen Inhomogenität. Mit Hilfe von den Fachleuten
bekannten Verfahren wurden Inhomogenitäten von ungefähr 1 bis
2% gemessen.
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Die
erste verspannte Schicht 201 kann eine Barriere gegen die
Kupferdiffusion bereitstellen.
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Diffusionsbarriereeigenschaften
einer Siliziumnitridschicht, die mit Hilfe eines plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidungsprozesses gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet wurde, wurden mit Hilfe von Experimenten untersucht.
Zu diesem Zweck wurden Siliziumnitridschichten, die eine elastische
Druckspannung aufweisen, mit Hilfe des oben beschriebenen Prozesses
auf Siliziumsubstraten abgeschieden. Die Siliziumnitridschichten
hatten eine Dicke von 50 nm (500 Å). Die Siliziumnitridschichten
wurden mit Kupferschichten mit einer Dicke von 100 nm (1000 Å) abgedeckt.
Anschließend wurde
ein einstündiges
Ausheizen bei einer Temperatur von 450°C durchgeführt.
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Anschließend wurde
mit Hilfe der Sekundärionen-Massenspektroskopie,
die den Fachleuten wohl bekannt ist, eine Kupferkonzentration in
den Siliziumnitridschichten und den Siliziumsubstraten gemessen. 4 zeigt
zwei Messkurven 401, 402 der Kupferkonzentration
als Funktion einer Tiefe, die anhand von zwei unterschiedlichen
Substraten bestimmt wurden.
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Ähnliche
Untersuchungen wurden für
im Wesentlichen unverspannte Siliziumnitridschichten (Messkurven 403, 404)
durchgeführt.
Die im Wesentlichen unverspannten Siliziumnitridschichten wurden mit
Hilfe eines plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsprozesses, der im Folgenden beschrieben
wird, ausgebildet.
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Zuerst
wird das Substrat in den Reaktor eingeführt. Anschließend wird
in der Reaktor 300 vorbereitet, wobei sich die Stromquelle 318 in
einem ausgeschalteten Zustand befindet. Bei der Vorbereitung werden
ein Silanfluss in einem Bereich von ungefähr 120 sccm bis ungefähr 180 sccm,
beispielsweise ein Silanfluss von ungefähr 150 sccm, ein Ammoniakfluss
in einem Bereich von ungefähr
210 sccm bis ungefähr
310 sccm, beispielsweise Silanfluss für ungefähr 260 sccm, und ein Stickstofffluss
in einen Bereich von ungefähr
7600 sccm bis ungefähr
9600 sccm, beispielsweise ein Stickstofffluss von ungefähr 8600
scc, bereitgestellt. Der Druck im Gefäß wird so gesteuert, dass er
in einem Bereich zwischen ungefähr
573 Pa bis ungefähr
907 Pa (4.3 Torr bis ungefähr
5.3) Tor liegt. Beispielsweise kann der Druck ungefähr 4.8 Torr
betragen. Die Substrattemperatur beträgt ungefähr 400°C. Der Abstand h liegt in einem Bereich
zwischen ungefähr
0,015 bis 0,018 m (600 mils bis ungefähr 700 mils). Beispielsweise
kann der Abstand h ungefähr
0,017 m (650 mils) betragen. Die Vorbereitung wird ungefähr 15 Sekunden
lang durchgeführt.
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Anschließend wird
die erste verspannte Schicht 201 abgeschieden. Zu diesem
Zweck wird die Stromquelle 318 eingeschaltet, um zwischen
der Elektrode 313 und dem Sprühkopf 303 eine Wechselspannung
mit Radiofrequenz mit einer Leistung von ungefähr 520 W anzulegen. Die Vorspannung
ist ungefähr
gleich Null. Die Abscheidung kann ungefähr 11.5 Sekunden lang durchgeführt werden.
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Nach
der Abscheidung wird der Reaktor 300 ungefähr 10 Sekunden
lang bei einem Stickstofffluss in einem Bereich von ungefähr 7600
sccm bis ungefähr
9600 sccm, beispielsweise bei einem Stickstofffluss von ungefähr 8600
sccm, und Silan- bzw. Ammoniakflüssen,
die im Wesentlichen gleich Null sind, gereinigt. Während der
Reinigung ist der Abstand h 0,53 m (2100 mils) groß. Abschließend werden
Gase, die sich im Gefäß 301 befinden,
abgepumpt.
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Die
Kupferkonzentrationen in den Siliziumnitridschichten gemäß der vorliegenden
Erfindung sind ungefähr
gleich groß wie
die Kupferkonzentrationen in den unverspannten Siliziumnitridschichten.
Folglich ist eine Siliziumnitridschicht mit einer elastischen Druckspannung
eine effektive Kupferdiffusionsbarriere.
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Ein
weiterer Vorteil einer Schicht mit einer intrinsischen elastischen
Druckspannung gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine gute Haftung zwischen der ersten verspannten
Schicht 101 und den Metallsilizidgebieten 22, 23, 24, 25, 26, 27.
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Die
Haftung zwischen einer Siliziumnitridschicht, die mit dem oben beschriebenen
plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheidungsprozess zum Ausbilden einer Schicht
mit einer elastischen Druckspannung ausgebildet wurde, und Kobaltsilizid (CoSi)
wurde mit Hilfe eines den Fachleuten bekannten Vier-Punkt-Biegeverfahrens
untersucht. Haftungswerte von mehr als 10 J/m2 wurden
gemessen. Ähnliche
Werte wurden für
eine im Wesentlichen unverspannte Siliziumnitridschicht, die mit
Hilfe des oben beschriebenen Verfahrens zum Ausbilden einer unverspannten
Schicht ausgebildet wurde, gemessen. Folglich kann die erste verspannte
Schicht 201 ohne eine Verringerung der Haftung an den Metallsilizidgebieten 22, 23, 24, 25, 26, 27 im
Vergleich zu unverspannten Ätzstoppschichten
ausgebildet werden.
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Die
erste vorbestimmte intrinsische elastische Verspannung muss keine
Druckspannung sein. In anderen Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung kann die erste verspannte Schicht 201 eine intrinsische
elastische Zugspannung aufweisen.
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Siliziumnitridschichten
mit einer Zugspannung können
mit Hilfe eines plasmaverstärkten
chemischen Dampfabscheideprozesses ausgebildet werden, wie es im
Folgenden beschrieben wird.
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Als
erstes wird die Halbleiterstruktur 1 als das Substrat 314 in
das Gefäß 301 eingesetzt.
Anschließend
wird der Reaktor ungefähr
15 Sekunden lang vorbereitet. Während
der Vorbereitung befindet sich die Stromquelle 318 in einem
ausgeschalteten Zustand und ein Silanfluss im Bereich von ungefähr 140 sccm
bis ungefähr
200 sccm, ein Ammoniakfluss im Bereich von ungefähr 210 sccm bis ungefähr 310 sccm,
und ein Stickstofffluss von ungefähr 8600 sccm werden bereitgestellt.
In einer speziellen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, werden Silan- und Ammoniakflüsse von
ungefähr
170 sccm und ungefähr
260 sccm bereitgestellt. Der Druck im Gefäß 301 und die Temperatur
der Halbleiterstruktur 1 werden so gesteuert, dass sie
in einem Bereich von ungefähr
599 Pa bis ungefähr
680 Pa (4.5 Torr bis ungefähr
5.1 Tor) und 400°C
liegen. Beispielsweise kann der Druck ungefähr 640 Pa (4.8 Torr) betragen. Es
wird ein Abstand h im Bereich von ungefähr 0,018 m bis 0,03 m (700
mils bis ungefähr
1100 mils), beispielsweise ein Abstand von ungefähr 0,23 m (900 mils), bereitgestellt.
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Anschließend wird
die erste verspannte Schicht abgeschieden, indem die Stromquelle 318 eingeschaltet
wird, um zwischen der Elektrode 313 und dem Sprühkopf 303 eine
Wechselspannung mit Radiofrequenz mit einer Leistung von ungefähr 300 W
anzulegen, wobei die anderen Parameter im Wesentlichen identisch
mit denen, die bei der Vorbereitung verwendet wurden, sein können. Nach
der Abscheidung wird der Reaktor 300 ungefähr 10 Sekunden
lang bei einem Stickstofffluss von ungefähr 8600 sccm und bei einem
Silan- und einem Ammoniakfluss der ungefähr gleich Null ist, gereinigt.
Während
der Reinigung beträgt
der Abstand h ungefähr
0,53 m (2100 mils).
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Der
oben beschriebene plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidungsprozess ergibt Siliziumnitridschichten mit einer
vorbestimmten intrinsischen elastischen Zugspannung von ungefähr 900 MPa.
Andere Werte der vorbestimmten intrinsischen elastischen Zugspannung
erhält
man, indem die Parameter des plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheideprozesses,
insbesondere der Abstand h und die Temperatur, variiert werden.
Beispielsweise können
Werte der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung
in einen Bereich von ungefähr
500 MPa bis ungefähr
900 MPa erhalten werden, indem der Abstand h zwischen ungefähr 0,013
m bis 0,026 m (500 mils und ungefähr 1000 mils) variiert wird.
Es können
Werte der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung
in einen Bereich von ungefähr
900 MPa bis ungefähr 1100
MPa erhalten werden, indem die Temperatur zwischen ungefähr 400°C und ungefähr 500°C variiert
wird.
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Wie
in 2a gezeigt, wird nach dem Ausbilden der ersten
verspannten Schicht 201 eine erste dielektrische Schicht 202 über der
Halbleiterstruktur 1 abgeschieden. Eine Dicke der ersten
dielektrischen Schicht 202 kann größer als eine Höhe der von
der ersten verspannten Schicht 201 bedeckten Gateelektroden 12, 13 sein.
Wegen der Topologie der darunter liegenden Halbleiterstruktur 1 ist
eine Oberfläche
der ersten dielektrischen Schicht 202 uneben. Insbesondere
weist die erste dielektrische Schicht 202 Höcker über den
Gateelektroden 12, 13 auf.
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Die
erste dielektrische Schicht 202 kann mit Hilfe chemischer
Dampfabscheidung, plasmaverstärkter
chemischer Dampfabscheidung, oder anderer den Fachleuten bekannten
Abscheidungsprozesse abgeschieden werden.
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Die
erste dielektrische Schicht 202 kann Siliziumdioxid umfassen.
-
2b zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 1 in
einem späteren Stadium
des Herstellungsprozesses.
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Die
erste dielektrische Schicht 202 wird durch Entfernen eines
Teils der ersten dielektrischen Schicht 202, der sich über dem
zweiten Transistorelement 4 befindet, strukturiert. Dies
kann mit Hilfe den Fachleuten bekannter photolithographischer Techniken
und Ätztechniken
geschehen. Nach dem Strukturieren lässt die erste dielektrische
Schicht 202 das zweite Transistorelement 4 frei.
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Ein
Teil der ersten verspannten Schicht 201, der sich über dem
zweiten Transistorelement 4 befindet, kann nach dem Strukturieren
der ersten dielektrischen Schicht 202 entfernt werden.
Dies kann mit Hilfe eines Ätzprozesses
geschehen. In einer Ausführungsform,
dient die erste dielektrische Schicht 202 als eine Maske,
die einen Teil der ersten verspannten Schicht 201, der
sich über
dem ersten Transistorelement 3 befindet, davor schützt, einem Ätzmittel
ausgesetzt zu werden.
-
Der Ätzprozess
kann ein Aussetzen der Halbleiterstruktur 1 an ein Ätzmittel,
das dafür
ausgelegt ist, selektiv das Material der ersten verspannten Schicht 201 zu
entfernen und das Material der ersten dielektrischen Schicht 202 und
die Materialien der flachen Isoliergräben 6, 7,
der Seitenwandabstandselemente 18, 19, und der
Metallsilizidgebiete 24, 27 im Wesentlich unversehrt
zu lassen, umfassen.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die erste verspannte Schicht 201 an
ihrer Unterseite eine dünne
Linerschicht (nicht gezeigt) aufweisen, die auf dem ersten Transistorelement 3 und
dem zweiten Transistorelement 4 ausgebildet ist. Die Linerschicht
kann als Ätzstoppschicht, die
das erste Transistorelement 3 und das zweite Transistorelement 4 davor
schützt,
von dem Ätzmittel angegriffen
zu werden, wirken und/oder anzeigen, wann der Teil der ersten verspannten
Schicht 201 über
dem zweiten Transistorelement entfernt ist.
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In
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird die erste verspannte Schicht 201 sowohl
auf dem ersten Transistorelement 3 als auch auf dem zweiten
Transistorelement 4 gelassen.
-
Eine
zweite verspannte Schicht 203 wird über der ersten dielektrischen
Schicht 202 und dem zweiten Transistorelement 4 ausgebildet.
Die zweite verspannte Schicht 203 weist eine vorbestimmte elastische
Spannung auf. Die Teile 203a, 203c der zweiten
verspannten Schicht befinden sich über der ersten dielektrischen
Schicht 202 und dem zweiten Transistorelement 4.
Ein weiterer Teil 203b der zweiten verspannten Schicht 203 befindet
sich über
einem Rand der ersten dielektrischen Schicht 202. Der Rand
der ersten dielektrischen Schicht 202 wird beim Strukturieren
der ersten dielektrischen Schicht 202, das durchgeführt wird,
um das zweite Transistorelement 4 freizulegen, ausgebildet.
-
Das
Ausbilden der zweiten verspannten Schicht 203 kann einen
nicht konformen Abscheidungsprozess, der dafür ausgelegt ist, eine verspannte
Schicht eines Materials über
der ersten dielektrischen Schicht 202 und dem zweiten Transistorelement 4 abzuscheiden,
umfassen.
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Bei
der nicht konformen Abscheidung hängt die Dicke der abgeschiedenen
Materialschicht, gemessen in der Richtung senkrecht zum darunter
liegenden Teil der Abscheideoberfläche, von der Steigung des darunter
liegenden Teils der Abscheideoberfläche ab. Insbesondere ist eine
Dicke schwach geneigter Teile der zweiten verspannten Schicht 203, etwa
der Teile 203a, 203c, größer als eine Dicke des Teils 203b,
der über
dem steilen Rand der ersten dielektrischen Schicht 202 ausgebildet
ist.
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Eine
nicht konforme Abscheidung kann durchgeführt werden, indem bei der plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidung eine mäßig hohe
Vorspannung angelegt wird, wobei die Elektrode 313 negativ
geladen ist. Dadurch werden Ionen im Plasma in einer zur Oberfläche des
Subtrats 2 senkrechten Richtung beschleunigt. Die Bewegung
der Ionen in der zum Substrat 2 senkrechten Richtung führt zu einem
Materialtransport in diese Richtung. Das transportierte Material
wird vorzugsweise auf schwach geneigten Teilen der Halbleiterstruktur 1 abgeschieden.
Deshalb hat die zweite verspannte Schicht 203 auf den schwach
geneigten Teilen eine größere Dicke
als auf den steilen Teilen der Halbleiterstruktur 1.
-
Ein
weiteres Stadium des Herstellungsprozesses ist in 2c gezeigt.
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Es
kann ein isotroper Ätzprozess,
der dafür ausgelegt
ist, den Teil 203b der zweiten verspannten Schicht 203,
der sich über
dem Rand der ersten dielektrischen Schicht 202 befindet,
im Wesentlichen zu entfernen, durchgeführt werden.
-
Beim
isotropen Ätzen
ist eine Rate, mit der Material entfernt wird, von der Steigung
der geätzten Oberfläche im Wesentlichen
unabhängig.
Die Teile 203a und 203c der zweiten verspannten
Schicht 203 werden im Wesentlichen mit der gleichen Rate
geätzt wie
der Teil 203b, der sich über dem Rand der ersten dielektrischen
Schicht 202 befindet. Da der Teil 203b der zweiten
verspannten Schicht dünner
als die Teile 203a, 203c ist, wird er somit schneller
entfernt als die Teile 203a, 203c. Der Ätzprozess
wird beendet, sobald der Teil 203b im Wesentlichen entfernt
ist. Deshalb bleiben Teile der Bereiche 203a und 203c auf der
Halbleiterstruktur 1. Der Materialverlust in den Bereichen 203a, 203c kann
im Voraus berücksichtigt werden,
indem die abgeschiedene Dicke der zweiten verspannten Schicht 203 entsprechend
vergrößert wird.
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In
einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann das isotrope Ätzen Teile der zweiten verspannten
Schicht 203 entfernen, die sich über den Seitenwandabstandselementen 20, 21 befinden,
die eine größere Steigung
aufweisen, als beispielsweise Teile, die sich über dem Sourcegebiet 16 und
dem Draingebiet 17 des zweiten Transistorelements 4 befinden.
-
In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung wird kein Ätzprozess durchgeführt und
der Teil 203b der zweiten verspannten Schicht 203 wird
auf der Halbleiterstruktur 1 gelassen. In solchen Ausführungsformen
muss die Abscheidung der zweiten verspannten Schicht 203 nicht
konform sein. Stattdessen kann die zweite verspannte Schicht 203 konform
abgeschieden werden.
-
Die
zweite verspannte Schicht 203 kann ein dielektrisches Material,
beispielsweise Siliziumnitrid, umfassen.
-
Die
zweite vorbestimmte elastische Spannung kann eine Druckspannung
oder eine Zugspannung sein. In Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung,
in denen die erste vorbestimmte elastische Verspannung eine Zugspannung
ist, kann die zweite vorbestimmte elastische Spannung eine Druckspannung
sein. Eine druckverspannte zweite verspannte Schicht 203 kann
mit Hilfe des oben beschriebenen plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheideprozesses
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet werden. Die zweite vorbestimmte intrinsische
elastische Spannung kann einen Betragswert von mindestens ungefähr 1 GPa
aufweisen. In weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann der Betragswert der zweiten vorbestimmten
intrinsischen elastischen Spannung mindestens ungefähr 2 GPa
oder mindestens ungefähr 2.2
GPa betragen. Wenn das Material der zweiten verspannten Schicht
nicht konform abgeschieden wird, kann die moderat hohe Vorspannung,
die bei der Abscheidung verwendet wird, die intrinsische elastische
Druckspannung zusätzlich
verstärken.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die zweite vorbestimmte elastische
Spannung eine Zugspannung sein. Wenn die zweite verspannte Schicht 203 eine
elastische Zugspannung aufweist, kann sie mit Hilfe eines plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheideprozesses ausgebildet werden, wie oben für die erste
verspannte Schicht 201 beschrieben. Die zweite vorbestimmte
intrinsische elastische Spannung kann, wenn es sich um eine Zugspannung
handelt, einen Betrag im Bereich von ungefähr 500 MPa bis ungefähr 1100
Mpa aufweisen.
-
2d zeigt
eine schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 1 in
einem weiteren Stadium des Herstellungsprozesses.
-
Eine
zweite dielektrische Schicht 204 wird über dem Substrat 1 ausgebildet. Ähnlich wie
die erste dielektrische Schicht 202 kann die zweite dielektrische
Schicht 204 durch chemische Dampfabscheidung, plasmaverstärkte chemische
Dampfabscheidung, oder irgendein anderes den Fachleuten bekanntes
Abscheidungsverfahren ausgebildet werden. Eine Dicke der zweiten
dielektrischen Schicht 204 ist größer als eine Höhe der Gateelektroden 12, 13 des
ersten Transistorelements 3 und des zweiten Transistorelements 4.
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Die
zweite dielektrische Schicht 204 kann aus dem gleichen
Material gebildet werden wie die erste dielektrische Schicht 202.
Insbesondere können
sowohl die erste dielektrische Schicht 202 als auch die
zweite dielektrische Schicht 204 Siliziumdioxid enthalten.
In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
jedoch die erste dielektrische Schicht 202 und die zweite
dielektrische Schicht 204 unterschiedliche Materialien
aufweisen.
-
Die
zweite dielektrische Schicht 204 bedeckt den Teil 203a der
zweiten verspannten Schicht 203, und das zweite Transistorelement 4,
das von dem Teil 203c der zweiten verspannten Schicht 203 bedeckt ist.
In Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen der Teil 203b der
zweiten verspannten Schicht, der den Rand der ersten dielektrischen Schicht 202 bedeckt,
entfernt wird, grenzt die zweite dielektrische Schicht 204 an
die erste dielektrische Schicht 202 an. Auf Grund der Topographie
der ersten dielektrischen Schicht 202 und des zweiten Transistorelements 4 ist
die Oberfläche
der zweiten dielektrischen Schicht uneben. Insbesondere umfasst die
Oberfläche
der zweiten dielektrischen Schicht 204 eine Höcker über der
Gateelektrode 13 des zweiten Transistorelements 4 und
eine Erhöhung über den ersten
Transistorelement 3, wo sich die erste dielektrische Schicht 202 und
der Teil 203a der ersten dielektrischen Schicht 203 unter
der zweiten dielektrischen Schicht 204 befindet.
-
Eine
schematische Querschnittsansicht der Halbleiterstruktur 1 in
noch einem weiteren Stadium des Herstellungsprozesses ist in 2e gezeigt.
-
Die
erste dielektrische Schicht 202 und die zweite dielektrische
Schicht 204 werden planarisiert. Dies kann mit Hilfe chemisch-mechanischen
Polierens geschehen. Beim chemisch-mechanischen Polieren wird die
Halbleiterstruktur 1 relativ zu einem Polierkissen bewegt.
Einer Grenzfläche
zwischen der Halbleiterstruktur 1 und dem Polierkissen
wird ein Poliermittel zugeführt.
Das Poliermittel umfasst eine chemische Verbindung, die mit dem
Material oder den Materialien auf der Oberfläche der Halbleiterstruktur 1 reagiert.
Das Reaktionsprodukt wird durch Schleifmittel, die in Poliermittel
und/oder im Polierkissen enthalten sind, entfernt.
-
Beim
Planarisieren werden ein Teil der zweiten dielektrischen Schicht 204,
der sich über
der ersten dielektrischen Schicht 202 befindet, der Teil 203a der
zweiten verspannten Schicht 203 und der Höcker der
ersten dielektrischen Schicht 202 über der Gateelektrode 12 des
ersten Transistorelements 3 entfernt. Nach der Planarisierung
haben die erste dielektrische Schicht 202 und die zweite
dielektrische Schicht 204 eine gemeinsame flache Oberfläche.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen die erste dielektrische Schicht 202 und
zweite dielektrische Schicht 204 aus dem gleichen Material
gebildet werden und der Teil 203b der zweiten verspannten
Schicht 203 entfernt wird, ist die Halbleiterstruktur von
einer kontinuierlichen dielektrischen Schicht mit einer flachen
Oberfläche
bedeckt, ähnlich
den Zwischenschichtdielektrika, die den Fachleuten bekannt sind.
Deshalb können
dann vorteilhafterweise für
die weitere Bearbeitung der Halbleiterstruktur 1 bekannte
Verfahren im Wesentlichen unverändert
verwendet werden.
-
Nach
der Planarisierung werden in der ersten dielektrischen Schicht 202 Kontaktöffnungen 205, 206, 207 ausgebildet.
In der zweiten dielektrischen Schicht 204 werden Kontaktöffnungen 208, 209, 210 ausgebildet.
Wie den Fachleuchten wohl bekannt, kann dies durch photolithographisches
Ausbilden einer Maske über
der ersten dielektrischen Schicht 202 und der zweiten dielektrischen
Schicht 204 geschehen, die Teile der dielektrischen Schicht 202, 204,
in denen die Kontaktöffnungen 205 bis 210 ausgebildet
werden sollen, freilässt.
Anschließend wird
ein anisotroper Ätzprozess
ausgeführt,
der dafür ausgelegt
ist, selektiv das Material der ersten dielektrischen Schicht 202 und
das Material der zweiten dielektrischen Schicht 204 zu
entfernen, während
eine Ätzrate
der ersten verspannten Schicht 201 und der zweiten verspannten
Schicht 203 deutlich niedriger ist. Dadurch wird die Abtragung
von Material in der ersten verspannten Schicht 201 oder
der zweiten verspannten Schicht 203 zuverlässig beendet.
Somit dienen die verspannten Schichten 201, 203 als Ätzstoppschichten.
-
Anschließend wird
ein Ätzprozess
durchgeführt,
der dafür
ausgelegt ist, die erste verspannte Schicht 201 und/oder
die zweite verspannte Schicht 203 vom Boden der Kontaktöffnungen 205 bis 210 zu entfernen.
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Der Ätzprozess
kann ein Aussetzen der Halbleiterstruktur 1 an ein Ätzmittel,
das dafür
ausgelegt ist, selektiv das Material der ersten verspannten Schicht 201 und
der zweiten verspannten Schicht 203 zu entfernen und dabei
das Silizid in den Metallsilizidgebieten 22, 23, 24, 25, 26, 27 und
das Material der ersten dielektrischen Schicht 202 und
der zweiten dielektrischen Schicht 204 im Wesentlichen
unversehrt zu lassen, umfassen.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die erste verspannte Schicht 201 und/oder die zweite verspannte
Schicht 203 an ihrer Unterseite eine dünne Linerschicht (nicht gezeigt)
umfassen, die die verspannten Schichten von dem ersten Transistorelement 3 und
dem zweiten Transistorelement 4 trennt. Die Linerschicht
kann als Ätzstoppschicht,
die die Transistorelemente 3, 4 davor schützt, im Ätzprozess
angegriffen zu werden, wirken und/oder anzeigen, wann die erste
verspannte Schicht 201 und/oder die zweite verspannte Schicht 203 vom
Boden der Kontaktöffnungen 205 bis 210 entfernt
sind.
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Abschließend können die
Kontaktöffnungen 205 bis 210 mit
einem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
werden, das ein Metall, wie beispielsweise Wolfram, enthalten kann.
Wenn sie mit dem elektrischen leitfähigen Material gefüllt ist,
stellt die Kontaktöffnung 205 elektrischen
Kontakt zum Sourcegebiet 14 her, stellt die Kontaktöffnung 206 elektrischen Kontakt
zur Gateelektrode 12 her, und stellt die Kontaktöffnung 207 elektrischen
Kontakt zum Draingebiet 15 her. Entsprechend stellt die
Kontaktöffnung 208 elektrischen
Kontakt zum Sourcegebiet 16 her, stellt die Kontaktöffnung 209 elektrischen
Kontakt zur Gateelektrode 13 her und stellt die Kontaktöffnung 210 elektrischen
Kontakt zum Draingebiet 17 her.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen ein Teil der ersten verspannten Schicht 201,
der sich über
dem zweiten Transistorelement 4 befindet, nach dem Ausbilden
der ersten dielektrischen Schicht entfernt wird, ist nach Beendigung
des oben beschriebenen Verfahrens das erste Transistorelement 3 von
der ersten verspannten Schicht 201 bedeckt und das zweite
Transistorelement 4 von der zweiten verspannten Schicht 203 bedeckt.
In anderen Ausführungsformen,
in denen die erste verspannte Schicht 201 auf dem zweiten
Transistorelement 4 gelassen wird, ist das erste Transistorelement 3 von
der ersten verspannten Schicht 201 bedeckt, während das
zweite Transistorelement 4 sowohl von der ersten verspannten
Schicht 201 als auch von der zweiten verspannten Schicht 203 bedeckt
ist.
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Auf
Grund der intrinsischen elastischen Spannungen in der ersten verspannten
Schicht 201 und in der zweiten verspannten Schicht 203 üben diese
Schichten elastische Kräfte
auf die Transistorelemente 3, 4 aus. Da die erste
verspannte Schicht 201 und die zweite verspannte Schicht 203 große Flächen des
ersten Transistorelements 3 und des zweiten Transistorelements 4 bedecken,
können
diese elastischen Kräfte
die elastische Spannung in den Transistorelementen 3, 4 und
insbesondere die elastischen Spannung in den Kanalgebieten 28, 29 verändern. Die
elastische Spannung im Kanalgebiet 28 des ersten Transistorelements 3 wird
von der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung der
ersten verspannten Schicht 201 beeinflusst.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen die erste verspannte Schicht 201 von
dem zweiten Transistorelement 4 entfernt wird, wird die
elastische Spannung im Kanalgebiet 29 des zweiten Transistorelements 4 von
der zweiten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung der zweiten
verspannten Schicht 203 beeinflusst. Deshalb steht das
Kanalgebiet 28 unter einer elastischen Druckspannung und
das Kanalgebiet 29 unter einer elastischen Zugspannung,
wenn die erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung eine Druckspannung
ist und die zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung
eine Zugspannung ist. Eine erste vorbestimmte intrinsische elastische Druckspannung
verbessert die Beweglichkeit der Löcher im Kanalgebiet 28,
was besonders vorteilhaft ist, wenn das erste Transistorelement 3 ein
Transistor vom p-Typ ist. Eine zweite vorbestimmte intrinsische elastische
Zugspannung verbessert die Beweglichkeit der Elektronen im Kanalgebiet 29,
was besonders vorteilhaft ist, wenn das zweite Transistorelement 4 ein
Transistor von n-Typ ist. Umgekehrt sind eine erste vorbestimmte
intrinsische elastische Spannung, die eine Zugspannung ist und eine
zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung, die eine Druckspannung
ist, vorteilhaft, wenn das erste Transistorelement 3 ein
Transistor vom n-Typ und das zweite Transistorelement 4 ein
Transistor vom p-Typ ist.
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In
anderen Ausführungsformen,
in denen das zweite Transistorelement 4 sowohl von der
ersten verspannten Schicht 201 als auch von der zweiten
verspannten Schicht 203 bedeckt ist, beeinflusst sowohl
die erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung als auch
die zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung die elastische
Spannung im Kanalgebiet 29. Wenn eine der ersten und der zweiten
vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung eine Zugspannung
und die andere eine Druckspannung ist, kann der Einfluss der zweiten vorbestimmten
intrinsischen elastischen Spannung den Einfluss der ersten vorbestimmten
elastischen Spannung vollständig
oder teilweise kompensieren, so dass das Kanalgebiet 29 einer
erheblich schwächeren
elastischen Spannung als das Kanalgebiet 28 ausgesetzt
ist. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung ist das Kanalgebiet 28 verspannt,
während
das Kanalgebiet 29 im Wesentlichen unverspannt ist.
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Die
Leitung von Transistorelementen, die von der verspannten Schicht
gemäß der vorliegenden
Erfindung bedeckt sind, wurde mit Hilfe von Experimenten untersucht.
Zu diesem Zweck wurden mehrere Transistorelemente vom p-Typ ausgebildet. Die
Kanalgebiete der Transistorelemente wiesen unterschiedliche Längen auf. Über jedem
der Transistorelemente wurde mit Hilfe eines plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidungsverfahrens, wie den oben beschriebenen, eine verspannte
Schicht ähnlich
der ersten verspannten Schicht 201 ausgebildet. Die verspannten
Schichten enthielten Siliziumnitrid und wiesen eine elastische Druckspannung
mit einem Betrag von ungefähr
1.5 GPa auf.
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Für jedes
Transistorelement wurden der Sperrstrom und der Sättigungsstrom
mit Hilfe bekannter Verfahren gemessen. Der Sperrstrom ist ein Strom,
der durch das Kanalgebiet eines Feldeffekttransistors fließt, wenn
eine Gatespannung, die dafür geeignet
ist, das Kanalgebiet in den „Aus-”Zustand zu
schalten, angelegt wird. Der Sättigungsstrom fließt durch
das Kanalgebiet, wenn die Gatespannung dafür geeignet ist, das Kanalgebiet
in den „Ein-”Zustand
zu schalten. In praktischen Anwendungen von Feldeffekttransistoren
ist ein kleiner Sperrstrom wünschenswert,
da der Sperrstrom den Energieverbrauch und die Wärmeerzeugung integrierter Schaltkreise
erhöht.
Im Allgemeinen nimmt der Sperrstrom zu, wenn die Kanallänge verringert
wird. Ein großer
Sättigungsstrom
zeigt eine hohe Leitfähigkeit
des Kanalgebiets im Ein-Zustand an. Wie oben genauer ausgeführt wurde,
nimmt die Leitfähigkeit des
Kanalgebiets zu, wenn die Kanallänge
verringert wird und wenn die Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanalgebiet
zunimmt.
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Ergebnisse
der Messungen sind in 5 als Messkurve 502 gezeigt.
Zum Vergleich wurden ähnliche
Messungen für
mehrere Transistorelemente, über
denen mit Hilfe der oben beschriebenen plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidung eine im Wesentlichen unverspannte Siliziumnitridschicht ausgebildet
wurde, durchgeführt.
Ergebnisse einer Messung des Sperrstroms und des Sättigungsstroms in
den Transistoren mit einer im Wesentlichen unverspannten Siliziumnitridschicht
sind in 5 als Messkurve 501 gezeigt.
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Diese
Kurven zeigen, dass das Bereitstellen der verspannten Schicht gemäß der vorliegenden
Erfindung im Vergleich zu einem Transistor ohne eine solche verspannte
Schicht zu einer Zunahme des Sättigungsstroms
des Transistors um 6% führt,
und zwar bei einem Wert des Sperrstroms, der in einem integrierten
Schaltkreis akzeptabel sein kann. Somit wurde gezeigt, dass das
Bereitstellen einer druckverspannten Schicht gemäß der vorliegenden Erfindung eine
deutliche Verbesserung der Leistung von Feldeffekttransistoren vom
p-Typ in integrierten Schaltkreisen ermöglicht. Entsprechende Ergebnisse
können
für andere
Betragswerte der ersten vorbestimmten elastischen Spannung im Bereich
von ungefähr
1 GPa bis ungefähr
2.2 GPa erhalten werden.
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Die
erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung und die zweite
vorbestimmte intrinsische elastische Spannung können gesteuert werden, um die
elastische Spannung in jedem der Kanalgebiete 28, 29 anzupassen.
Zu diesem Zweck können bekannte
Verfahren zum Messen der elastischen Spannung im Kanalgebiet des
Feldeffekttransistors, wie beispielsweise die Elektronenbeugung,
verwendet werden. Mehrere Halbleiterstrukturen ähnlich der Halbleiterstruktur 1 werden
ausgebildet. Beim Ausbilden jeder dieser Halbleiterstrukturen werden
beim Abscheiden der ersten verspannten Schicht 201 und/oder
der zweiten verspannten Schicht 203 unterschiedliche Parameter
verwendet, um verschiedene Werte der ersten vorbestimmten intrinsischen
elastischen Spannung und der zweiten intrinsischen Spannung zu erhalten.
Beispielsweise können
beim Ausbilden der ersten verspannten Schicht 201 und/oder beim
Ausbilden der zweiten verspannten Schicht 203 unterschiedliche
Leistungen der Wechselspannung mit Radiofrequenz verwendet werden.
Anschließend wird
die elastische Spannung in den Kanalgebieten von Feldeffekttransistoren
in jeder der Halbleiterstrukturen gemessen, um die erste und die
zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung mit der elastischen
Spannung in den Kanalgebieten in Beziehung zu setzen. Auf Grundlage
der Beziehung zwischen der intrinsischen elastischen Spannung in den
Schichten 201, 203 und der elastischen Spannung
in den Kanalgebieten können
Werte der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung und
der zweiten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung bestimmt
werde, die in jedem der Kanalgebiete 28, 29 eine
jeweils gewünschte
elastische Spannung ergeben.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können
die erste und die zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung
gesteuert werden, um in jedem der Kanalgebiete 28, 29 eine
jeweilige Ladungsträgerbeweglichkeit
anzupassen. Zu diesem Zweck kann eine Vielzahl von Halbleiterstrukturen ähnlich der
Halbleiterstruktur 1 ausgebildet werden, von denen jede
eine andere erste vorbestimmte elastische Spannung und/oder eine andere
zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung als die anderen
Halbleiterstrukturen aufweist. Anschließend wird die Ladungsträgerbeweglichkeit
in den Kanalgebieten der Transistorelemente in jeder der Halbleiterstrukturen
mit den Fachleuchten bekannten Verfahren gemessen und eine Beziehung
zwischen der ersten und der zweiten vorbestimmten elastischen Spannung
und der Ladungsträgerbeweglichkeit
bestimmt. Mit dieser Beziehung können
Werte der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung
und der zweiten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung,
die eine gewünschte
Ladungsträgerbeweglichkeit
ergeben, ermittelt werden.
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In
der vorliegenden Erfindung wird eine elastische Spannung in den
Kanalgebieten von Feldeffekttransistoren mit Hilfe der ersten verspannten Schicht 201 und
der zweiten verspannten Schicht 203 erzeugt, die beim Ausbilden
von Kontaktöffnungen
als Ätzstoppschichten
verwendet werden können
und somit Ätzstoppschichten,
die in konventionellen Verfahren zum Ausbilden eines Feldeffekttransistors
verwendet werden, ersetzten können.
Vorteilhafterweise erfordert das Bereitstellen der ersten verspannten
Schicht 201 und der zweiten verspannten Schicht 203 im
Vergleich zu den in dem Stand der Technik bekannten Verfahren keine
wesentlichen Änderungen
des Ausbildens des ersten Transistorelements 3 und des
zweiten Transistorelements 4.
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Ein
Verfahren zum Ausbilden einer Halbleiterstruktur gemäß einer
weiteren Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung wird mit Bezug auf die 6a und 6b beschrieben.
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Eine
Halbleiterstruktur 1, wie oben in Bezug auf 1 beschrieben,
wird bereitgestellt. Über
der Halbleiterstruktur 1 wird eine erste verspannte Schicht 601 mit
einer ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung ausgebildet.
Eine zweite verspannte Schicht 602 mit einer zweiten vorbestimmten
intrinsischen elastischen Spannung wird über der ersten verspannten
Schicht 601 abgeschieden. Die zweite verspannte Schicht 602 umfasst
einen Teil 602a über
dem ersten Transistorelement 3 und einen Teil 602b über dem
zweiten Transistorelement 4.
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Ähnlich wie
die erste verspannte Schicht 201 und die zweite verspannte
Schicht 203 in der oben mit Bezug auf die 2a bis 2e beschriebenen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können die
verspannten Schichten 601, 602 mit Hilfe der plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidung abgeschieden werden. Die erste vorbestimmte intrinsische
elastische Spannung und die zweite vorbestimmte intrinsische elastische
Spannung können gesteuert
werden, indem ein oder mehrere Parameter, die mindestens eines der
Zusammensetzung der gasförmigen
Ausgangsstoffe, der Abscheiderate, der Temperatur, der Leistung
der Wechselspannung mit Radiofrequenz, des Drucks im Reaktorgefäß und der Vorspannung
umfassen, variiert werden. Mindestens eine der ersten verspannten
Schicht 601 und der zweiten verspannten Schicht 602 kann
eine vorbestimmte intrinsische elastische Druckspannung mit einem
Betragswert von mindestens ungefähr
1 GPa, von mindestens ungefähr
2 GPa, oder von mindestens ungefähr
2.2 GPa aufweisen. Beim Ausbilden der mindestens einen der ersten
verspannten Schicht 601 und der zweiten verspannten Schicht 602 kann
der plasmaverstärkte
chemische Dampfabscheidungsprozess wie oben beschrieben, durchgeführt werden.
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Das
erste Transistorelement 3 kann ein Transistor vom p-Typ
sein. Das zweite Transistorelement 4 kann ein Transistor
vom n-Typ sein. Die erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung
kann eine Druckspannung sein und die zweite vorbestimmte intrinsische
elastische Spannung kann eine Zugspannung sein.
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Eine
Maske 603 wird über
dem zweiten Transistorelement 4 ausgebildet.
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Die
Maske 603 kann einen Photolack umfassen. Wie den Fachleuten
wohl bekannt ist, kann eine Maske, die einen Photolack umfasst,
ausgebildet werden, indem der Photolack auf die Halbleiterstruktur 1 aufgebracht
wird, der Photolack durch eine Photomaske belichtet wird und entweder
die bei der Belichtung belichteten Bereiche oder die nicht belichteten
Bereiche in einem Entwickler aufgelöst werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann die Maske 603 eine Hartmaske ähnlich der ersten dielektrischen
Schicht 202 in der oben mit Bezug auf die 200a bis 200e beschriebenen Ausführungsform umfassen. Die Hartmaske
kann ausgebildet werden, indem eine Schicht aus einem dielektrischen
Material, beispielsweise Siliziumdioxid abgeschieden wird und die
Schicht aus dem dielektrischen Material mit Hilfe bekannter Techniken
des Ätzens
und der Photolithographie strukturiert wird, ähnlich wie beim Ausbilden der
ersten dielektrischen Schicht 202. Die Oberfläche der
Maske 603 muss nicht, wie in 6a gezeigt,
im Wesentlichen flach sein, sondern kann uneben sein. Insbesondere
kann die Maske 603 einen Höcker über dem ersten Transistorelement 3 aufweisen.
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Anschließend wird
der Teil 602a der zweiten verspannten Schicht 602 mit
Hilfe eines Ätzprozesses
entfernt. Dies kann geschehen, indem die Halbleiterstruktur 1 einem Ätzmittel
aufgesetzt wird, das dafür
ausgelegt ist, selektiv ein Material der zweiten verspannten Schicht 602 zu
entfernen und dabei Materialien der Maske 603 und der ersten
verspannten Schicht 601 im Wesentlichen unversehrt zu lassen.
In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die zweite verspannte Schicht 602 an
ihrer Unterseite eine dünne
Linerschicht (nicht gezeigt) umfassen, die auf der ersten verspannten
Schicht 601 ausgebildet ist. Die Linerschicht kann als Ätzstoppschicht,
die die erste verspannte Schicht 601 vor einem im Ätzprozess
verwendeten Ätzmittel schützt, dienen
und/oder anzeigen, wann der Teil 602a der zweiten verspannten
Schicht 602 entfernt ist.
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Die
Maske 603 kann nach dem Entfernen des Teils 602a der
ersten verspannten Schicht 602 entfernt werden. In Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen die Maske 603 eine
Hartmaske ist, kann die Maske 603 auf der Halbleiterstruktur 1 bleiben.
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Eine
dielektrische Schicht 604 wird über dem Substrat 2 abgeschieden.
Die dielektrische Schicht 604 kann mit Hilfe bekannter
Verfahren, wie etwa der chemischen Dampfabscheidung oder der plasmaverstärkten chemischen
Dampfabscheidung, abgeschieden werden. Die dielektrische Schicht 604 kann Siliziumdioxid
umfassen.
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In
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen die Maske 603 auf
der Halbleiterstruktur 603 bleibt, kann die dielektrische
Schicht 604 aus im Wesentlichen dem gleichen Material wie
die Maske 603 gebildet werden. Dadurch wird die Maske 603 in
die dielektrische Schicht 604 eingebaut und bildet mit
dieser eine Einheit. Dementsprechend kann eine Dicke der dielektrischen
Schicht 604 über dem
zweiten Transistorelement 4 größer als eine Dicke der dielektrischen
Schicht 604 über
dem ersten Transistorelement 3 sein. Deshalb ist eine Oberfläche der
dielektrischen Schicht 604 uneben.
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Eine
Unebenheit der Oberfläche
der dielektrischen Schicht 604 kann auch wegen der Anwesenheit
der Gateelektroden 12, 13 auf der Oberfläche des
Substrats 2 entstehen. Eine Dicke eines Teils der dielektrischen
Schicht 604, der aus den Gateelektroden 12, 13 abgeschieden
wurde, kann im Wesentlichen gleich einer Dicke eines Teils der dielektrischen Schicht 604 sein,
der beispielsweise auf den Sourcegebieten 14, 16 und
den Draingebieten 15, 17 abgeschieden wurde. Deshalb
kann die dielektrische Schicht 604 Höcker über den Gateelektroden 12, 13 aufweisen.
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Die
dielektrische Schicht 604 wird planarisiert, um eine ebene
Oberfläche
der dielektrischen Schicht 604 zu erhalten. Dies kann mit
Hilfe chemisch-mechanischen Polierens geschehen.
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Durch
die dielektrische Schicht 604, die erste verspannte Schicht 601 und/oder
die zweite verspannte Schicht 602 werden Kontaktöffnungen 605, 606, 607, 608, 609, 610 ausgebildet.
Das Ausbilden der Kontaktöffnungen
kann mit Hilfe von Ätztechniken, ähnlich denen,
die beim Ausbilden der Kontaktöffnungen 205 bis 210 in
der mit Bezug auf 2a bis 2e beschriebenen
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung verwendet werden, durchgeführt werden,
wobei die erste verspannte Schicht 601 und die zweite verspannte
Schicht 602 als Ätzstoppschicht
verwendet werden. Anschließend
werden die Kontaktöffnungen 605 bis 610 mit
einem elektrisch leitfähigen
Material, beispielsweise einem Metall (nicht gezeigt), gefüllt. Wenn
sie mit dem elektrisch leitfähigen
Material gefüllt
sind, stellen die Kontaktöffnungen 605, 606 und 607 einen
elektrischen Kontakt zum Sourcegebiet 14, zur Gateelektrode 12,
und zum Draingebiet 15 des ersten Transistorelements 3 her. Entsprechend
stellen die Kontaktöffnungen 608, 609 und 610 einen
elektrischen Kontakt zum Sourcegebiet 16, zur Gateelektrode 13,
und zum Draingebiet 17 des zweiten Transistorelements 4 her.
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Nach
Abschluss des oben beschriebenen Verfahrens ist das erste Transistorelement 3 mit
der ersten verspannten Schicht 601 bedeckt. Das zweite Transistorelement 4 ist
von der ersten verspannten Schicht 601 und der zweiten
verspannten Schicht 602 bedeckt. Die erste vorbestimmte
intrinsische elastische Spannung der ersten verspannten Schicht 601 und
die zweite vorbestimmte intrinsische elastische Spannung der zweiten
verspannten Schicht 602 erzeugen elastische Kräfte, die
auf die Transistorelemente 3, 4 und insbesondere
auf die Kanalgebiete 28, 29 wirken. Die elastische
Spannung im Kanalgebiet 28 des ersten Transistorelements 3 wird
von der ersten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung
beeinflusst. Die elastische Spannung im Kanalgebiet 29 des
zweiten Transistorelements 4 wird sowohl von der ersten
vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung als auch von der
zweiten vorbestimmten intrinsischen elastischen Spannung beeinflusst.
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Ähnlich wie
in der oben mit Bezug auf die 2a bis 2e beschriebenen
Ausführungsform können die
erste vorbestimmte elastische Spannung und die zweite vorbestimmte
elastische Spannung gesteuert werden, um in jedem der Kanalgebiete 28, 29 eine
gewünschte elastische
Spannung zu erhalten, oder um in jedem der Kanalgebiete 28, 29 eine gewünschte Ladungsträgerbeweglichkeit
zu erhalten.
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Die
erste vorbestimmte intrinsische elastische Spannung kann eine Druckspannung
sein und die zweite vorbestimmte elastische Spannung kann eine Zugspannung
sein. Die erste intrinsische vorbestimmte elastische Spannung kann
eine Druckspannung mit einem Betrag von ungefähr 1 GPa oder mehr, von ungefähr 2 GPa
oder mehr, oder von ungefähr
2.2 GPa oder mehr sein. Die vorbestimmten intrinsischen elastischen
Spannungen können
so angepasst sein, dass das Kanalgebiet 28 einer Druckspannung
ausgesetzt ist, während
das Kanalgebiet 29 im Wesentlichen unverspannt ist. Dadurch
wird die Beweglichkeit der Löcher
in Kanalgebiet 28 im Vergleich zu der in einem Transistorelement
mit einem im Wesentlichen unverspannten Kanalgebiet verbessert.
In Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung, in denen das erste Transistorelement 3 ein
Transistor vom p-Typ ist, ist dies besonders vorteilhaft.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die zweite vorbestimmte intrinsische
elastische Spannung eine Druckspannung mit einem Betragswert von
ungefähr
1 GPa oder mehr, von ungefähr
2 GPa oder mehr, oder von ungefähr
2.2 GPa oder mehr sein. Die erste vorbestimmte intrinsische Spannung
kann eine Zugspannung mit einer Stärke, die so ausgelegt ist,
dass die von der zweiten verspannten Schicht auf das Kanalgebiet 29 des
zweiten Transistorelements 4 ausgeübten Kräfte die von der ersten verspannten
Schicht auf das Kanalgebiet 29 ausgeübten Kräfte kompensieren, sein. Somit
ist das Kanalgebiet 29 im Wesentlichen unverspannt. Im
Gegensatz dazu ist das Kanalgebiet 28 des ersten Transistorelements 3 einer
Zugspannung ausgesetzt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn das erste
Transistorelement 3 ein Transistor vom n-Typ ist.
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In
weiteren Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann die erste vorbestimmte intrinsische
elastische Spannung eine Zugspannung mit einer Stärke, die
so ausgelegt ist, dass die von der ersten verspannten Schicht 601 auf
das Kanalgebiet 29 ausgeübten Kräfte schwächer als die von der zweiten
verspannten Schicht mit einer intrinsischen elastischen Druckspannung
ausgeübten
Kräfte
sind, sein. In einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann die erste vorbestimmte elastische Spannung,
die eine Zugspannung ist, einen Wert zwischen ungefähr 500 MPa
und 900 MPa aufweisen. Somit ist das Kanalgebiet 28 des
ersten Transistorelements 3 einer elastischen Zugspannung
ausgesetzt, während
das Kanalgebiet 29 des zweiten Transistorelements 4 einer
elastischen Druckspannung ausgesetzt ist. Da es die vorliegende
Erfindung ermöglicht,
verspannte Schichten mit einer hohen elastischen Druckspannung mit
einem Absolutwert von ungefähr
1 GPa oder mehr bereitzustellen, kann trotz der Anwesenheit der
ersten verspannten Schicht 601, die eine elastische Zugspannung
aufweist, eine angemessene elastische Druckspannung im Kanalgebiet 29 erzielt
werden.
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Das
erste Transistorelement 3 und das zweite Transistorelement 4 müssen sich
nicht nahe beieinander befinden, wie in den 1, 2a bis 2e, 6a und 6b gezeigt.
In anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung können die
Transistorelement 3, 4 in unterschiedlichen Bereichen
des Substrats 2 bereitgestellt werden. In einigen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung umfasst das Substrat 2 einen
Halbleiterwafer, der mehrere Plättchen
umfasst. In solchen Ausführungsformen
können
das erste Transistorelement 3 und das zweite Transistorelement 4 auf
dem gleichen oder auf verschieden Plättchen bereitgestellt werden.
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Die
vorliegende Erfindung ist nicht auf Halbleiterstrukturen beschränkt, die
Transistorelemente, die unterschiedlichen elastischen Spannungen
ausgesetzt sind, umfassen, oder auf Halbleiterstrukturen, in denen
unterschiedliche elastische Spannungen in verschiedenen Transistorelementen
erhalten werden, indem eine erste verspannte Schicht und eine zweite
verspannte Schicht über
einem ersten und/oder einem zweiten Transistorelement bereitgestellt
werden, beschränkt.
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In
anderen Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung kann eine Halbleiterstruktur mehrere
Transistorelemente ähnlich
den Transistorelementen 3, 4 umfassen. Die Transistorelemente
können
einen oder mehrere Transistoren vom p-Typ umfassen. Eine verspannte
Schicht wird über
den Transistorelementen abgeschieden. Die verspannte Schicht kann
eine vorbestimmte intrinsische elastische Druckspannung mit einem
Betragswert von ungefähr
1 GPa oder mehr, von ungefähr
2 GPa oder mehr, oder von ungefähr
2.2 GPa oder mehr aufweisen. Die verspannte Schicht kann, wie oben
beschrieben, mit Hilfe eines plasmaverstärkten chemischen Dampfabscheidungsverfahrens
gemäß der vorliegenden
Erfindung ausgebildet werden. Anschließend kann über den mehreren Transistorelementen
eine dielektrische Schicht abgeschieden werden und Kontaktöffnungen,
die einen elektrischen Kontakt zu den Transistorelementen herstellen,
können
durch die dielektrische Schicht und die verspannte Schicht ausgebildet
werden. In der fertigen Halbleiterstruktur sind die Kanalgebiete
der mehreren Transistorelemente einer elastischen Druckspannung ausgesetzt,
die durch die von der verspannten Schicht ausgeübten elastischen Kräfte erzeugt
wird.