DE102006053930A1 - Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung schafft ein Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur mit den Schritten: Bilden eines Gateelektroden-Schichtstapels (5, 6', 7', 8') durch sequenzielles Abscheiden einer Polysiliziumschicht (5) auf einer Gate-Dielektrikumsschicht (9); einer Kontaktschicht (6') aus Ti auf der Polysiliziumschicht (5); einer Barrierenschicht (7') aus WN auf der Kontaktschicht (6') und einer Gate-Metallschicht (8') aus W auf der Barrierenschicht (7'); wobei die Schritte iii) und iv) als PVD-Schritte unter Verwendung von Krypton und/oder Xenon als Sputtergas durchgeführt werden und Annealen des Gateelektroden-Schichtstapels (5, 6', 7', 8') in einem Temperaturschritt im Temperaturbereich zwischen 600 und 950°C.
Description
- Die vorliegende Erfindung betrifft ein Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines aus derDE 10 2004 004 864 A1 bekannten Herstellungsverfahrens einer Transistor-Gatestruktur. - Zur Herstellung der in
2 dargestellten Transistor-Gatestruktur1 wird auf einer Gate-Dielektrikumsschicht9 , die auf einem Halbleitersubstrat10 vorgesehen ist, ein Gateelektroden-Schichtstapel2 strukturiert. Der Gateelektroden-Schichtstapel2 enthält eine dotierte Polysiliziumschicht5 , die auf der Gate-Dielektrikumsschicht9 angeordnet ist. - Auf der Polysiliziumschicht
5 wird eine Kontaktschicht6 und auf der Kontaktschicht6 eine Barrierenschicht7 vorgesehen. Die Kontaktschicht6 besteht aus Titan, und die Barrierenschicht7 aus Titannitrid. Auf der Barrierenschicht7 wird die Gate-Metallschicht8 aufgebracht. Die Gate-Metallschicht8 besteht aus Wolfram (W). Auf der Gate-Metallschicht8 wird eine isolierende Kappe4 vorgesehen, vorzugsweise aus Siliziumnitrid. An den Seitenwänden des Gateelektroden-Schichtstapels2 und der isolierenden Kappe4 befinden sich isolierende Schichten3 , die aus einem Spacernitrid31 und einem Seitenwandoxid32 bestehen. - Die Kontaktschicht
6 deckt die Polysiliziumschicht5 vollständig ab, und verhindert so eine Wechselwirkung von Stickstoff, der in der Barrierenschicht7 enthalten ist, mit dem Silizium der Polysiliziumschicht5 . Mit anderen Worten wird die Ausbildung von Siliziumnitrid verhindert, welches einen Kontaktwiderstand zwischen der Gate-Metallschicht8 und der Polysiliziumschicht5 erhöhen würde. - Bei dem bekannten Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur werden die Schichten
5 ,6 ,7 ,8 nacheinander abgeschieden und anschließend mittels bekannter photolithographischer Techniken strukturiert. Nach der Strukturierung werden die Isolationskappe4 und die isolierenden Schichten3 vorgesehen. - Die Kontaktschicht
6 kann mit einem PVD-, einem CVD- oder einem ALD-Verfahren aufgebracht werden. Bei der Aufbringung der Kontaktschicht6 ist es wichtig, dass beispielsweise bei einer CVD- oder PVD-Abscheidung die Kontaktschicht6 unter Ausschluss von Stickstoff aufgebracht wird. Danach lässt sich nach der Aufbringung der Kontaktschicht6 in situ in der selben Anlage die Barrierenschicht7 im gleichen Verfahren abscheiden. - Die Barrierenschicht
7 , die bei der bekannten Transistor-Gatestruktur aus Titannitrid besteht, bindet den enthaltenen Stickstoff auch bei hohen Temperaturen fest, sodass keine Zerlegung der Barrierenschicht7 stattfindet. - Die Gate-Metallschicht
8 lässt sich ebenfalls in einem CVD- oder PVD-Verfahren abscheiden. Ein Eindringen von Metall aus der Gate-Metallschicht8 in die Polysiliziumschicht5 wird durch die Barrierenschicht7 verhindert. - Es hat sich gezeigt, dass bei Abscheidung der Schichten
6 ,7 ,8 in einem PVD-Verfahren unter Verwendung von Argon als Sputtergas ein Annealschritt nach Abscheidung der Schicht8 unter einer Formiergasatmosphäre eine Widerstandserniedrigung der Größenordnung 30% bewirkt. - Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur zu schaffen, wobei der Widerstand des bekannten Transistor-Gatestapels weiter erniedrigt werden kann.
- Erfindungsgemäss wird dieses Problem durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren gelöst.
- Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee besteht darin, die Barrierenschicht und die Gate-Metallschicht unter Verwendung von Krypton und/oder Xenon als Edelgas anstelle von Argon aufzusputtern.
- Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass bei Verwendung von Krypton oder Xenon als Sputtergas eine Widerstandserniedrigung von bis zu ungefähr 50% erzielt werden kann, also im Vergleich zum bekannten Verfahren der Widerstand nahezu halbiert werden kann.
- In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des Gegenstandes der Erfindung.
- Gemäss einer bevorzugten Weiterbildung werden die die Schritte iii) und iv) in situ durchgeführt, wobei im Schritt iii) Stickstoff als Sputtergas zusätzlich zu Krypton und/oder Xenon verwendet wird.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Gateelektroden-Schichtstapel vor dem Annealen strukturiert.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Anneal unter Verwendung von einem Argon/Wasserstoff-Gemisch anstelle von Formiergas durchgeführt.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird durch das Annealen eine Widerstandserniedrigung der Transistor-Gatestruktur zwischen 35 und 55% erzielt.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird der Schritt ii) als PVD-Schritt unter Verwendung von Argon als Sputtergas durchgeführt.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden eine Isolationskappe und isolierende Seitenwandschichten vor dem Annealen gebildet.
- Gemäss einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wandelt sich die Kontaktschicht aus Ti beim Annealen in eine TiN-Schicht um.
- Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer Transistor-Gatestruktur als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und -
2 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines aus derDE 10 2004 004 864 A1 bekannten Herstellungsverfahrens einer Transistor-Gatestruktur. - In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.
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1 zeigt eine schematische Darstellung zur Erläuterung eines Herstellungsverfahrens einer Transistor-Gatestruktur als Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. - Zur Herstellung der Transistor-Gatestruktur
1' gemäß der Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird wie bei der oben beschriebenen bekannten Transistor-Gatestruktur auf einer Gate-Dielektrikumsschicht, die auf einem Halbleitersubstrat10 vorgesehen ist, eine P- oder N- dotierte Polysiliziumschicht5 hergestellt. Anschließend wird auf der Polysiliziumschicht5 eine Kontaktschicht6' aus Ti oder TiN in einem PVD-Verfahren mit Argon als Sputtergas abgeschieden. - Im Anschluss daran wird der Wafer mit der so erzeugten Halbleiterstruktur in eine zweite Prozesskammer transferiert. In der zweiten Prozesskammer wird ebenfalls mittels eines PVD-Verfahrens zunächst die Barrierenschicht
7' aus WN und anschließend die Gate-Metallschicht8' aus W abgeschieden. Dabei findet die Abscheidung der Barrierenschicht7' aus WN unter Verwendung von Stickstoffgas und Kryptongas (alternativerweise Stickstoffgas und Xenongas) statt. Zur Abscheidung der Gate-Metallschicht8' aus W wird in-situ lediglich der Fluss des Stickstoffgases auf Null reduziert. - Die Dicke der Kontaktschicht
6' aus Ti beträgt bei diesem Beispiel 3 nm, die Dicke der Barrierenschicht7' aus WN beträgt 7 nm und die Dicke der Gate-Metallschicht8' beträgt 33 nm. - Im Anschluss daran wird die Siliziumnitridschicht für die isolierende Kappe
4 vorgesehen und werden die Schichten5 ,6' ,7' ,8' ,4 in einem bekannten Photolithographie-/Ätzschritt strukturiert. Anschließend werden die isolierenden Schichten3 , die aus einem Spacernitrid31 und einem Seitenwandoxid32 bestehen, an den Flanken der Transistor-Gatestruktur in bekannten Verfahrensschritten vorgesehen. - Vorteilhafterweise hat sich herausgestellt, dass der Widerstand einer derartig hergestellten Transistor-Gatestruktur bei Durchführung eines Annealschritts mit Temperaturen der Größenordnung 600–950°C um bis zu etwa 50% reduziert werden kann.
- Offensichtlich ist durch die Verwendung von Krypton oder Xenon als Sputtergas eine vorteilhaftere Umstrukturierung der Kristallgitter der Schichten
6' ,7' ,8' möglich, sodass die besagte bemerkenswerte Widerstandsreduzierung von größenordnungsmäßig 50% erzielbar ist. - Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.
- Prinzipiell ist die vorliegende Erfindung auf sämtliche mikroelektronische Bereiche anwendbar, jedoch bevorzugte Anwendung wird sie in der Speicherelementtechnologie bei Strukturgrößen unterhalb von 110 nm finden.
Claims (8)
- Herstellungsverfahren für eine Transistor-Gatestruktur mit den Schritten: Bilden eines Gateelektroden-Schichtstapels (
5 ,6' ,7' ,8' ) durch sequenzielles Abscheiden i) einer Polysiliziumschicht (5 ) auf einer Gate-Dielektrikumsschicht (9 ); ii) einer Kontaktschicht (6' ) aus Ti auf der Polysiliziumschicht (5 ); iii) einer Barrierenschicht (7' ) aus WN auf der Kontaktschicht (6' ); und iv) einer Gate-Metallschicht (8' ) aus W auf der Barrierenschicht (7' ); wobei die Schritte iii) und iv) als PVD-Schritte unter Verwendung von Krypton und/oder Xenon als Sputtergas durchgeführt werden; und Annealen des Gateelektroden-Schichtstapels (5 ,6' ,7' ,8' ) in einem Temperaturschritt im Temperaturbereich zwischen 600 und 950 °C. - Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte iii) und iv) in situ durchgeführt werden und im Schritt iii) Stickstoff als Sputtergas zusätzlich zu Krypton und/oder Xenon verwendet wird.
- Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Gateelektroden-Schichtstapel (
5 ,6' ,7' ,8' ) vor dem Annealen strukturiert wird. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch das Annealen eine Widerstandserniedrigung der Transistor-Gatestruktur zwischen 35 und 55% erzielt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt ii) als PVD-Schritt unter Verwendung von Argon als Sputtergas durchgeführt wird.
- Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Isolationskappe (
4 ) und isolierende Seitenwandschichten (3 ) vor dem Annealen gebildet werden. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kontaktschicht (
6' ) aus Ti beim Annealen in eine TiN-Schicht umwandelt. - Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Annealgas ein Argon/Wasserstoff Gemisch und/oder Formiergas verwendet wird.
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