DE102008035805A1 - Gatedielektrika mit unterschiedlicher Dicke in PMOS- und NMOS-Transistoren - Google Patents

Gatedielektrika mit unterschiedlicher Dicke in PMOS- und NMOS-Transistoren Download PDF

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Abstract

Durch Vorsehen eines Gatedielektrikummaterials mit größerer Dicke für p-Kanaltransistoren im Vergleich zu n-Kanaltransistoren können Beeinträchtigungsmechanismen, etwa Schwellwertsstabilität durch negative Vorspannung, Einprägung energiereicher Ladungsträger und dergleichen verringert werden. Auf Grund der erhöhten Zuverlässigkeit der p-Kanaltransistoren wird die Gesamtproduktionsausbeute für eine spezifizierte Qualitätskategorie auf Grund der Möglichkeit erhöht, dass schmälere Toleranzbereiche für das betrachtete Halbleiterbauelement angewendet werden.

Description

  • Gebiet der vorliegenden Offenbarung
  • Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Offenbarung moderne integrierte Schaltungen, etwa CPU's mit Transistorelementen mit geringen Abmessungen, und betrifft insbesondere das Erzeugen das Leistungsvermögen verringender Ladungsträger und Zentren an der Grenzfläche zwischen dem Gatedielektrikumsmaterial und dem Kanalgebiet.
  • Beschreibung des Stands der Technik
  • Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa CPU's, Speicherbauelemente, ASIC's (anwendungsspezifischer integrierter Schaltungen) und dergleichen erfordert das Herstellen einer großen Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einer spezifizierten Schaltungsanordnung, wobei Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die im Wesentlichen das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen bestimmen. Im Allgemeinen werden eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen mit Feldeffekttransistoren die MOS-Technologie eine der vielversprechendsten Lösungen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung von beispielsweise der MOS-Technologie werden Millionen Transistoren, beispielsweise n-Kanaltransistoren und/oder p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche stark dotierter Gebiete, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, mit einem leicht dotierten oder nicht-dotierten Gebiet, etwa einem Kanalgebiet, gebildet sind, das benachbart zu den stark dotierten Gebieten angeordnet ist. In einem Feldeffekttransistor wird die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, durch eine Gateelektrode gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet angeordnet und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet wird. Somit ist in Verbindung mit der Fähigkeit, schnell einen leitenden Kanal unter der isolierenden Schicht beim Anliegen der Steuerspannung an der Gateelektrode aufzubauen, die Leitfähigkeit des Kanalgebiets ein wesentlicher Einflussfaktor für das Leistungsverhalten von MOS-Transistoren. Da somit die Geschwindigkeit des Aufbaus des Kanals, was von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und der Kanalwiderstand im Wesentlichen die Transistoreigenschaften bestimmen, ist die Verringerung der Kanallänge – und damit die Verringerung des Kanalwiderstands und eine Vergrößerung des Gatewiderstands – ein wichtiges Gestaltungskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter Schaltungen zu erreichen.
  • Gegenwärtig wird der größte Teil integrierter Schaltungen auf der Grundlage von Silizium hergestellt auf Grund der im Wesentlichen unbegrenzten Verfügbarkeit, den gut verstandenen Eigenschaften des Siliziums und der dazugehörigen Materialien und Prozess und der Erfahrung, die während der letzten 50 Jahre gewonnen wurde. Daher bleibt Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit das Material der Wahl für künftige Schaltungsgenerationen, die für Massenprodukte vorgesehen sind. Ein Grund für die große Bedeutung des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolierung unterschiedlicher Gebiete ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglicht damit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise für Ausheizzyklen zur Aktivierung von Dotierstoffen und zum Ausheilen von Kristallschäden erforderlich sind, ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
  • Aus den zuvor dargelegten Gründen wird Siliziumdioxid vorzugsweise als eine Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium oder anderen metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wird die Länge des Kanalgebiets ständig verringert, um damit die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu verbessern. Da die Transistorleistung durch die Spannung gesteuert wird, die der Gateelektrode zum Invertieren der Oberfläche des Kanalgebiets in eine ausreichend hohe Ladungsdichte zum Erreichen des gewünschten Durchlassstromes für eine gegebene Versorgungsspannung zugeführt wird, muss ein gewisses Maß an kapazitiver Kopplung, die durch den Kondensator gebildet wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das zwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist, beibehalten werden. Es zeigt sich, dass die Verringerung der Kanallänge eine Erhöhung der kapazitiven Kopplung benötigt, um ein sogenanntes Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu erhöhten Leckströmen führen und zu einer Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge. Größenreduzierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit einer reduzierten Schwellwertspannung zeigen einen exponentiellen Anstieg des Leckstromes, wobei auch eine erhöhte kapazitive Kopplung der Gateelektrode zu dem Kanalgebiet erforderlich ist. Somit muss die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert werden, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu schaffen. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid, das lediglich eine Dicke von ungefähr 1,2 nm aufweist. Obwohl im Allgemeinen Hochgeschwindigkeitstransistorelemente mit einem äußerst kurzen Kanal vorzugsweise für Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt werden, während Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger kritische Anwendungen verwendet werden, etwa Speichertransistorelemente, kann der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch eine sehr dünne Siliziumdioxid-Gateisolationsschicht hervorgerufen wird, für eine Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm Werte erreichen, die über leistungsorientierte Schaltungen eine Beschränkung darstellen. D. h. die Produktzuverlässigkeit und die Lebensdauer hängen eng mit Kurzkanaleffekten zusammen, d. h. mit der Stoßionisierung und dem Einfang energiereicher Ladungsträger (HCl) in Verbindung mit Leckströmen im Gatedielektrikum.
  • Ein weiterer lang bekannter Effekt spielt zunehmend eine wichtige Rolle für CMOS-Bauelemente, wenn die Schwellwertspannungen und die Versorgungsspannungen ständig verringert werden. Es wurde in den sechziger Jahren beobachtet, dass das Anlegen einer negativen Spannung möglicherweise in Verbindung mit thermischen Verspannungen an der Gateelektrode von MOS-Transistoren zu einer Verschiebung der Schwellwertspannung führen, d. h. eine Verschiebung der spezifischen Gatespannung, bei der sich ein leitender Kanal benachbart zu der Gateisolationsschicht ausbildet. Dieser Effekt wird auch als „negative Vorspannungstemperaturinstabilität (NBTI)” bezeichnet und ist vorwiegend in PMOS-Transistoren vorhanden und wurde als nicht besonders relevant für Halbleiterbauelemente in den folgenden Jahren erachtet auf Grund des geringen Einflusses auf das gesamte Bauteilleistungsverhalten von Bauelementen, insbesondere da NMOS-Bauelemente zunehmend entwickelt wurden. Diese Situation änderte sich mit der Einführung komplexer CMOS-Bauelemente, die Hochleistungslogikschaltungen enthalten, in denen Millionen an Signalknoten mit PMOS- und NMOS-Transistoren typischerweise vorgesehen sind. Wie zuvor erläutert ist, wurden in diesen Bauelementen die Schwellwertspannung und die Versorgungsspannung verringert, während andererseits das elektrische Feld im Gatedielektrikum zunimmt. Unter derartigen Bedingungen kann eine Änderung der Schwellwertspannung einen noch höheren Einfluss ausüben, da sich die Variabilität beim Transistorbetrieb auf Grund des relativ hohen Einflusses einer Verschiebung der Schwellwertspannung zunehmend auswirkt. Ferner können die Betriebszustände, die sich aus dem Anlegen einer negativen Spannung an die Gateelektrode eines PMOS-Transistors ergeben, von dem betrachteten Signalweg und den gesamten Betriebsbedingungen abhängen, wodurch die Schwellwertverschiebung in höchstem Maße nicht vorhersagbar ist und somit entsprechend festgelegte Entwurfskriterien erforderlich sind, um damit das gewünschte Leistungsverhalten der Transistoren über die gesamte spezifizierte Lebensdauer des Bauelements sicherzustellen. Beispielsweise kann eine Verschiebung der Schwellwertspannung über die kumulierte Betriebszeit schließlich zu einer Verletzung der Zeitspezifizierung des Bauelements führen, wodurch eine weitere Verwendung des Bauelements nicht möglich ist trotz der Tatsache, dass kein anderer wesentlicher Fehler aufgetreten ist.
  • Im Allgemeinen ist der NBTI-Effekt mit der Qualität des Gatedielektrikums verknüpft, das beispielsweise Silizium, Sauerstoff und Stickstoff aufweist, und auch die Qualität der Grenzfläche zwischen dem Silizium in dem Kanalgebiet und dem Gatedielektrikum ist von Bedeutung. D. h., bei einer negativen Gatespannung, höheren Temperaturen und anderen anspruchsvollen Umgebungsbedingungen wird eine Ladungsträgerfalle in der Nähe der Grenzfläche erzeugt, wodurch Löcher eingefangen werden. Auf Grund der lokalisierten positiven Grenzflächenzustände und der eingefangenen Ladungen wird eine Verschiebung in der Schwellwertspannung beobachtet, die im Laufe der Zeit abhängig von den gesamten Belastungsbedingungen, denen der Transistor ausgesetzt ist, zunimmt. In NMOS-Transistoren ist diese Wirkung deutlich weniger ausgeprägt, da die Grenzflächenzustände und die fixierten Ladungen von entgegengesetzter Polarität sind, woraus sich ein geringerer die Leistung beeinträchtigender Nettoeffekt ergibt.
  • Aus diesem Grunde ist es wichtig in anspruchsvollen Anwendungen, die Eigenschaften des Gatedielektrikumsmaterials in Bezug auf die Materialzusammensetzung und die Dicke geeignet auszuwählen, um die Wirkungen des Einprägens energiereicher Ladungsträger und von NBTI auf einem akzeptablen Niveau insbesondere für p-Kanaltransistoren zu halten. Auf Grund der geringeren Entwurfsflexibilität und der ausgeprägten Zunahme des Bauteilleistungsverhaltens für Halbleiterbauelemente, die sehr geringe Werte für die Dicke des Gatedielektrikums und auch für die gesamten Bauteilabmessungen benötigen, betrifft die vorliegende Offenbarung Verfahren und Bauelemente zum Vermeiden oder zumindest zum Reduzieren der Auswirkungen eines oder mehrerer der oben erkannten Probleme.
  • Überblick über die vorliegende Offenbarung
  • Im Allgemeinen betrifft der hierin offenbarte Gegenstand Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen eine durch Belastung hervorgerufene Verschiebung von Schwellwertspannungen im Laufe der Zeit insbesondere in p-Kanaltransistoren in Verbindung mit größeren Wirkungen des Einprägens energiereicher Ladungsträger reduziert werden, indem selektiv ein Gatedielektrikumsmaterial für p-Kanaltransistoren vorgesehen wird, das eine größere Dicke im Vergleich zu n-Kanaltransistoren aufweist, wodurch eine erhöhte Flexibilität bei dem Einstellen der gesamten Produktleistungsfähigkeit komplexer integrierter Schaltungen geschaffen wird, etwa beim Mikroprozessoren. Andererseits kann die Produktzuverlässigkeit im Hinblick auf beeinträchtigende Mechanismen, etwa NBTI, Einprägung energiereicher Ladungsträger und dergleichen für modernste p-Kanaltransistoren verbessert werden, ohne dass das Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren unnötig beeinträchtigt wird, oder es kann das Leistungsverhalten der n-Kanaltransistoren auf Grund der größeren Flexibilität bei dem individuellen Anpassen der Dicke des Gatedielektrikumsmaterials für die n-Kanaltransistoren verbessert werden. Obwohl das Leistungsverhalten der p-Kanaltransistoren geringfügig durch die größere Dicke des Gatedielektrikumsmaterials beeinflusst werden kann, ist die Beeinträchtigung des Produktleistungsverhaltens, was durch NBTI und die Einprägung energiereicher Ladungsträger in p-Kanaltransistoren verknüpft ist, deutlich weniger ausgeprägt, wodurch eine anspruchsvollere Festlegung von Produktspezifikationen für das gesamte Halbleiterprodukt möglich ist, d. h. die entsprechenden Toleranzbereiche können kleiner gewählt werden, wodurch tatsächlich die Anzahl der Produkte vergrößert wird, die die höheren Qualitätserfordernisse erfüllen. Die erhöhte Flexibilität beim Bereitstellen von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren mit einem Gatedie lektrikumsmaterial mit unterschiedlicher Dicke kann gemäß einiger anschaulicher hierin offenbarter Aspekte auf der Grundlage eines zusätzlichen Lithographieschrittes erreicht werden, während in anderen Aspekten die Sequenz des Vorsehens der Gatedielektrikumsmataerialien mit unterschiedlicher Dicke in dem Prozess kombiniert werden kann, um die Wannen- bzw. Potentialtopfdotierung in den jeweiligen aktiven Gebieten festzulegen, wodurch die Gesamtprozesskomplexität durch Vermeiden eines zusätzlichen Lithographieschrittes weiter verringert wird. In anderen anschaulichen Aspekten werden weitere unterschiedliche Dickenwerte für Gatedielektrikumsmaterialien vorgesehen, um die Gesamtflexibilität bei der Einstellung des Transistorleistungsverhaltens und der Zuverlässigkeit weiter zu erhöhen.
  • Ein hierin offenbartes anschauliches Verfahren umfasst das Bilden eines ersten Gatedielektrikumsmaterials auf einem ersten aktiven Gebiet, wobei das erste Gatedielektrikumsmaterial eine erste Dicke besitzt. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines zweiten Gatedielektrikumsmaterials auf einem zweiten aktiven Gebiet, wobei das zweite Gatedielektrikumsamterial eine zweite Dicke aufweist, die kleiner ist als die erste Dicke. Des weiteren wird ein p-Kanaltransistor auf der Grundlage des ersten Dielektrikumsmaterials und ein n-Kanaltransistor wird auf der Grundlage des zweiten Dielektrikumsmaterials gebildet.
  • Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft das Bilden eines Gatedielektrikumsmaterials. Das Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Basismaterials auf einem ersten aktiven Gebiet und einem zweiten aktiven Gebiet, wobei das erste aktive Gebiet eine erste Wannen- bzw. Potentialtopfdotierung aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das selektive Bilden einer zweiten Wannen- bzw. Potentialtopfdotierung in dem zweiten aktiven Gebiet unter Anwendung einer Maske, die das zweite aktive Gebiet freilässt und das erste aktive Gebiet abdeckt. Ferner wird das erste dielektrische Basismaterial selektiv entfernt und Anwendung der Maske, die dann entfernt wird. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines weiteren dielektrischen Materials über dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet, um ein erste Gatedielektrikumsmaterial auf dem ersten aktiven Gebiet und ein zweites Gatedielektrikumsmaterial auf dem zweiten aktiven Gebiet zu erhalten, wobei eine Dicke des zweiten Gatedielektrikumsmaterials kleiner ist als eine Dicke des Gatedielektrikumsmaterials.
  • Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine erste Gateelektrodenstruktur mit einem ersten Gatedielektrikumsmaterial mit einer ersten Dicke. Das Halbleiterbauelement umfasst einen n-Kanaltransistor mit einer zweiten Gateelektrodenstruktur mit einem zweiten Gatedielektrikumsmaterial mit einer zweiten Dicke, die kleiner ist als die erste Dicke.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn dies mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
  • 1a bis 1e schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung eines Gatedielektrikumsmaterials mit unterschiedlicher Dicke für einen p-Kanaltransistor und einen n-Kanaltransistor zeigen, wobei dies auf der Grundlage spezieller Lithographieprozesse gemäß anschaulicher Ausführungsformen erfolgt;
  • 2a bis 2e schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, in denen ein Gatedielektrikumsmaterial individuell beispielsweise im Hinblick auf die Dicke, die Materialzusammensetzung und dergleichen eingestellt wird während einer Sequenz zum Bilden entsprechender Wannen- bzw. Potentialtopfdotierungen gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen; und
  • 3a bis 3d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung von Gatedielektrikumsmaterialien mit unterschiedlicher Dicke für mehrere Transistorelemente gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen.
  • Detaillierte Beschreibung
  • Obwohl die vorliegende Offenbarung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeich nungen nicht beabsichtigen, den hierin offenbarten Gegenstand auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Offenbarung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
  • Im Allgemeinen stellt der hierin offenbarte Gegenstand Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen die Transistorbeeinträchtigung, die durch NBTI und Einprägung energiereicher Ladungsträger hervorgerufen wird, selektiv für p-Kanaltransistoren reduziert wird, ohne im Wesentlichen das Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren negativ zu beeinflussen. Zu diesem Zweck werden die Eigenschaften von Gatedielektrikumsmaterialien individuell für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltranistoren beispielsweise in Bezug auf Dicke, Materialzusammensetzung und dergleichen eingestellt, was zu einer erhöhten p-Kanaltransistorzuverlässigkeit führt, während das Leistungsverhalten des n-Kanaltransistors auf hohen Niveau gehalten werden kann oder die Eigenschaften des Leistungsverhaltens sogar verbessert werden können auf Grund der Möglichkeit, beispielsweise eine geeignet ausgewählte Dicke vorzusehen, die geringer ist im Vergleich zu modernen konventionellen Halbleiterbauelementen. Dazu wird ein zusätzlicher Maskierungsschritt eingeführt, um eine unterschiedliche Gatedielektrikumsdicke für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren vorzusehen, zumindest in speziellen Bauteilgebieten, in denen im Allgemeinen Transistorelemente mit hohem Leistungsverhalten auf Grund des Vorhandenseins kritischer Signalpfade und dergleichen erforderlich sind. Folglich erhält in diesem Falle der p-Kanaltransistor eine größere Dicke des Gatedielektrikumsmaterials, wodurch die Schwellwertspannungsvariabilität während der Lebensdauer des Halbleiterbauelements verringert wird, wie dies zuvor erläutert ist, während andererseits der n-Kanaltransistor eine Dicke des Gatedielektrikumsmaterials gemäß den gewünschten Gesamtbauteilieistungsverhalten erhält. Da eine einzelne Dicke des Gatedielektrikumsmaterials nicht mehr im Hinblick auf das Transistorleistungsverhalten und die Beeinträchtigungsmechanismen auszuwählen ist, kann im Allgemeinen das Leistungsverhalten des n-Kanaltransistors beibehalten oder sogar erhöht werden, während andererseits eine minimale Leistungsbeeinträchtigung des p-Kanaltransistors kompensiert oder überkompensiert wird durch das Erreichen einer erhöhten Zuverlässigkeit und damit Stabilität im Hinblick auf die oben erkannten Beeinträchtigungsmechanismen, wodurch die Anwendung kleinerer Toleranzbereiche im Hin blick auf diese Beeinträchtigungsmechanismen möglich ist. Somit kann die Produktausbeute für eine spezifizierte Produktqualität erhöht werden.
  • In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine individuelle Anpassung von Eigenschaften der Gatedielektrikumsmaterialien für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren ohne einen zusätzlichen Lithographieschritt erreicht, indem das Maskierungsschema angewendet wird, das zum Bilden der grundlegenden Wannendotierung in den jeweiligen aktiven Gebieten erforderlich ist. In diesem Falle wird zumindest eine der Masken zum Bilden einer Wannendotierung ebenfalls zum Einstellen beispielsweise einer Dicke eines Gatedielektrikumsmaterials verwendet, indem etwa ein Teil eines zuvor hergestellten Basismaterials entfernt wird oder indem die aktiven Gebiete für den Empfang von Gatedielektrikumsmaterialien mit unterschiedlicher Dicke anderweitig präpariert werden.
  • In noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen werden die zuvor beschriebnen Konzepte in einer geeigneten Weise kombiniert, um Gatedielektrikumsmaterialien für drei oder mehr unterschiedliche Dicken zu bilden, um damit noch einen größeren Draht an Flexibilität bei der Einstellung der Eigenschaften von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren im Hinblick auf das Leistungsverhalten und die Zuverlässigkeit zu schaffen. Beispielsweise erhalten n-Kanaltransistoren mit hohem Leistungsverhalten ein sehr dünnes Gatedielektrikumsmaterial, während weniger kritische n-Kanaltransistoren ein etwas dickeres Gatedielektrikum erhalten, während p-Kanaltransistoren ein Gatedielektrikum mit einer noch größeren Dicke erhalten, um damit deren Zuverlässigkeit im Hinblick auf die oben erkannten Beeinträchtigungsmechanismen zu erhöhen. In weiteren Fällen wird eine im Allgemeinen erhöhte Dicke des Gatedielektrikumsmaterials in spezifischen Bauteilgebieten vorgesehen, etwa Speicherbereichen und dergleichen, während in geschwindigkeitskritischen Bauteilgebieten, etwa logischen Funktionsblöcken und dergleichen, n-Kanaltransistoren ein dünnes Gatedielektrikumsmaterial erhalten, während p-Kanaltransistoren ein Gatedielektrikumsmaterial mit erhöhter Dicke erhalten, die größer oder kleiner ist als eine Dicke des Gatematerials in den weniger kritischen Bauteilgebieten, in denen eine höherer Schwellwertstabilität gewünscht ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird auch in den Gebieten in einer mit allgemeineren größeren Dicke des Gatedielektrikumsmaterials ebenfalls ein Unterschied auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Prozesstechniken erreicht.
  • Es sollte beachtet werden, dass die hierin offenbarten Prinzipien auf Halbleiterbauelemente mit sehr geringen Abmessungen angewendet werden kann, da hier eine unerwünschte Zunahme der Schwellwertspannung insbesondere bei p-Kanaltransistoren eine ausgeprägtere Wirkung auf das Gesamtleistungsverhalten im Vergleich zu weniger kritischen Halbleiterbauelementen ausübt. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die hierin offenbarten Techniken aber auch auf eine beliebige Art von Halbleiterbauelementen angewendet werden können, die auf der Grundlage gut etablierter CMOS-Techniken hergestellt werden, da das höhere Maß an Flexibilität bei der Bereitstellung von Gatedielektrikumsmaterialien ebenfalls vorteilhaft im Hinblick auf eine generelle Zunahme des Leistungsverhaltens und der Zuverlässigkeit ausgenutzt werde kann. Des weiteren ist zu beachten, dass die folgende Beschreibung weitere anschauliche Ausführungsformen auf eine planare Transistorkonfiguration Bezug nimmt, da diese Art an Transistoren aktuell die wesentliche Transistorarchitektur in komplexen integrierten Schaltungen auf Siliziumbasis repräsentiert. Jedoch kann das Konzept des Vorsehens eines Gatedielektrikumsmaterials individuell für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren auch auf andere Bauteilarchitekturen erweitert werden, etwa FinFET-Architekturen, in denen das Gatedielektrikumsmaterial auf zwei oder mehr Oberflächenbereichen eines Halbleiterstegs gebildet wird. Sofern in der Beschreibung und/oder den angefügten Patentansprüchen dies nicht anders dargestellt ist, sollte die vorliegende Offenbarung nicht auf eine spezielle planare Transistorkonfiguration eingeschränkt erachtet werden.
  • Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
  • 1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Substrat 101, über welchem eine Halbleiterschicht 103 gebildet ist. Das Substrat 101 repräsentiert ein beliebiges geeignetes Trägermaterial, etwa ein Halbleitermaterial, ein Halbleitermaterial in Verbindung mit einem isolierenden Material und dergleichen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst das Substrat 101 im Wesentlichen kristalline Halbleiteroberflächenbereiche in Verbindung mit Oberflächenbereichen, die durch ein isolierendes Material gebildet sind. Eine entsprechende Konfiguration, in der die Halbleiterschicht 103 auf einem isolierenden Oberflächenbereich des Substrats 101 gebildet ist, wird als eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration bezeichnet, während eine Konfiguration, in der die Halbleiterschicht 103 auf einen im Wesentlichen kristallinen Halbleitermaterial des Substrats 101 gebildet ist, als eine „Vollsubstratkonfiguration” bezeichnet wird. Abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen repräsentiert somit das Halbleiterbauelement 100 eine Vollsubstratkonfiguration, eine SOI-Konfiguration oder eine Mischung aus Vollsubstrat- und SOI-Konfiguration. Die Halbleiterschicht 103 kann eine siliziumbasierte Schicht repräsentieren, d. h. ein Siliziummaterial, das ebenfalls weitere Komponenten, etwa Germanium, Kohlenstoff und geeignete Dotierstoffsorten und dergleichen aufweist. In anderen Fällen repräsentiert die Halbleiterschicht 103 ein beliebiges geeignetes Material oder eine Materialzusammensetzung, um darin und darüber einen p-Kanaltransistor 150p und einen n-Kanaltransistor 150n zu bilden. In der gezeigten Fertigungsphase umfasst die Halbleiterschicht 103 entsprechende Isolationsstrukturen 102, die in Form einer flachen Grabenisolation und dergleichen vorgesehen sein können. In der gezeigten Ausführungsform trennt die Isolationsstruktur 102 ein aktives Gebiet 103p des p-Kanaltransistors 150p von einem aktiven Gebiet 103n des n-Kanaltransistors 150n. Es sollte beachtet werden, dass ein aktives Gebiet als ein Gebiet in der Halbleiterschicht 103 zu verstehen ist, das eine gewisse Leitfähigkeit besitzt und das einen oder mehrere pn-Übergänge eines Transistorelements erhält. Zu diesem Zweck enthalten die aktiven Gebiete 103t, 103n eine spezielle Wannen- bzw. Potentialtopfgrunddotierung, die in Verbindung mit einer Dotierstoffsorte entgegengesetzter Leitfähigkeitsart für entsprechende pn-Übergänge in einer späteren Fertigungsphase sorgt. Somit besitzt das aktive Gebiet 103p eine grundlegende n-Wannendotierung, während das aktive Gebiet 103n eine grundlegende p-Dotierung aufweist. Des weiteren ist in der gezeigten Fertigungsphase ein dielektrisches Basismaterial 151 auf den aktiven Gebieten 103p, 103n mit einer geeigneten Materialzusammensetzung und Dicke entsprechend den Erfordernissen des p-Kanaltransistors 150p und des n-Kanaltransistors 150n ausgebildet. Beispielsweise repräsentiert das dielektrische Basismaterial 151 ein Oxid des Halbleitermaterials der Halbleiterschicht 103, etwa ein Siliziumdioxid und dergleichen, während auch andere weitere Komponenten, etwa Stickstoff und dergleichen, in das dielektrische Basismaterial 151 eingebaut sein können. Es sollte beachtet werden, dass das dielektrische Basismaterial 151 im Wesentlichen auf die Oberfläche der aktiven Gebiete 103p, 103n beschränkt sein kann, während in anderen Fällen die Schicht 151 als eine im Wesentlichen kontinuierliche Schicht vorgesehen ist, die sich auch über die Isolationsstruktur 102 erstreckt, wie dies durch die gestrichelte Linie angedeutet ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen enthält das dielektrische Basismaterial 151 Materialien mit erhöhter dielektrischer Konstante, die auch als dielektrische Materialien mit großem ε bezeichnet werden und die als Materialien zu verstehen sind, die eine Dielektrizitätskonstante von ungefähr 10,0 oder höher aufweisen. Beispielsweise sind Hafniumoxid, Zirkonoxid und dergleichen geeignete Kandidaten für dielektrische Materialien mit großem ε. Eine Dicke 151t der dielektrischen Basisschicht 151 ist so festgelegt, dass eine kombiniert Dicke für den p-Kanaltransistor 150p in einer späteren Fertigungsphase erreicht wird, wenn ein Gatedielektrikumsmaterial für einen Transistor 150n mit einer vordefinierten Dicke gebildet wird. Beispielsweise liegt in anspruchsvollen Anwendungen die Dicke 151t im Bereich von ungefähr 0,8 nm bis 2,0 nm, wobei zu beachten ist, dass auch andere Werte gewählt werden können, wenn im Allgemeinen die Gatedielektrikumsmaterialien mit einer größeren Dicke zu verwenden sind, beispielsweise wenn ein dielektrisches Material mit großem ε vorgesehen wird.
  • Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Vor oder nach dem Bilden der Isolationsstruktur 102 wird die grundlegende Wannendotierung in den aktiven Gebieten 103p, 103n erzeugt unter Anwendung gut etablierter Maskierungsschemata. D. h., das aktive Gebiet 103p wird mittels einer Lackmaske abgedeckt, während die gewünschte Dotierstoffsorte in das aktive Gebiet 103n implantiert wird. Andererseits wird das aktive Gebiet 103n maskiert und ein n-Dotierstoff wird in das aktive Gebiet 103p eingeführt. Die Isolationsstruktur 102 wird unter Anwendung gut etablierter Prozessschemata hergestellt, wozu Lithographietechniken, Ätztechniken, Abscheid- und Planarisierungsprozesse gehören. Beispielsweise ist die Isolationsstruktur 102 aus Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen aufgebaut. Danach wird die Oberfläche der Halbleiterschicht 103 für das Bilden des dielektrischen Basismaterials 151 vorbereitet, wozu geeignete Reinigungsprozesse unter Anwendung nasschemischer Ätzchemien, etwa APM (Ammoniumperoxidmischung) und dergleichen gehören können. Als nächstes wird das dielektrische Basismaterial 151 gemäß einer geeigneten Fertigungstechnik hergestellt. Beispielsweise wird zumindest ein Teil der Schicht 151 durch einen Oxidationsprozess gebildet, der in einem Ofen mit gut gesteuertem sauerstoffenthaltenden Umgebung ausgeführt wird, wodurch ein langsamer und steuerbarer Oxidationswachstumsprozess auf freiliegenden Oberflächenbereichen der aktiven Gebiete 103p, 103n erreicht wird. Der entsprechende Oxidationsprozess kann so gesteuert werden, dass die gewünschte Dicke 151t erhalten wird. Des weiteren können zusätzliche Prozessschritte ausgeführt werden, beispielsweise können andere Sorten in die Schicht 151, etwa Stickstoff und dergleichen, eingebaut werden, wenn dies durch die Gesamtprozessstrategie vorgegeben ist. In anderen Fällen wird eine andere geeignete Atomsorte der Oxidationsumgebung zugefügt, um die gewünschte Gesamtmaterialzusammensetzung zu erreichen. In noch anderen anschauli chen Ausführungsformen wird die Schicht 151 durch Abscheidung hergestellt, oder es wird zumindest ein Teil der Schicht 151 durch Abscheidung gebildet, etwa durch Abscheiden eines dielektrischen Materials mit großem ε mittels CVD (chemischer Dampfabscheidung). Beispielsweise wird eine dünne Oxidschicht (nicht gezeigt) in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε (nicht gezeigt) mittels eines Oxidationsprozesses und mittels eines nachfolgenden Abscheideschrittes hergestellt.
  • 1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Maske 104, etwa eine Lackmaske und dergleichen, vorgesehen, um das aktive Gebiet 103n freizulassen, d. h. den Bereich der Schicht 151, der darauf gebildet ist, und um das aktive Gebiet 103p abzudecken. Des weiteren unterliegt das Halbleiterbauelement 100 der Einwirkung einer Ätzumgebung 105, die in Form eines nasschemischen Ätzprozesses oder eines plasmagestützten Ätzprozesses abhängig von der Materialzusammensetzung der Schicht 151 eingerichtet wird. Beispielsweise können Siliziumnitridmaterial und eine Vielzahl anderer dielektrischer Materialien, die häufig als ein Gatedielektrikumsmaterial verwendet werden, effizient durch gut etablierte Ätztechniken entfernt werden.
  • 1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement nach dem Ätzprozess 105 und dem Entfernen der Maske 104 (siehe 1b). Somit ist das aktive Gebiet 103n freigelegt, so dass es ein Gatedielektrikumsmaterial mit einer Dicke erhalten kann, wie es für den Transistor 150n erforderlich ist. Andererseits dient der verbleibende Teil der Schicht 151 als ein erster Teil eines Gatedielektrikumsmaterials für den Transistor 150p, so dass eine endgültige Dicke erhöht werden kann, ohne dass eine Dicke eines Gatedielektrikumsmaterials in dem Transistor 150n beeinflusst wird. Ferner wird in der gezeigten Fertigungsphase ein geeigneter Reinigungsprozess ausgeführt, beispielsweise auf der Grundlage gut etablierter nasschemischer Rezepte unter Anwendung von etwa APM (Amoniumperoxidmischung) und dergleichen. Auf diese Weise können Rest der vorhergehenden Fertigungsschritte und andere Teilchen und Kontaminationen verringert werden.
  • 1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Prozesses 106 zur Herstellung eines dielektrischen Materials 152 auf dem aktiven Gebiet 103n und auf dem Material 151, das auf dem aktiven Gebiet 103p angeordnet ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Prozess 106 einen Oxidationsprozess, wozu eine ge eignete oxidierende Umgebung bei erhöhten Temperaturen eingerichtet wird, um ein Oxidmaterial auf dem aktiven Gebiet 103n aufzuwachsen und um eine Dicke des Materials 151 über dem aktiven Gebiet 103p zu vergrößern. In diesem Falle kann die Wachstumsrate für die Schicht 152 über dem aktiven Gebiet 103n und dem aktiven Gebiet 103p unterschiedliche sein auf Grund der unterschiedlichen Anfangsbedingungen des Wachstumsprozesses, was zu einer unterschiedlichen Dicke der jeweiligen oxidierten Bereiche in den aktiven Gebieten 103n, 103p führen kann. Ein entsprechender Unterschied in der Wachstumsrate kann im Voraus ermittelt werden, so dass eine kombinierte Dicke 151s über dem aktiven Gebiet 103p auf der Grundlage einer Dicke der Schicht 101 (siehe 1a) in Verbindung mit einer gewünschten Dicke 152t der Schicht 152 über dem aktiven Gebiet 103n eingestellt werden kann. Somit erhält der n-Kanaltransistor 150n das Gatedielektrikumsmaterial mit der Dicke 152t, die im Hinblick auf das Leistungsverhalten und die Zuverlässigkeitsaspekte dieses Transistors ausgewählt ist, während die kombinierte Dicke 151s im Hinblick auf eine höhere Zuverlässigkeit für den p-Kanaltransistor 150p ausgewählt ist, wie dies zuvor erläutert ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Prozess 106 einen Abscheideprozess, um die Schicht 152 in einer gewünschten Zusammensetzung und Dicke vorzusehen. Beispielsweise können moderne CVD-Prozesstechniken, ALD (Atomschichtenabscheidung) und dergleichen eingesetzt werden, um ein gewünschtes Material abzuscheiden, wobei auch dielektrische Materialien mit großem ε vorgesehen werden können, wie dies zuvor erläutert ist. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Prozess 106 eine geeignete Oberflächenbehandlung, etwa eine Oxidation auf der Grundlage nasschemischer Mittel, eine Nitrierung und dergleichen, wie dies zum Bereitstellen der Schicht 152 in Form eines dielektrischen Materials für den Transistor 150n als geeignet erachtet wird, wobei eine Dicke des Basismaterials 151 über dem aktiven Gebiet 103p vergrößert wird.
  • 1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, enthalten die Transistoren 150p, 150n eine Gateelektrodenstruktur 153, die ein Gateelektrodenmaterial 153a aufweist, das ein beliebiges geeignetes Material repräsentiert, etwa Polysilizium, Polysilizium in Verbindung mit einem metallenthaltenden Material und dergleichen, wobei dies von den Bauteilerfordernissen abhängt. Des weiteren umfasst die Gateelektrodenstruktur 153 eine Gateisolationsschicht 153b, die das Gateelektrodenmaterial 153a von einem Kanalgebiet 155 trennt, das wiederum lateral von Drain- und Sourcegebieten 154 eingeschlossen ist. Des weiteren weisen die Gatee lektrodenstruktur 153 eine Abstandshalterstruktur 153c gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen und der Herstellung der Transistoren 150p, 150n angewendeten Prozessstrategie auf. Es sollte beachtet werden, dass eine oder beide Transistoren 150p, 150n weitere Komponenten aufweisen können, etwa verformungsinduzierende Quellen, um damit die gesamten elektrischen Leistungseigenschaften eines oder beider der Transistoren 150p, 150n einzustellen. Beispielsweise kann der Transistor 150p ein eingebettetes Halbleitermaterial in dem aktiven Gebiet 103p aufweisen, etwa Silizium/Germanium und dergleichen, um damit eine gewünschte Verformungskomponente in dem Kanalgebiet 155 zu erzeugen. In ähnlicher Weise kann der Transistor 150n ein verformtes und damit eine Verformung hervorrufendes Halbleitermaterial in den Drain- und Sourcegebieten 154 besitzen, wodurch eine gewünschte Verformungskomponente, etwa eine Zugverformungskomponente in dem benachbarten Kanalgebiet 155 erhalten wird. Der Einfachheit halber sind derartige zusätzliche Mechanismen und/oder Materialien zur Verbesserung des gesamten Bauteilleistungsverhaltens in 1e nicht gezeigt. Ferner ist, wie gezeigt ist, die Gateisolationsschicht 153b des Transistor 150n aus der Schicht 152 mit der Dicke 152t aufgebaut, die so gewählt ist, dass das gewünschte elektrische Verhalten des Transistors 150n erreicht wird, während auch die Dotierstoffprofile und Konzentrationen in dem aktiven Gebiet 103n an die Dicke 152t angepasst sind. Im Vergleich zu konventionellen Strategien, in denen die Gateisolationsschichten 153b in einem gemeinsamen Fertigungsprozess vorgesehen werden so dass die Materialzusammensetzung und die Dicke an die Leistungskriterien sowie an die Zuverlässigkeitskriterien anzupassen sind, insbesondere zu p-Kanaltransistoren, ist dies in der vorliegenden Ausführungsform unterschiedlich. Andererseits ist die Gateisolationsschicht 153b des Transistor 150p aus den Materialien 151 und 152 mit der Dicke 151s aufgebaut, wodurch für eine bessere Zuverlässigkeit im Hinblick auf die zuvor erkannten Beeinträchtigungsmechanismen gesorgt ist, so dass das Gesamtverhalten im Hinblick auf die Schwellwertvariabilität über die Produktlebensdauer verbessert ist. Folglich wird ein geringes Bauteilleistungsverhalten auf Grund der größeren Dicke 151s im Vergleich zu konventionellen Strategien kompensiert oder sogar überkompensiert durch einen Leistungszuwachs des n-Kanaltransistors 150n und der Möglichkeit, kleinere Toleranzbereiche im Hinblick auf NBTI und Einprägung von Ladungsträger für die p-Kanaltransistoren zu definieren, so dass insgesamt eine größere Anzahl an Produkt mit den Transistoren 150p, 150n ein spezielles höheres Qualitätskriterium erfüllen. Somit wird die Produktionsausbeute im Hinblick auf eine spezifizierte hohe Produktqualität erhöht, wobei sich ggf. auch ein höheres Leistungsverhalten für die Produkte ergibt.
  • Das in 1e gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Beginnend von der Bauteilkonfiguration, wie sie in 1d gezeigt ist, wird ein geeignetes Gateelektrodenmaterial oder Platzhaltermaterial abgeschieden, beispielsweise durch gut etablierte CVD-Techniken bei geringem Druck, wenn Polysiliziummaterial vorzusehen ist. Das Gateelektrodenmaterial kann möglicherweise in Verbindung mit anderen Materialien, etwa Deckmaterialien, ARC-(antireflektierende)Materialien werden strukturiert unter Anwendung aufwendiger Lithographie- und Ätztechniken, beispielsweise auf der Grundlage gut bekannter Prozessstrategien. Danach wird eine geeignete Dotierstoffsorte eingeführt und die Abstandshalterstrukturen 153c oder einzelne Abstandshalterelemente davon werden in Verbindung zum Ausführen von Implantationsprozessen hergestellt, um damit das gewünschte laterale und vertikale Dotierstoffprofil für die Drain- und Sourcegebiete 154 zu schaffen. Bei einem entsprechenden Ausheizprozess wird das endgültige Dotierstoffprofil eingestellt, um damit die in 1e gezeigte Bauteilkonfiguration zu erreichen. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem beispielsweise ein Metallsilizid in den Drain- und Sourcegebieten 154 und in den Gateelektrodenstrukturen 153 hergestellt wird, woran sich das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials anschließt, um die Transistoren 150p, 150n zu passivieren. Die entsprechende Prozesssequenz zum Vorsehen des dielektrischen Zwischenschichtmaterials kann das Aufbringen stark verspannter dielektrischer Materialien mit einschließen, um damit eine gewünschte Verformungskomponente in den Kanalgebieten 155 für eine weitere Verbesserung des gesamten Bauteilverhaltens abhängig von den jeweiligen Prozess- und Bauteilerfordernissen zu schaffen. Danach wird eine Kontaktstruktur hergestellt und es werden zusätzliche Verdrahtungsschichten, d. h. Metallisierungsschichten aufgebracht, um die elektrischen Verbindungen zwischen den einzelnen Schaltungselementen des Bauelements 100, etwa den Transistoren 150p, 150n, herzustellen.
  • Mit Bezug zu den 2a bis 2d werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen die Eigenschaften eines Gatedielektrikumsmaterials, beispielsweise dessen Dicke individuell für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren ohne weitere Lithographieschritte angepasst werden.
  • 2a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 200 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 203 ausgebildet ist. Des weiteren ist in der gezeigten Ausfüh rungsform eine Isolationsstruktur 202 vorgesehen, um ein aktives Gebiet 203p für einen p-Kanaltransistor und ein aktives Gebiet 203n für einen n-Kanaltransistor zu definieren. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Fällen die Isolationsstruktur 202 in dieser Fertigungsphase noch nicht hergestellt ist. Im Hinblick auf die bislang beschriebenen Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind. Es sollte jedoch beachtet werden, dass in der gezeigten Fertigungsphase eine Dotierstoffsorte 207a in dem aktiven Gebiet 203p vorgesehen sein kann, um damit eine geeignete Potentialtopfdotierung zu definieren, die die grundlegende Leitfähigkeitsart des betrachteten Transistors vorgibt. In der gezeigten Ausführungsform repräsentiert die Dotierstoffsorte 207a eine n-Dotierstoffsorte, so dass das aktive Gebiet 203p das aktive Gebiet eines p-Kanaltransistors repräsentiert.
  • Die Dotierstoffsorte 207a wird auf der Grundlage eines Implantationsprozesses 208 eingefügt, der auf der Basis einer Implantationsmaske 209 ausgeführt wird, die das aktive Gebiet 203n abdeckt, um damit das Eindringen der Dotierstoffsorte 207a in das aktive Gebiet 203n zu vermeiden. Die Implantationsmaske 209 wird auf der Grundlage gut etablierter Maskierungstechniken hergestellt. Auch der Implantationsprozess 208 wird auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken durchgeführt.
  • 2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, d. h. nach dem Entfernen der Maske 209 und einem entsprechenden Reinigungsprozess zum Vorbereiten der aktiven Gebiete 203p, 203n für einen Prozess 206a zum Herstellen eines dielektrischen Basismaterials 251. Beispielsweise repräsentiert der Prozess 206a einen Oxidationsprozess unter Anwendung erhöhter Temperaturen in Verbindung mit einer oxidierenden Umgebung, einer nasschemischen Oxidationsumgebung und dergleichen. In anderen Fällen wird zusätzlich oder alternativ zu einem Oxidationsprozess eine andere Oberflächenbehandlung eingesetzt, um die gewünschte Materialzusammensetzung der Schicht 251 zu erhalten. In weiteren Fällen wird zusätzlich oder alternativ zu einem Oxidationsprozess oder einer anderen Oberflächenbehandlung ein Abscheideprozess ausgeführt, um die Schicht 251 mit der Materialzusammensetzung und einer Dicke zu schaffen, wie dies für die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 erforderlich ist. In diesem Falle kann die Materialschicht 251 oder zumindest ein Teil davon auch über der Isolationsstruktur 202 gebildet werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine Dicke 251t der Schicht 251 entsprechend ähnlicher Kriterien eingestellt, wie sie zuvor mit Bezug zu der Schicht 151 und der Dicke 151t erläutert sind. D. h., die Dicke 251t repräsentiert eine Basisdicke, die in einer späteren gewissen Fertigungsphase über dem aktiven Gebiet 203p vergrößert wird, um damit die endgültig gewünschte Dicke zu erreichen, während gleichzeitig eine geringere Dicke über dem aktiven Gebiet 203n geschaffen wird.
  • 2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines weiteren Implantationsprozesses 210, der auf Grund einer Maske 211 ausgeführt wird, die das aktive Gebiet 203p abdeckt, während das aktive Gebiet 203 freiliegt. Während des Implantationsprozesses 210 wird eine geeignete Dotierstoffsorte 207b eingeführt, um eine gewünschte grundlegende Potentialtopfdotierung für das aktive Gebiet 203n zu definieren, während in diesem Falle eine p-Dotierstoffsorte eingeführt wird, um einen n-Kanaltransistor in und über dem aktiven Gebiet 203n herzustellen.
  • 2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Ätzprozesses 205, der auf der Grundlage einer Ätzumgebung eingerichtet wird, die zum selektiven Entfernen des Materials der Schicht 251 gestaltet ist. Der Ätzprozess 205 kann auf der Grundlage der Maske 211 ausgeführt werden, wodurch ein zusätzlicher Lithographieprozess vermieden wird, um damit unterschiedliche Gatedielektrika über den aktiven Gebieten 203p, 203n zu schaffen. Nach dem Ätzprozess 205, der unter Anwendung gut etablierter Ätztechniken ausgeführt werden kann, wie dies zuvor auch beschrieben ist, wird die Maske 211 entfernt und es wird ein geeigneter Reinigungsprozess ausgeführt, um das Bauelement 200 für einen weiteren Prozess zur Herstellung eines Gatedielektrikumsmaterials vorzubereiten.
  • 2e zeigt schematisch das Bauelement 200 während eines Prozesses 206, der zum Vorsehen eines Gatedielektrikumsmaterials 252 gestaltet ist. Wie zuvor erläutert ist, kann der Prozess 206 eine Nitrierung und dergleichen repräsentieren, möglicherweise in Verbindung mit einem Abscheideprozess. In anderen Fällen enthält der Prozess 206 einen oder mehrere Abscheideschritte ohne weitere Oberflächenbehandlungsprozesse. Somit kann das Gatedielektrikumsmaterial 252 mit einer gewünschten Dicke und einer Materialzusammensetzung gemäß den gesamten Bauteilerfordernissen für Transistoren aufgebracht werden, die in und über den aktiven Gebieten 203p, 203n zu bilden sind. Auf der Grundlage der Bauteilkonfiguration, wie sie in 2e gezeigt ist, kann die weitere Bearbeitung fortgesetzt werden, wie dies beispielsweise mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist.
  • Folglich kann eine unterschiedliche Dicke und/oder Materialzusammensetzung eines Gatedielektrikumsmaterials für n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren geschaffen werden, ohne dass weitere Lithographieschritte erforderlich sind, indem der Prozess zum Bilden der grundlegenden Dotierung mit dem Prozess zur Herstellung von Gatedielektrikumsmaterialien mit unterschiedlicher Dicke oder anderen Eigenschaften kombiniert wird.
  • Mit Bezug zu den 3a bis 3d werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen Gatedielektrikumsmaterialien mit mehr als zwei unterschiedlichen Dicken vorgesehen werden.
  • 3a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 300 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 303 gebildet ist, die mehrere Isolationsstrukturen 302 aufweist. Im Hinblick auf diese Komponenten gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu den Bauelementen 100 und 200 erläutert sind. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 300 ein erstes Bauteilgebiet 320a, das im Allgemeinen ein Gatedielektrikumsmaterial mit größerer Dicke erfordert. Ferner ist ein zweites Bauteilgebiet 320b vorgesehen, in welchem Transistorelemente mit hohem Leistungsverhalten herzustellen sind, etwa Transistoren, die in geschwindigkeitskritischen Signalpfaden und dergleichen erforderlich sind. Es sollte beachtet werden, dass in anspruchsvollen Halbleiterbauelementen häufig unterschiedliche Bauteilbereiche eine unterschiedliche Konfiguration der Transistoren erfordem und insbesondere von deren Gatedielektrikumsmaterialien. Beispielsweise werden die Bauteilgebiete 320a, 320b mit einer unterschiedlichen Betriebsspannung betrieben, wodurch insgesamt eine höhere Stabilität und eine Spannungsfestigkeit entsprechender Gatedielektrikumsmaterialien erforderlich ist. In anderen Fällen ist das Transistorleistungsverhaltenin dem Gebiet 320a weniger kritisch, während andererseits eine erhöhte Schwellwertstabilität erforderlich ist, beispielsweise wenn das Gebiet 320a statische RAM-Bereiche (Speicher mit wahlfreiem Zugriff) enthält, wie dies in modernen Mikroprozessoren der Fall ist. Ferner ist in der gezeigten Fertigungsphase ein erstes Basismaterial 351a auf aktiven Gebieten 303p, 303n des Bauteilgebiets 320a gebildet. Das erste Basismaterial 351a ist etwa aus zwei unterschiedlichen Materialschichten aufgebaut oder enthält ein kontinuierliches Material mit einer größeren Dicke im Vergleich zu einem zweiten Basismaterial 351b, das auf aktiven Gebieten 303p, 303n des zweiten Bauteilgebiets 320b ausgebildet ist. Beispielsweise repräsentieren die Basismaterialien 351a, 351b oxidbasierte Materialien und dergleichen, wie dies auch zuvor für die Basismaterialien 151 und 152 erläutert ist.
  • Das in 3a gezeigte Halbleiterbauelement 300 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bilden der aktiven Gebiete 303p, 303n in dem ersten und dem zweiten Bauteilgebiet 320a, 320b und nach dem Herstellen der Isolationsstruktur 302a wird ein dielektrisches Material, beispielsweise durch Oxidation hergestellt und wird selektiv von dem zweiten Bauteilgebiet 320b unter Anwendung geeignet gestalteter Photomasken abgetragen. Als nächstes wird ein weiteres dielektrisches Material gebildet, beispielsweise durch Oxidation und dergleichen, wodurch die Schicht 351b mit einer geringeren Dicke in dem Bauteilgebiet 320b geschaffen wird, während eine Dicke des verbleibenden Teils des zuvor hergestellten dielektrischen Materials erhöht wird, wodurch das erste Basismaterial 351h mit der gewünschten größeren Dicke bereitgestellt wird.
  • 3b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einem weiter fortgeschrittenen Fertigungsstadium. In der gezeigten Ausführungsform ist eine Maske 304, etwa eine Lackmaske, vorgesehen, um einen Teil des ersten Bauteilgebiets 320a und des zweiten Bauteilgebiets 320b freizulassen, während entsprechende Bereiche des ersten und des zweiten Bauteilgebiets 320a, 320b während eines Ätzprozesses 305 abgedeckt sind. In der gezeigten Ausführungsform sind unterschiedliche Dickenwerte für die dielektrischen Materialien von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransitoren in dem ersten und dem zweiten Bauteilgebiet 320a, 320b erforderlich. In diesem Falle lässt die Maske die aktiven Gebiete 303n in dem ersten und dem zweiten Bauteilgebiet 320a, 320b frei, die entsprechende n-Kanaltransistoren repräsentieren. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt), trägt die Maske 304 das gesamte Gebiet 320a ab, wenn eine entsprechende Differenz in der Dicke in dem ersten Bauteilgebiet 320a nicht gewünscht ist. Der Ätzprozess 305 wird auf der Grundlage eines geeigneten Ätzrezepts ausgeführt, wie dies auch zuvor beschrieben ist.
  • 3c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 nach dem Ätzprozess 305 und nach dem Entfernen der Ätzmaske 304. Somit ist in dem zweiten Bauteilgebiet 320b das aktive Gebiet 303n freigelegt, während die Schicht 351b über dem aktiven Gebiet 303p beibehalten wird. In dem ersten Bauteilgebiet 320a bleibt das zuvor hergestellte erste dielektrische Basismaterial 351a über dem aktiven Gebiet 303p erhalten, während ein Material 351c über dem aktiven Gebiet 303n auf Grund des Ätzprozesses 305 gebildet ist. D. h., auf Grund der anfänglich größeren Dicke des Materials 351a tritt eine Verringerung der Dicke auf, ohne dass im Wesentlichen das aktive Gebiet 303n in dem ersten Bauteilgebiet 320a freigelegt wird. Abhängig von den gesamten Bauteilerfordernissen ist eine Dicke der Schicht 351c größer oder kleiner als eine Dicke der Schicht 351b. D. h., falls gewünscht ist die endgültige Dicke des Gatedielektrikumasmaterials über dem aktiven Gebiet 303n in dem ersten Bauteilgebiet 320a kleiner als eine endgültige Dicke eines p-Kanaltransistors des zweiten Bauteilgebiets 320b, während in anderen Fällen die endgültig erreichte Dicke des Gatedielektrikumsmaterials des n-Kanaltransistors in dem ersten Bauteilgebiet 320a größer ist als eine endgültige Dicke des Gatedielektrikumsmaterials des p-Kanaltransistors in dem zweiten Bauteilgebiet 320b.
  • 3d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 300 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. D. h., ein weiteres dielektrisches Material 352 ist in dem ersten und dem zweiten Bauteilgebiet 320a, 320b ausgebildet, wodurch ein Unterschied in den aktiven Gebieten 303p, 303n in den Bauteilgebieten 320a, 320b erreicht wird. D. h., das Gatedielektrikumsmaterial 352 definiert ein dritte Dicke 352t über den aktiven Gebieten 303n des zweiten Bauteilgebiets 320b, wodurch ein besseres Transistorleistungsverhalten eines n-Kanaltransistors möglich ist, wie dies zuvor erläutert ist. In ähnlicher Weise definiert über dem aktiven Gebiet 303p des zweiten Bauteilgebiets 320b das Material 352 in Verbindung mit dem Material 351b eine Dicke 351s, um damit eine erhöhte Zuverlässigkeit eines p-Kanaltransistors zu erreichen. In dem aktiven Gebiet 303n des ersten Bauteilgebiets 320a definiert das Material 352 in Verbindung mit dem Material 351c, eine Dicke 352s, die größer oder kleiner als die Dicke 351s, wie dies zuvor erläutert ist. Somit wird eine moderate Leistung für einen n-Kanaltransistor in dem ersten Bauteilgebiet 320a erreicht. Des weiteren definiert das Material 352 in Verbindung mit dem Material 351a eine vierte Dicke 351r, die für p-Kanaltransistoren in dem Bauteilgebiet 320a geeignet ist. Auf der Grundlage der unterschiedlichen Dickenwerte in dem ersten und dem zweiten Bauteilgebiet 320a, 320b wird die weitere Bearbeitung auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken fortgesetzt, um entsprechende Transistorelemente in und über den aktiven Gebieten 303p, 303n zu bilden. Somit kann eine individuelle Anpassung eines Gatedielektrikumsmaterials für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren auf der Grundlage einer Bauteilkonfiguration erreicht werden, die an sich eine unterschiedliche Art und/oder Dicke eines Gatedielektrikumsmaterials in unterschiedlichen Bauteilgebieten erfordert.
  • Es gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Techniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren ein Gatedielektrikumsmaterial mit unterschiedlicher Dicke erhalten, um damit individuell das gesamte Bauteilleistungsverhalten und die Zuverlässigkeit einzustellen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen erhalten p-Kanaltransistoren ein dielektrisches Material mit größerer Dicke im Vergleich zu n-Kanaltransistoren, um damit die Auswirkungen von Beeinträchtigungsmechanismen, etwa der negativen Vorspannung in entsprechender Schwellwertsinstabilität und dem Einprägen energiereicher Ladungsträger zu verringern, ohne dass das Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren negativ beeinflusst wird oder dieses sogar verbessert wird, da eine geringere Dicke im Vergleich zu konventionellen Strategien vorgesehen werden kann. Dies wird erreicht, indem ein zusätzlicher Lithographieschritt zum selektiven Vorsehen der Bedingungen für Gatedielektrikumsmaterialien mit unterschiedlicher Dicke ausgeführt wird, beispielsweise durch Entfernen eines Teils eines zuvor hergestellten Basismaterials und nachfolgendes Hinzufügen eines weiteren Gatedielektrikumsmaterials. In anderen Fällen (nicht gezeigt) wird die Wachstumsrate eines Oxidationsprozesses selektiv für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren eingestellt, indem beispielsweise ein Implantationsprozess ausgeführt wird oder eine andere Oberflächenbehandlung durchgeführt wird, die zu einer unterschiedlichen Diffusionsrate und damit Oxidationsrate führt. Das Prinzip des Vorsehens einer zusätzlichen Lithographiemaske für das individuelle Anpassen der Dicke des Gatedielektrikumsmaterials für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren kann mehr als ein mal angewendet werden, um die Dickenverteilung für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren über ein spezifiziertes Bauteilgebiet hinweg zu „verfeinern”. D. h., insbesondere leistungsorientierte n-Kanaltransistoren erhalten ein sehr dünnes Gatedielektrikumsmaterial, während andere geschwindigkeitskritische n-Kanaltransistoren eine moderat dünne Gatedielektrikumsschicht erhalten, jedoch mit einer leicht größeren Dicke im Vergleich zu den kritischen Transistoren. Andererseits erhalten die p-Kanaltransistoren eine größere Dicke und zeigen daher eine erhöhte Zuverlässigkeit, wie dies zuvor erläutert ist. Wenn eine weitere Verfeinerung erforderlich ist, können weitere Lithographieprozesse ausgeführt werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine individuelle Einstellung der Dicke von Gatedielektrikumsmaterialien für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren auf der Grundlage eines Maskierungsschemas erreicht, wie es auch zum Bilden der grundlegenden Potentialtopfdotierung in den jeweiligen aktiven Gebieten angewendet wird. Somit kann ein sehr effizienter Gesamtfertigungsablauf erreicht werden, wobei dennoch eine erhöhte Zuverlässigkeit für p-Kanaltransistoren geschaffen wird, ohne dass im Wesentlichen das Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren beeinträchtigt wird oder das Leistungsverhalten sogar verbessert wird.
  • Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Offenbarung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist diese Beschreibung als lediglich anschaulich und für die Zwecke gedacht, dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims (23)

  1. Verfahren mit: Bilden eines ersten Gatedielektrikumsmaterials auf einem ersten aktiven Gebiet, wobei das erste Gatedielektrikumsmaterial eine erste Dicke besitzt; Bilden eines zweiten Gatedielektrikumsmaterials auf einem zweiten aktiven Gebiet, wobei das zweite Gatedielektrikumsmaterial eine zweite Dicke besitzt, die kleiner ist als die erste Dicke; Bilden eines p-Kanaltransistors auf der Grundlage des ersten Gatedielektrikumsmaterials; und Bilden eines n-Kanaltransistors auf der Grundlage des zweiten Gatedielektrikumsmaterials.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden des ersten und des zweiten Gatedielektrikumsmaterials umfasst: Bilden eines dielektrischen Basismaterials auf dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet, selektives Entfernen des Basismaterials von dem zweiten aktiven Gebiet und Bilden mindestens eines weiteren dielektrischen Materials über dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bilden des dielektrichen Basismaterials Ausführen eines Oxidationsprozesses umfasst.
  4. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bilden des dielektrischen Basismaterials Ausführen eines Abscheideprozesses umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden eines dritten Gatedielektrikumsmaterials auf einem dritten aktiven Gebiet, wobei das dritte Gatedielektrikumsmaterial eine dritte Dicke besitzt, die sich von der ersten und der zweiten Dicke unterscheidet.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, das ferner umfasst: Bilden des dritten Gatedielektrikumsmaterials auf einem vierten aktiven Gebiet und Bilden eines p-Kanaltransistors in und über dem dritten aktiven Gebiet und Bilden eines n-Kanaltransistors in und über dem vierten aktiven Gebiet.
  7. Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden des ersten Gatedielektrikumsmaterials auf mehreren aktiven Gebieten von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren.
  8. Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bilden des ersten und des zweiten Gatedielektrikumsmaterials umfasst: Bilden des dielektrischen Basismaterials auf dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet, wobei das erste aktive Gebiet darin eingebaut eine n-Potentialtopfdotierung aufweist, Bilden einer Maske zum Freilegen des zweiten aktiven Gebiets und zum Abdecken des ersten aktiven Gebiets, selektives Entfernen des dielektrischen Basismaterials von dem zweiten aktiven Gebiet unter Anwendung der Maske und Einbringen einer p-Dotierstoffsorte unter Anwendung der Maske.
  9. Verfahren nach Anspruch 8, wobei die p-Dotierstoffsorte vor dem selektiven Entfernen des dielektrischen Basismaterials von dem zweiten aktiven Gebiet eingeführt wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Dicke ungefähr 1,5 nm oder weniger beträgt.
  11. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das erste und/oder das zweite Gatedielektrikumsmaterial ein dielektrisches Material mit großem ε aufweist.
  12. Verfahren zur Herstellung eines Gatedielektrikumsmaterials, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines dielektrischen Basismaterials auf einem ersten aktiven Gebiet und einem zweiten aktiven Gebiet, wobei das erste aktive Gebiet eine erste Potentialtopfdotierung besitzt; selektives Bilden einer zweiten Potentialtopfdotierung in einem zweiten aktiven Gebiet unter Anwendung einer Maske, die das zweite aktive Gebiet freilegt und das erste aktive Gebiet abdeckt; selektives Entfernen des dielektrischen Basismaterials unter Anwendung der Maske; Entfernen der Maske; und Bilden eines weiteren dielektrischen Materials über dem ersten und dem zweiten aktiven Gebiet, um ein erstes Gatedielektrikumsmaterial auf dem ersten aktiven Gebiet und ein zweites Gatedielektrikumsmaterial auf dem zweiten aktiven Gebiet zu erhalten, wobei eine Dicke des zweiten Gatedielektrikumsmaterials kleiner ist als eine Dicke des ersten Gatedielektrikumsmaterials.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Potentialtopfdotierung vor dem selektiven Entfernen des dielektrischen Basismaterials von dem zweiten aktiven Gebiet gebildet wird.
  14. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Bilden des dielektrischen Basismaterials und/oder des weiteren dielektrischen Materials Ausführen eines Oxidationsprozesses umfasst.
  15. Verfahren nach Anspruch 12, wobei Bilden des dielektrischen Basismaterials und/oder des weiteren dielektrischen Materials Ausführen eines Abscheideprozesses umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Potentialtopfdotierung eine p-Dotierung ist.
  17. Verfahren nach Anspruch 16, wobei die erste Potentialtopfdotierung eine n-Dotierung ist.
  18. Halbleiterbauelement mit: einem p-Kanaltransistor mit einer ersten Gatelektrodenstruktur mit einem ersten Gatedielektrikumsmaterial, das eine erste Dicke aufweist; und einem n-Kanaltransistor mit einer zweiten Gateelektrodenstruktur mit einem zweiten Gatedielektrikumsmaterial, das eine zweite Dicke aufweist, die kleiner ist als die erste Dicke.
  19. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, das ferner mehrere Transistoren mit Gateelektrodenstrukturen mit einem Gatedielektrikumsmaterial mit einer dritten Dicke aufweist, die sich von der ersten und/oder der zweiten Dicke unterscheidet.
  20. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei die dritte Dicke sich von der ersten Dicke und der zweiten Dicke unterscheidet.
  21. Halbleiterbauelement nach Anspruch 19, wobei die dritte Dicke ungefähr gleich ist zu der ersten Dicke.
  22. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, wobei die zweite Dicke kleiner als ungefähr 1,5 nm.
  23. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, wobei das erste und/oder das zweite Gatedielektrikumsmaterial ein dielektrisches Material mit großem ε aufweisen.
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