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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiete der Herstellung
integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Widerstände, die über Isolationsstrukturen
in komplexen integrierten Schaltungen hergestellt sind.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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In
modernen integrierten Schaltungen ist eine sehr große Anzahl
einzelner Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form
von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen,
Widerständen,
Kondensatoren und dergleichen, auf einer einzelnen Chipfläche aufgebaut.
Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente
mit der Einführung
jeder neuen Schaltungsgeneration reduziert, so dass aktuell verfügbare integrierte
Schaltungen mit einem hohen Leistungsvermögen im Hinblick auf Geschwindigkeit
und/oder Leistungsaufnahme bereitgestellt werden. Eine Verringerung
der Größe von Transistoren
ist ein wichtiger Aspekt beim ständigen
Verbessern der Bauteileigenschaften komplexer integrierter Schaltungen,
etwa von CPU's.
Die Verringerung der Größe zieht üblicherweise
eine erhöhte Schaltgeschwindigkeit
nach sich, wodurch die Signalverarbeitung verbessert wird.
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Zusätzlich zu
der großen
Anzahl an Transistorelementen wird eine Vielzahl passiver Schaltungselemente,
etwa Kondensatoren und Widerstände
typischerweise in integrierten Schaltungen hergestellt, wie dies
durch den grundlegenden Schaltungsaufbau erforderlich ist. Auf Grund
der geringeren Abmessungen der Schaltungselemente wird nicht nur
das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert,
sondern auch ihre Packungsdichte nimmt deutlich zu, wodurch die
Möglichkeit
geschaffen wird, zusätzliche
Funktionen in eine gegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem
Grunde wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Arten
an Schaltungen aufweisen können,
etwa analoge Schaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen, wodurch
gesamte Systeme auf einem einzelnen Chip (SOC) bereitgestellt werden.
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Obwohl
Transistorelemente das vorherrschende Schaltungselement in sehr
komplexen integrierten Schaltungen sind und im Wesentlichen das Gesamtverhalten
dieser Bauelemente bestimmen, sind andere Komponenten, etwa Kondensatoren
und Widerstände,
erforderlich, wobei die Größe dieser passiven
Schaltungselemente ebenfalls im Hinblick auf die Größenreduzierung
der Transistorelemente anzupassen ist, um nicht in unerwünschter
Weise wertvolle Chipfläche
zu verbrauchen. Jedoch müssen
die passiven Schaltungselemente, etwa die Widerstände, mit
einem hohen Grad an Genauigkeit bereitgestellt werden, um die geringen
Toleranzen entsprechend dem grundlegenden Schaltungsaufbau zu erfüllen. Beispielsweise
müssen
selbst im Wesentlichen digitalen Schaltungsaufbauten entsprechende Widerstandswerte
innerhalb eng gesetzter Toleranzbereiche vorgesehen werden, um nicht
in unerwünschter
Weise zu Betriebsinstabilitäten
und/oder einer größeren Signalausbreitungsverzögerung beizutragen.
Beispielsweise werden in komplexen Anwendungen Widerstände häufig in
Form von „integrierten
Polysiliziumwiderständen” vorgesehen,
die über
Isolationsstrukturen hergestellt werden, so dass der gewünschte Widerstandswert
erreicht wird, ohne dass eine wesentlich höhere parasitäre Kapazität erzeugt
wird, wie dies der Fall sein kann in „vergrabenen” Widerstandsstrukturen,
die in der aktiven Halbeiterschicht hergestellt werden. Ein typischer
Polysiliziumwiderstand erfordert daher das Abscheiden des grundlegenden
Polysiliziummaterials, was häufig mit
dem Abscheiden eines Polysilizium-Gateelektrodenmaterials für die Transistorelemente
kombiniert wird. Während
der Strukturierung der Gateelektrodenstrukturen werden auch die
Widerstände
hergestellt, deren Größe wesentlich
von dem zu Grunde liegenden spezifischen Widerstandswert des Polysiliziummaterials
und der nachfolgenden Art an Dotierstoffmaterial und Konzentration
abhängt,
das in die Widerstände
eingebaut wird, um den Widerstandswert einzustellen. Da typischerweise
der Widerstandswert des dotierten Polysiliziummaterials als eine
nicht lineare Funktion der Dotierstoffkonzentration in Erscheinung
tritt, sind typischerweise spezielle Implantationsprozesse erforderlich
unabhängig
von anderen Implantationssequenzen, um die Eigenschaften des Polysiliziummaterials
der Gateelektroden der Transistoren einzustellen, was somit zu einem
moderat hohen Grad an Komplexität
der Fertigungssequenz führt.
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Des
weiteren hat das zunehmende Bestreben zum Verringern der Strukturgrößen komplexer integrierter
Schaltungen zu einer Gatelänge
von Feldeffekttransistoren von ungefähr 50 nm und weniger geführt. 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 „Draingebiet” und „Sourcegebiet” bezeichnet
werden, mit einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet gebildet
sind, das als ein „Kanalgebiet” bezeichnet
wird, das zwischen den stark dotierten Gebieten angeordnet ist.
In einem Feldeffekttransistor ist die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d.
h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, durch eine Gateelektrode
gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet angeordnet und davon
durch eine dünne isolierende
Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des
Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von
der Dotierstoffkonzentration der Drain- und Sourcegebiete, der Beweglichkeit
der Ladungsträger
und für
eine gegebene Transistorbreite von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet
und dem Draingebiet ab, der auch als „Kanallänge” bezeichnet wird.
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Gegenwärtig beruhen
die meisten komplexen integrierten Schaltungen auf Silizium auf
Grund der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit, den gut verstandenen
Eigenschaften des Siliziums und der zugehörigen Materialien und Prozesse
und auf Grund der Erfahrung, die über die letzten 50 Jahre gewonnen
wurde. Daher bleibt Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit das Material
der Wahl für
künftige Schaltungsgenerationen.
Ein Grund für
die große
Bedeutung des Siliziums für
die Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften
einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische
Isolation unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht.
Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen
stabil und ermöglicht
damit das Ausführen
von Hochtemperaturprozessen, wie sie typischerweise für Ausheizprozesse
erforderlich sind, um die Dotierstoffe zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen,
ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
Folglich ist Siliziumdioxid das bevorzugte Material als Gateisolationsschicht
in Feldeffekttransistoren, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium
aufgebaut ist, von dem Kanalgebiet trennt. Bei einer weiteren Bauteilskalierung
erfordert jedoch die Verringerung der Kanallänge eine entsprechende Anpassung
der Dicke des Siliziumdioxid-Gatedielektrikums,
um das sogenannte „Kurzkanalverhalten” im Wesentlichen
zu vermeiden, auf Grund dessen eine Variabilität in der Kanallänge einen
wesentlichen Einfluss auf die resultierende Schwellwertspannung
des Transistors ausgeübt wird.
Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer moderat geringen
Versorgungsspannung und damit mit einer geringen Schwellwertspannung
zeigen daher ein signifikantes Ansteigen des Leckstromes, was durch
die geringere Dicke einer Siliziumdioxidgatedielektrikumsschicht
hervorgerufen wird. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von
ungefähr
0,08 μm
ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm,
um die erforderliche kapazitive Kopplung zwischen der Gateelektrode und
dem Kanalgebiet beizubehalten. Obwohl Hochgeschwindigkeitstransistorelemente
mit einem extrem kurzen Kanal im Allgemeinen vorzugsweise in Hochgeschwindigkeitssignalpfaden
eingesetzt werden, während
Transistorelemente mit einem längeren
Kanal für
weniger kritische Signalwege genutzt werden (beispielsweise werden
derartige weniger kritische Transistoren als Speichertransistoren
eingesetzt), kann der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte
Tunneln von Ladungsträgern
durch das sehr dünne
Siliziumdioxid-Gatedielektrikum des Hochgeschwindigkeitstransistors
hervorgerufen wird, Werte für
eine Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm erreichen und ist damit
nicht mit den thermischen Entwurfserfordernissen für gewisse
Arten komplexer integrierter Schaltungssysteme verträglich.
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Aus
diesem Grunde wurde das Setzen des Siliziumdioxids als Material
für Gateisolationsschichten
insbesondere für
anspruchsvolle Anwendungen in Betracht gezogen. Mögliche alternative
Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen,
so dass eine physikalisch größere Dicke
einer entsprechend gebildeten Gateisolationsschicht für eine kapazitive
Kopplung sorgt, die durch eine extrem dünne Siliziumdioxidschicht erreicht
würde.
Es wurde vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien mit hoher
Permittivität
zu ersetzen, etwa durch Tantaloxid, Strontiumtitanoxid, Hafniumoxid,
Hafniumsiliziumoxid, Zirkonoxid und dergleichen.
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Des
weiteren kann das Transistorleistungsverhalten verbessert werden,
indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird,
um das für
gewöhnlich
verwendete Polysiliziummaterial zu ersetzen, da Polysilizium eine
Ladungsträgerverarmung
in der Nähe
der Grenzfläche
zeigt, die zwischen dem Gatedielektrikumsmaterial und dem Polysiliziummaterial
angeordnet ist, wodurch die effektive Kapazität zwischen dem Kanalgebiet
und der Gateelektrode während
des Transistorbetriebs verringert wird. Somit wurde ein Gatestapel
vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine große Kapazität sorgt,
während
zusätzlich
Leckströme
auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Da das nicht-Polysiliziumaterial, etwa
Titannitrid und dergleichen, so gebildet wird, dass es direkt mit
dem Gatedielektrikumsmaterial in Kontakt ist, kann die Anwesenheit
der Verarmungszone somit vermieden werden, während gleichzeitig eine moderat
hohe Leitfähigkeit
erreicht wird.
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Bekanntlich
hängt die
Schwellwertspannung des Transistors von der gesamten Transistorstruktur, von
einem komplexen lateralen und vertikalen Dotierstoffprofil der Drian- und Sourcegebiete
und dem entsprechenden Aufbau der pn-Übergänge und auch von der Austrittsarbeit
des Gateelektrodenmaterials ab. Folglich muss zusätzlich zum
Vorsehen der gewünschten
Dotierstoffprofile die Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gateelektrodenmaterials
in geeigneter Weise in Bezug auf die Leitfähigkeitsart des betrachteten
Transistors angepasst werden. Aus diesem Grunde werden typischerweise
metallenthaltende Elektrodenmaterialien für n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren
verwendet, die gemäß gut etablierter
Fertigungsstrategien in einer sehr weit fortgeschrittenen Fertigungsphase
vorgesehen werden. D. h., in diesem Vorgehensweisen wird das dielektrische
Material mit großem ε in Verbindung
mit einer geeigneten metallenthaltenden Deckschicht, etwa mit Titannitrid,
und dergleichen vorgesehen, woran sich das Abscheiden eines Polysiliziummaterials
in Verbindung mit anderen Materialien anschließt, wenn diese erforderlich
sind, die dann strukturiert werden, um eine Gateelektrodenstruktur
zu schaffen. Gleichzeitig werden entsprechende Widerstände strukturiert,
wie dies zuvor beschrieben ist. Daraufhin wird die grundlegende
Transistorstruktur fertiggestellt, indem Drain- und Sourcegebiete
hergestellt werden, Ausheizprozesse ausgeführt und schließlich die Transistoren
in einem dielektrischen Material eingebettet werden. Daraufhin wird
eine geeignete Ätzsequenz
ausgeführt,
in der die oberen Flächen
der Gateelektrodenstrukturen und aller Widerstandsstrukturen freigelegt
werden und das Polysiliziummaterial wird entfernt. Danach werden
auf der Grundlage eines entsprechenden Maskierungsschemas geeignete
metallenthaltende Elektrodenmaterialien in die Gateelektrodenstrukturen
von n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren eingefüllt, um
eine verbesserte Gatestruktur mit einem Gateisolationsmaterial mit großem ε in Verbindung
mit einem metallenthaltenden Elektrodenmaterial zu erhalten, das
für eine
geeignete Austrittsarbeit für
n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren sorgt. Gleichzeitig
erhalten auch die Widerstandsstrukturen das metallenthaltende Elektrodenmaterial.
Auf Grund der besseren Leitfähigkeit
des metallenthaltenden Elektrodenmaterials weisen auch die Widerstandsstrukturen
einen deutlich geringeren Widerstandswert auf, wodurch eine Verringerung
der Linienbreiten dieser Strukturen und/oder eine Zunahme der gesamten
Länge dieser Strukturen
erforderlich ist. Während
die zuerst genannten Maßnahmen
zu einem Strukturierungsproblem führt, da einige äußerst geringe
Linienbreiten erforderlich sind, führt der zuletzt genannte Aspekt möglicherweise
zu einem erhöhten
Verbrauch an wertvoller Chipfläche.
Aus diesem Grund werden in einigen konventionellen Vorgehensweisen
die Widerstandsstrukturen in dem aktiven Halbleitermaterial hergestellt,
anstatt dass diese Widerstandsstrukturen über den Isolationsstrukturen
bei gleichzeitiger Strukturierung mit den Gateelektrodenstrukturen
der Transistoren vorgesehen werden, was jedoch zu einem geringeren
Leistungsverhalten auf Grund einer erhöhten parasitären Kapazität dieser
Widerstandsstrukturen führen
kann.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung
Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, in denen Widerstandsstrukturen
zusammen mit komplexen Gateelektrodenstrukturen aufgebaut werden,
während
eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest
reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente
und Verfahren zur Herstellung dieser Elemente, in denen integrierte
Widerstandselemente auf der Grundlage eines geeigneten Halbleitermaterials,
etwa mit Siliziummaterial, einem Silizium/Germanium-Material, einem Germaniummaterial
und dergleichen hergestellt werden, während komplexe Metallgatestrukturen
für die
Transistoren vorgesehen werden. Zu diesem Zweck werden die Gateelektrodenstrukturen
auf der Grundlage eines gewünschten
Halbleitermaterials vorgesehen, wie es für die Widerstände zu verwenden
ist, und das Halbleitermaterial wird durch ein oder mehrere metallenthaltende
Gateelektrodenmaterialien in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase
ersetzt, während die
Widerstände
in geeigneter Weise maskiert sind, um damit das Halbleitermaterial
darin im Wesentlichen zu bewahren. Folglich kann ein sogenannter „Austauschgate”-Ansatz
effizient eingesetzt werden, um komplexe Metallgatestapel mit großem ε zu erhalten,
während
gleichzeitig halbleiterbasierte Widerstandsstrukturen auf der Isolationsstruktur
geschaffen werden können,
wodurch für
ein besseres Kapazitätsverhalten
der Widerstandsstruktur gesorgt ist, ohne dass wertvolle Chipfläche verbraucht
wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das gleichzeitige
Bereitstellen eines komplexen Metallgatestapels und einer halbleiterbasierten
Widerstandsstruktur bewerkstelligt, ohne dass zusätzliche
Prozesskomplexität
entsteht, beispielsweise im Hinblick auf zusätzliche Photolithographieschritte,
da die Maskierung der Widerstandsstruktur in einer späteren Fertigungsphase
kompensiert oder sogar überkompensiert
werden kann, indem eine entsprechende Maskierung der Widerstandsstruktur
vor der Herstellung eines Metallsilizidmaterials in den Drain- und Sourcegebieten
des Transistors vermieden wird. Ferner wird das Halbleitermaterial,
etwa Polysiliziummaterial, mit einem geeigneten Dotierstoffpegel
und einer geeigneten Dotierstoffart in einer Anfangsphase des Fertigungsprozesses
bereitgestellt, wodurch ebenfalls zusätzliche Maskierungsschritte
vermieden werden, die typischerweise in konventionellen Strategien
anzuwenden sind, wenn Polysiliziumgates in Verbindung mit Polysilizium-Widerstandsstrukturen vorgesehen
werden. Ferner wird in einigen anschaulichen hierin offenbarten
Aspekten die Fertigung von halbleiterbasierten Widerstandsstrukturen
vorteilhafter Weise in einem Fertigungsablauf zur Verbesserung des
Transistorleistungsverhaltens integriert, indem ein oder mehrere
zusätzliche
leistungssteigernde Mechanismen, etwa das Bereitstellen von verspannungsinduzierenden
dielektrischen Schichten über
den Transistorstrukturen und/oder das Herstellen einer eingebetteten
verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung in zumindest einer
Art an Transistoren angewendet werden.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein
Transistorelement mit einer Gateelektrodenstruktur, die ein Gatedielektrikumsmaterial
mit großem ε und ein
metallenthaltendes Gateelektrodenmaterial aufweist, das über dem Gatedielektrikumsmaterial
mit großem ε ausgebildet ist.
Ferner ist ein Widerstand über
einer Isolationsstruktur gebildet und umfasst ein dotiertes Halbleitermaterial.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft das Herstellen
einer Widerstandsstruktur eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren
umfasst das Bilden eines Schichtstapels über einem Transistorgebiet
und einem Widerstandsgebiet des Halbleiterbauelements, wobei der
Schichtstapel ein dielektrisches Material mit großem ε, ein metallenthaltendes Deckmaterial
und ein Halbleitermaterial aufweist. Des weiteren umfasst das Widerstandsgebiet
eine Isolationsstruktur. Ferner umfasst das Verfahren das Einstellen
eines Dotierstoffpegels in dem Halbleitermaterial, um einen Sollwiderstandswert
für die
Widerstandsstruktur zu erreichen. Das Verfahren umfasst weiterhin
das Bilden einer Austauschgateelektrodenstruktur in dem Transistorgebiet
und das Bilden der Widerstandsstruktur in dem Transistorgebiet über der Isolationsstruktur
auf der Grundlage des Schichtstapels. Schließlich umfasst das Verfahren
das Ersetzen des Halbleitermaterials selektiv in der Austauschgateelektrodenstruktur,
während
das Halbleitermaterial in der Widerstandsstruktur im Wesentlichen
beibehalten wird.
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Ein
weiteres anschaulich hierin offenbartes Verfahren umfasst das Herstellen
einer Austauschgateelektrodenstruktur über einem aktiven Halbleitergebiet
und das Bilden einer Widerstandsstruktur über einer Isolationsstruktur,
wobei die Austauschgateelektrodenstruktur und die Widerstandsstruktur
ein Halbleitermaterial mit einem spezifizierten Dotierstoffpegel
zum Erreichen eines Sollwiderstandswertes für die Widerstandsstruktur aufweisen.
Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Maske, um die Widerstandsstruktur
abzudecken und die Austauschgateelektrodenstruktur freizulegen.
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Ferner
umfasst das Verfahren das Entfernen des Halbleitermaterials selektiv
von der Austauschgateelektrodenstruktur und das Bilden eines metallenthaltenden
Gateelektrodenmaterials über
der Austauschgateelektrodenstruktur und der Widerstandsstruktur.
Schließlich
umfasst das Verfahren das Entfernen von überschüssigem Material des metallenthaltenden
Elektrodenmaterials, um eine Metallgateelektrodenstruktur bereitzustellen.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird,
in denen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements in einer frühen Fertigungsphase
zeigt, in der ein Schichtstapel mit einem dielektrischen Material
mit großem ε und einem Halbleitermaterial über einem
Transistorgebiet und einem Widerstandsgebiet gemäß anschaulicher Ausführungsformen
gebildet ist;
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1b schematisch
eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigt, in denen Austauschgateelektrodenstrukturen über den
Transistorgebieten gebildet sind und eine Widerstandsstruktur über dem
Widerstandsgebiet ausgebildet ist und wobei einer der Transistoren
eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung erhält;
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1c bis 1e schematisch
Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen bei der Fertigstellung der grundlegenden Transistorstruktur
auf der Grundlage einer Austauschgateelektrodenstruktur gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
zeigen;
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1f bis 1j schematisch
das Halbleiterbauelement während
diverser Fertigungsphasen beim Bereitstellen zumindest eines Teils
eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials und beim Ersetzen
des Halbleitermaterials selektiv in den Austauschgateelektrodenstrukturen
zeigen, wobei das Halbleitermaterial in der Widerstandsstruktur
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
beibehalten wird; und
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1k und 1l schematisch
Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements in einer frühen Fertigungsphase
zeigen, in der zumindest ein metallenthaltendes Deckmaterial, das über dem
dielektrischen Material mit großem ε gebildet
ist, selektiv über dem
Widerstandsgebiete vor dem Abscheiden des Halbleitermaterials gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
entfernt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung 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 Zeichnungen nicht beabsichtigen,
die vorliegende Offenbarung auf die speziellen anschaulichen offenbarten
Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente
und Verfahren zu deren Herstellung, wobei Widerstandselemente auf
der Grundlage eines Halbleitermaterials, mit Silizium, Silizium/Germanium
und dergleichen, in Verbindung mit komplexen metallenthaltenden
Gateelektrodenstrukturen von Transistoren hergestellt werden, wobei
die Widerstandsstrukturen auf Isolationsstrukturen hergestellt werden,
um ein besseres Leistungsverhalten im Hinblick au die parasitäre Kapazität zu erreichen.
Gemäß den hierin
offenbarten Prinzipien beruht die Fertigungssequenz zum Erzeugen
der Transistorstrukturen auf dem Halbleitermaterial, das eine geeignete
Dotierstoffsorte aufweist, die zu einem gewünschten Dotierpegel führt, so
dass zunächst
eine Austauschgateelektrodenstruktur und eine Widerstandsstruktur
geschaffen werden. In einer fortgeschrittenen Fertigungsphase wird
das Halbleitermaterial selektiv in den Gateelektrodenstrukturen
durch geeignet gewählte
metallenthaltende Gateelektrodenmaterialien ersetzt, während andererseits das
Halbleitermaterial in der Widerstandsstruktur beibehalten wird.
In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten werden spezielle
Maskierungsschritte zum Vermeiden der Silizidierung in dem Halbleitermaterial
während
des Prozesses zur Herstellung eines Metallsilizids in den Drian- und Sourcegebieten
der Transistoren vermieden, wodurch zu einem besseren gesamten Fertigungsablauf
beigetragen wird. Nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorstruktur
wird ein Maskierungsschema angewendet, um selektiv das Halbleitermaterial
in den Austauschgateelektrodenstruktur der Einwirkung einer Ätzumgebung
zu unterziehen, um darin das Halbleitermaterial zu entfernen und
um ein geeignetes metallenthaltendes Material zur Einstellung der
Austrittsarbeit in Verbindung mit einem Elektrodenmaterial zu bilden.
Ferner ist in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten
das Vorsehen der halbleiterbasierten Widerstandsstrukturen kompatibel
mit dem Einbau weiterer leistungssteigender Mechanismen, etwa das
Vorsehen von verspannungsinduzierenden dielektrischen Materialien über den
Transistoren, dem Einbetten einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung
und dergleichen. Im Vergleich zu konventionellen Strategien wird
somit eine halbleiterbasierte Widerstandsstruktur mit geringer Kapazität auf der
Oberseite einer Isolationsstruktur bereitgestellt, wodurch unerwünschte strukturierungsabhängige Probleme
und/oder der Verbrauch von Chipfläche vermieden werden, was typischerweise
in konventionellen Strategien auftritt, in denen das Halbleitermaterial
der Widerstandsstrukturen zusammen mit dem Halbleitermaterial der
Austauschgateelektrodenstrukturen entfernt wird.
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Mit
Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche
Ausführungsformen
detaillierter beschrieben.
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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,
um darüber die
Halbleiterschicht 103 zu bilden. Wie zuvor erläutert ist,
repräsentiert
die Halbleiterschicht 103 ggf. ein siliziumbasiertes Material,
das auch andere Komponenten, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen
aufweisen kann, wozu auch spezielle Dotierstoffsorten hinzukommen,
die bereits in der Halbleiterschicht 103 enthalten sein
können
oder die darin in einer späteren
Fertigungsphase eingebaut werden. Es sollte jedoch beachtet werden,
dass die hierin offenbarten Prinzipien auch auf andere Halbleitermaterialien
angewendet werden können,
etwa Germanium, Halbleiterverbindungen und dergleichen. Ferner kann
das Bauelemente 100 eine „Vollsubstratkonfiguration” repräsentieren,
in der die Halbleiterschicht 103 einen Teil eines kristallinen
Substratmaterials über
dem Substrat 101 repräsentiert.
In anderen Fällen
wird eine vergrabene isolierende Schicht 102 zwischen dem
Substrat 101 und der Halbleiterschicht 103 zumindest
in einigen Bauteilgebieten vorgesehen, wodurch eine SOI-(Halbleiter-auf-Isolator-)Konfiguration
geschaffen wird. Ferner sind in der Halbleiterschicht 103 geeignete
Isolationsstrukturen 103c, 103d ausgebildet, beispielsweise
auf der Grundlage von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder anderen
gewünschten
isolierenden Materialien. In der gezeigten Ausführungsform wird die Halbleiterschicht 103 so betrachtet dass
diese ein erstes Bauteilgebiet 110 aufweist, das auch als
ein Transistorgebiet bezeichnet wird und ferner ein zweites Bauteilgebiet 120 besitzt,
das auch als Widerstandsgebiet bezeichnet wird, und das im Wesentlichen
durch die Isolationsstruktur 103b begrenzt ist. Ferner
umfasst das Transistorgebiet 110 aktive Gebiete 103a, 103b,
die möglicherweise
durch die Isolationsstruktur 103c getrennt sind, wobei
ein aktives Gebiet als ein Halbleitergebiet der Schicht 103 zu
verstehen ist, in und über
welchem zumindest ein Transistorelement herzustellen ist. Beispielsweise
besitzt das aktive Gebiet 103a eine geeignete Grunddotierung,
die mit der Herstellung eines n-Kanaltransistors kompatibel ist,
während
das aktive Gebiet 103b das aktive Gebiet eines p-Kanaltransistors
repräsentiert.
In der in 1a gezeigten Fertigungsphase
ist ferner ein Schichtstapel 130 über dem Transistorgebiet 110 und
dem Widerstandsgebiet 120 vorgesehen und umfasst eine Gatedielektrikumsschicht 131,
eine metallenthaltende Deckschicht 132, ein Halbeitermaterial 123 und eine
dielektrische Deckschicht 134. Wie zuvor erläutert ist,
kann das Gatedielektrikumsmaterial 131 ein dielektrisches
Material mit großem ε aufweisen,
beispielsweise in Form eines der zuvor genannten Materialien, wobei
bei Bedarf zusätzlich
ein weiteres „konventionelles” dielektrisches
Material in der Schicht 131 vorgesehen werden kann. Z.
B. umfasst das Gatedielektrikumsmaterial 131 eine sehr
dünne Siliziumdioxidschicht
gefolgt von einem dielektrischen Material mit großem ε. Unabhängig von
dem Aufbau der Schicht 131 wird im Weiteren diese Schicht
als ein dielektrisches Material mit großem ε bezeichnet, solange das dielektrische
Material mit einer Dielektrizitätskonstante
von ungefähr
10,0 oder höher
in der Schicht 131 eingebaut ist. Die metallenthaltende
Deckschicht 132 kann direkt auf der Schicht 131 hergestellt
sein und kann als eine Deckschicht für die weitere Bearbeitung des
Bauelements 100 dienen und kann auch ein metallenthaltendes
Material in Verbindung mit zumindest einem weiteren metallenthaltenden
Material dienen, das in einer späteren
Fertigungsphase vorzusehen ist. Beispielsweise ist die Deckschicht 132 aus
Titannitrid und dergleichen aufgebaut. Beispielsweise wird das Gatedielektrikumsmaterial 131 mit
einer Dicke im Bereich von 1,5 bis mehrere Nanometer abhängig von
den gesamten Bauteilerfordernissen bereitgestellt, während die
metallenthaltende Deckschicht 132 eine Dicke von 1 bis
mehrere Nanometer aufweist. Abhängig von
der Art des für
die Schicht 132 verwendeten Materials und dessen Dicke
kann ein entsprechender Schichtwiderstand in einigen anschaulichen
Ausführungsformen
in Betracht gezogen werden, wenn eine Widerstandsstruktur in dem
Widerstandsgebiet 120 hergestellt wird, indem der Dotierstoffpegel
des Halbleitermaterials 133 geeignet angepasst wird. Wenn etwa
moderat geringer Widerstand der Widerstandsstruktur in anschaulichen
Ausführungsformen
zu erreichen ist, werden die Schichten 131 und 132 in
der Widerstandsstruktur beibehalten und eine spezielle Anpassung
des Dotierstoffpegels wird ausgeführt, wobei der Widerstandswert
der Schicht 132 berücksichtigt
wird. Beispielsweise besitzt eine Titannitridschicht mit einer Dicke
von 1 bis 2 nm einen Schichtwiderstand von mehreren 100 Ohm × Mikrometer.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen,
wie sie nachfolgend detaillierter beschrieben sind, wird zumindest
die Schicht 122 entfernt oder anderweitig selektiv in dem
Gebiet 120 modifiziert, wenn ein entsprechender Schichtwiderstand
der Schicht 132 für eine
Widerstandsstruktur als ungeeignet erachtet wird. Gemäß einigen
anschaulichen Ausführungsformen
wird daher ein interner Dotierstoffpegel des Halbleitermaterials 132 geeignet
ausgewählt,
um den gewünschten
Sollwiderstandswert des Schichtstapels 130 zu erreichen.
Beispielsweise ist das Halbleitermaterial 133 aus Siliziummaterial
in einem polykristallinen Zustand oder in einem amorphen Zustand aufgebaut,
während
der weiteren Bearbeitung in einen polykristallinen Zustand übergeführt wird.
In anderen Fällen
wird, wenn ein höherer
Dotierstoffpegel für
ein siliziumbasiertes Material vorgesehen ist, eine gewisse Menge
an Germanium in das Material 133 eingebaut, um den Gesamtbasisschichtwiderstandswert
zu verringern, wenn dies als geeignet erachtet wird. Es sollte beachtet
werden, dass die Eigenschaften des Halbleitermaterials 133 speziell
im Hinblick auf die Widerstandsstruktur ausgewählt sind, die in dem Widerstandsgebiet 120 herzustellen
ist, ohne dass ein Unterschied zwischen den Gebieten 110 und 120 erforderlich
ist, da das Material 133 von dem Gebiet 110 in
einer späteren
Fertigungsphase entfernt wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird das Halbleitermaterial 123 als ein n-dotiertes Siliziummaterial
oder als eine n-dotierte Silizium/Germanium-Mischung vorgesehen,
was vorteilhaft ist im Hinblick auf einen chemischen Abtragungsprozess,
da eine chemische Mittel bessere Prozessbedingungen zum Entfernen
eines n-dotierten siliziumdotierten Materials im Vergleich zu einem p-dotierten
Siliziummaterial bieten. Ferner wird die Deckschicht 134 beispielsweise
im Hinblick auf das Strukturieren des Schichtstapels 130 vorgesehen und
als ein Deckmaterial während
der weiteren Bearbeitung, wie dies in Verbindung mit 1b beschrieben
ist. Beispielsweise wird die Schicht 134 in Form eines
Siliziumnitridmaterials beispielsweise in Verbindung mit anderen
Materialien, etwa Siliziumdioxid, und dergleichen vorgesehen.
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Das
in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach
der Herstellung der Isolationsstrukturen 103c, 103d in
der Halbleiterschicht 103, was bewerkstelligt werden kann
durch gut etablierte komplexe Lithographietechniken, Ätzprozesse,
Abscheideprozesse, Einebnungsprozesse und dergleichen, wird die
grundlegende Dotierung der aktiven Gebiete 103a, 103b durch
gut bewährte Implantationsverfahren
erzeugt. Daraufhin wird das Gatedielektrikumsmaterial 131 etwa
auf der Grundlage komplexer Oxidationsverfahren, etwa thermischer Oxidation,
chemischer Oxidation und dergleichen hergestellt, wenn die Schicht 131 auf
der Grundlage eines konventionellen siliziumdioxidbasierten Materials
gebildet wird. Daraufhin wird ein gewünschtes dielektrisches Material
mit großem ε abgeschieden, etwa
Hafniumoxid und dergleichen, mit einer gewünschten Dicke, woran sich das
Abscheiden der metallenthaltenden Deckschicht 132 anschließt, wodurch
das empfindliche dielektrische Material mit großem ε in der Schicht 131 eingeschlossen
wird. Als nächstes
wird das Halbleitermaterial 133 abgeschieden, beispielsweise
durch Niederdruck-CVD-(chemische Dampfabscheidung) und dergleichen,
wobei in einer anschaulichen Ausführungsform das Material 133 als
ein in-situ-dotiertes Halbleitermaterial abgeschieden wird, d. h.
die gewünschte
Konzentration einer Dotierstoffsorte wird der Abscheideumgebung zugesetzt,
um für
den gewünschten
Dotierpegel zu sorgen. Danach werden die eine oder die mehreren Deckschichten 134 mittels
einer geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht. In anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird der gewünschte
Dotierstoffpegel in dem Material 133 auf der Grundlage
eines Implantationsprozesses erhalten, der als ein nicht-maskierter Implantationsprozess
ausgeführt wird,
um eine Dotierstoffkonzentration einzubauen, wie sie für die Widerstandsstrukturen
erforderlich ist, die in dem Bauteilgebiet 120 zu bilden
sind. Der Implantationsprozess kann nach dem Abscheiden der Deckschicht 134 ausgeführt werden.
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1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in
einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase gemäß anschaulicher
Ausführungsformen,
in denen zumindest eine Art an Transistoren eine eingebettete verformungsinduzierende
Halbleiterlegierung erhält,
um damit das gesamte Leistungsverhalten des Transistors zu verbessern,
wie dies auch zuvor erläutert
ist. Wie gezeigt, sind Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b über den
aktiven Gebieten 103a, 103b gebildet, während ein
Widerstand oder eine Widerstandsstruktur 130c über der
Isolationsstruktur 103d gebildet ist. Die Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b können auch
als „Austauschgateelektrodenstrukturen” bezeichnet
werden, da das Halbleitermaterial 133 in einer späteren Fertigungsphase
entfernt wird. In der gezeigten Ausführungsform wird eine Maskenschicht 104,
beispielsweise aus Siliziumnitrid und dergleichen, so gebildet,
dass die Gateelektrodenstruktur 130a und die Widerstandsstruktur 130c abgedeckt sind,
während
die Elektrodenstruktur 130b an den Seitenwänden ein
Abstandshalterelement 104s aufweist. Des weiteren ist eine Ätzmaske,
etwa eine Lackmaske 105, über dem Bauelement 100 so
ausgebildet, dass ein Transistor 150a, d. h. das aktive Gebiet 103a und
die Elektrodenstruktur 130a, abgedeckt sind, während ein
Transistor 150b, d. h. das aktive Gebiet 103b und
die Elektrodenstruktur 130b freiliegen. Des weiteren ist
die Widerstandsstruktur 130c ebenfalls die Maske 105 abgedeckt.
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Das
in 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Der
Schichtstapel 130 (siehe 1a) wird
auf der Grundlage komplexer Lithographie- und Ätztechniken gemäß entsprechender Entwurfsregeln
strukturiert, um eine gewünschte Länge der
Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b zu erhalten
und um eine gewünschte
Linienbreite für
die Widerstandsstruktur 130c zu erzeugen. Daraufhin wird
die Maskenschicht 104 abgeschieden, beispielsweise durch
thermisch aktivierte CVD-Techniken in Form eines Siliziumnitridmaterials,
wodurch das empfindliche Material 131 an Seitenwänden der
Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b und der Widerstandsstruktur 130c zuverlässig eingeschlossen wird.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden
eine Dicke und die Materialeigenschaften der Maskenschicht 104 so
ausgewählt,
dass ein gewünschter
Abstand von Aussparungen 103r, die in dem aktiven Gebiet 103b zu
bilden sind, erreicht wird, um darin eine eingebettete verformungsinduzierende
Halbleiterlegierung herzustellen. Ferner können die Breite und die Materialeigenschaften
der Maskenschicht 104 so ausgewählt werden, dass diese als
ein Versatzabstandshalter dient, möglicherweise in Verbindung
mit einem zusätzlichen
Material, um Drain- und Sourceerweiterungsgebiete mittels Ionenimplantation
in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zu bilden. Nach
dem Abscheiden der Maskenschicht 104 wird die Ätzmaske 105 gebildet, etwa
auf der Grundlage gut etablierter Lithographietechniken. Als nächstes wird
ein anisotroper Ätzprozess
ausgeführt,
so dass der freiliegende Bereich der Maskenschicht 104 geätzt wird,
wodurch der Seitenwandabstandshalter 104s der Gateelektrodenstruktur 130b geschaffen
wird. Danach wird die Ätzchemie in
geeigneter Weise angepasst, um in das aktive Gebiet 103b zu ätzen, um
die Aussparungen 103r zu bilden.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst der Transistor 150b eine
verformungsinduzierende Halbleiterlegierung 108, die in
Form einer Silizium/Germanium-Legierung, einer Silizium/Kohlenstoff-Legierung,
einer Silizium/Germanium/Zinn-Legierung und dergleichen in Abhängigkeit
von der Art der zu erzeugenden Verformung bereitgestellt wird. Beispielsweise
repräsentiert
das Material 108 eine Silizium/Germanium-Legierung, wobei
die kompressive Verformung als vorteilhaft zur Leistungssteigerung
des Transistors 150b erachtet wird. Ferner können die
Seitenwandabstandshalter 104s ebenfalls an Seitenwänden der Elektrodenstruktur 130a und
der Widerstandsstruktur 130c gebildet werden.
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Das
Bauelement 100, wie es in 1c gezeigt
ist, kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden.
Nach der Herstellung der Aussparungen 103r (siehe 1b)
wird die Ätzmaske 105 (siehe 1b)
abgetragen und das Bauelement 100 wird für das Abscheiden
des verformungsinduzierenden Halbleitermaterials 108 vorbereitet. Daraufhin
wird ein selektiver epitaktischer Aufwachsprozess auf der Grundlage
gut etablierter Prozessrezepte ausgeführt, wobei eine merkliche Materialabscheidung
auf freiliegende Bereiche des aktiven Gebiets 103b beschränkt ist.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem eine Maske 106 gebildet
wird, die den Transistor 150b abdeckt, während der
Transistor 150a und die Widerstandsstruktur 130c freiliegen.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
(nicht gezeigt) wird die Maskenschicht aus 1b in
Verbindung mit dem Abstandshalter 104s und den Deckschichten 134 entfernt,
wenn dies als geeignet erachtet wird. In der gezeigten Ausführungsform
wird jedoch ein Ätzprozess 107 so
ausgeführt,
dass die Abstandshalterelemente 104s erhalten werden, die
in der weiteren Bearbeitung verwendet werden, wie dies zuvor erläutert ist.
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Es
sollte beachtet werden, dass die Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b in
Verbindung mit der Widerstandsstrumktur 130c ebenfalls
hergestellt werden können,
ohne dass die Halbleiterlegierung 108 bereitgestellt wird,
in welchem Falle die Abstandshalterelemente 104s gemeinsam
für alle
Komponenten 150a, 150b und 130c hergestellt
werden.
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1d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der die Transistoren 150a, 150b Drain-
und Sourcegebiete 151 möglicherweise
in Verbindung mit der verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung 108 im
Transistor 150b aufweisen, wie dies zuvor beschrieben ist.
Des weiteren enthalten die Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b und
die Widerstandsstruktur 130c eine zusätzliche Abstandshalterstruktur 135,
die aus einer beliebigen geeigneten Materialverbindung aufgebaut
ist, beispielsweise einem Siliziumdioxidmaterial in Verbindung mit
Siliziumnitrid, und dergleichen.
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Das
Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage einer Prozesssequenz
hergestellt werden, wobei Drain- und Sourceerweiterungsgebiete durch
Ionenimplantation hergestellt werden können, in der die Abstandshalterelemente 104s als
effiziente Versatzabstandshalterelemente eingesetzt werden. Wie
zuvor beschrieben ist, sind typischerweise komplexe Dotierstoffprofile
erforderlich, so dass sogenannte „Halo-Implantationsgebiete” oder gegendotierte Gebiete
in der Nähe
des pn-Übergangs
der Drain- und Sourcegebiete 151 erzeugt werden, um damit
ein gewünschtes
Dotierstoffprofil und einen Gradienten gemäß den Transistorerfordernissen
zu schaffen. Daraufhin wird die Abstandshalterstruktur 135 auf
der Grundlage gut etablierter Techniken hergestellt und nachfolgend
werden weitere Implantationsprozesse ausgeführt, um die Drain- und Sourcegebiete 151 zu
erhalten. Daraufhin werden die Dotierstoffe aktiviert und durch
Implantation hervorgerufene Schäden
werden rekristallisiert, indem ein oder mehrere geeignete Ausheizrprozesse
ausgeführt werden.
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1e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer Fertigungsphase,
in der Metallsilizidgebiete 152 in den Drain- und Sourcegebieten 151 der
Transistoren 150a, 150b gebildet sind. In der gezeigten
Ausführungsform
ist die Deckschicht 134 weiterhin in den Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b und
der Widerstandsstruktur 130c vorhanden. Folglich wird während einer
entsprechenden Silizidierungsbasis ein geeignetes hochschmelzendes Metall,
etwa Nickel, Platin, und dergleichen aufgebracht und wird nachfolgend
wärmebehandelt,
um eine chemische Reaktion mit einer Siliziumsorte in Gang zu setzen,
wobei das Halbleitermaterial 133 der Strukturen 130a, 130b und 130c von
der Deckschicht 134 geschützt wird. Folglich kann eine
entsprechende Silizidierungsstrategie speziell so gestaltet werden,
dass bessere Bedingungen für
die Herstellung der Metallsilizidgebiete 152 erreich wird.
Auf Grund der Anwesenheit der Deckschicht 134 wird eine
Silizidierung der Widerstandsstruktur 130c zuverlässig vermieden,
so dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine speziell
gestaltete Maskenschicht nicht erforderlich ist, wenn eine Silizidierung
der Widerstandsstruktur 130c auf Grund der höheren Leitfähigkeit
des Metallsilizidmaterials im Vergleich zu dem Halbleitermaterial 133 nicht
gewünscht
ist. Daher wird in konventionellen Vorgehensweisen eine geeignete
Silizidierungsmaske typischerweise bereitgestellt, die beispielsweise
so ausgerichtet ist, dass Kontaktbereiche definiert werden, während der
eigentliche Widerstandskörper
der entsprechenden Widerstandsstruktur abgedeckt ist. In der gezeigten
Ausführungsform
werden entsprechende Kontaktbereiche durch das Material 133 ohne
ein Metallsilizid bereitgestellt, wodurch zu einer besseren Gesamteffizienz
und Prozessgleichmäßigkeit
beigetragen wird.
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1f zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einem Zustand,
in welchem zumindest ein Teil eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials 140 über den Transistoren 150a, 150b und der
Widerstandsstruktur 130c gebildet ist. Beispielsweise enthält das dielektrische
Zwischenschichtmaterial 140 in einigen anschaulichen Ausführungsformen
eine verspannungsinduzierende dielektrische Schicht 141a,
die über
dem Transistor 150a gebildet ist, und enthält eine
zweite verspannungsinduzierende dielektrische Schicht 141b,
die über
dem Transistor 150b gebildet ist, wobei eine der Schichten 141a, 141b auch über der
Widerstandsstruktur 130c gebildet sein kann. Wie zuvor
erläutert
ist, kann das Leistungsverhalten von Transistoren erhöht werden,
indem eine spezielle Art an Verformung darin erzeugt wird. Da die
Schichten 141a, 141b sehr nahe an den Transistoren 150a bzw. 150b angeordnet
sind, kann somit ein hoher innerer Verspannungspegel dieser Schichten
das Leistungsverhalten der Transistoren 150a, 150b verbessern.
In der gezeigten Ausführungsform
erzeugen die Schichten 141a, 141b unterschiedliche
Arten an innerer Verspannung, etwa eine Zugverspannung für den Transistor 150a und
eine kompressive Verspannung für
den Transistor 150b, wenn diese einen n-Kanaltransistor
bzw. einen p-Kanaltransistor repräsentieren. Wie zuvor beschrieben ist,
kann der Transistor 150b ferner die verformungsinduzierende
Halbleiterlegierung 108 bei Bedarf aufweisen. In anderen
Fällen
werden die Schichten 141a, 141b mit unterschiedlichen
Verspannungspegeln bereitgestellt, etwa als stark kompressiv verspannte
Schicht oder zugverspannte Schicht in Verbindung mit einer im Wesentlichen
verspannungsneutralen Schicht, wobei dies von der gesamten Prozessstrategie
abhängt.
Des weiteren kann das Material 140 ein Füllmaterial 142,
etwa Siliziumdioxidmaterial aufweisen, das auf der Grundlage einer
beliebigen geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht wird. Das Material 140 wird
so vorgesehen, dass es zuverlässig
Zwischenräume
zwischen den Transistoren 150a, 150b und der Widerstandsstruktur 150c auffüllt.
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1g zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines
Materialabtragungsprozesses 109, während welchem das dielektrische
Zwischenschichtmaterial 140 eingeebnet wird. Beispielsweise
umfasst in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Materialabtragungsprozess 109 einen
CMP-(chemisch-mechanischen
Polier-)Prozess oder eine Sequenz, in der in einem ersten Schrittmaterial
der Schicht 142 abgetragen wird, wobei gut etablierte Prozessrezepte
angewendet werden können, die
einen gewissen Grad an Selektivität in Bezug auf das Material
der Schichten 141a, 141b besitzen, falls dies
erforderlich ist. Beim Freilegen der Materialien 141a, 141b wird
folglich ein anderes Polierrezept, beispielsweise eine anderer Art
Schleifmaterial eingesetzt, um im Wesentlichen die gleiche Abtragsrate für die Materialien 142 und 141a, 141b zu
erreichen. Während
des Prozesses 109 wird somit der Oberflächenbereich 133s des
Halbleitermaterials 133 in den Gateelektrodenstrukturen 130a, 130b und
in der Widerstandsstruktur 130c freigelegt.
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1h zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der die Widerstandsstruktur 130c von
einer Ätzmaske 112 abgedeckt
ist, die beispielsweise in Form einer Lackmaske oder in Form eines anderen
geeigneten Materials bereitgestellt wird. Die Maske 112 kann
gemäß gut etablierter
Lithographietechniken auf der Grundlage der eingeebneten Oberfläche, die
durch den Materialabtragungsprozess 109 (siehe 1g)
geschaffen wird, hergestellt werden. Das Halbleiterbauelement 100 wird
der Einwirkung einer Ätzumgebung 111 ausgesetzt,
die gestaltet ist, um das Halbleitermaterial 133 (siehe 1g)
selektiv zu dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 140 und
zu den Seitenwandabstandshaltern 104s abzutragen. Während des Ätzprozesses
werden folglich Öffnungen 133, 133b in
den Transistoren 150a, 150b erzeugt. Der Ätzprozess 111 wird
beispielsweise als ein nasschemischer Ätzprozess unter Anwendung von
etwa Flusssäure
(HF) als Ätzchemie
zum Entfernen von natürlichem
Oxid ausgeführt,
das sich auf dem Halbleitermaterial 133 gebildet haben
kann, beispielsweise wenn das Material 123 aus einem wesentlichen
Teil an Silizium aufgebaut ist. Daraufhin wird ein geeignetes nasschemisches
oder plasmaunterstütztes Ätzrezept
angewendet. Beispielsweise werden in einigen anschaulichen Ausführungsformen entsprechende
basische Lösungen,
beispielsweise in Form von Kaliumhydroxid und dergleichen eingesetzt.
In einer anschaulichen Ausführungsform
wird der Abtragungsprozess auf der Grundlage von Tetramethylammoniumhydroxid
(TMAH) ausgeführt,
das grundsätzlich
ein Lackabtragungsmittel repräsentiert, das
jedoch auch effizient zum Entfernen von Silizium oder Silizium/Germaniummischungen
verwendet werden kann, wenn es in höheren Konzentrationen bei erhöhten Temperaturen
eingesetzt wird. Beispielsweise liefern 50 Gewichtsprozent TMAH
in Wasser bei ungefähr
80 Grad C ein effizientes Ätzmittel
zum Entfernen von Siliziummaterial mit einem hohen Grad an Selektivität in Bezug
auf Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und auch Titannitrid, so dass
der Abtragungsprozess zuverlässig
in und auf der metallenthaltenden Deckschicht 132 gestoppt
werden kann. Wie zuvor erläutert
ist, wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Halbleitermaterial 133 in
Form eines Siliziummaterials und eines Silizium/Germanium-Materials
mit einem moderat hohen Siliziumanteil bereitgestellt, wobei der
Dotierstoffpegel auf der Grundlage einer n-Dotierstoffsorte eingestellt
wird, die für
bessere Ätzbedingungen
während des
Prozesses 111 sorgt, wenn TMAH verwendet wird. D. h. TMAH
weist eine erhöhte Ätzrate und
eine größere Selektivität für n-dotiertes
Siliziummaterial im Vergleich zu p-dotiertem Siliziummaterial auf. Folglich
kann die gesamte Prozesszuverlässigkeit und
Gleichmäßigkeit
verbessert werden, indem eine n-Dotierstoffsorte
zum Einstellen des speziellen Widerstandswertes der Widerstandsstruktur 130c durch Einbau
einer n-Dotierstoffsorte das Material 133 verwendet wird.
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Nach
der Herstellung der Öffnungen 123a, 123b werden
geeignete metallenthaltende Materialien in diesen Öffnungen
hergestellt, um damit gut leitende Gateelektrodenstrukturen für die Transistoren 150a, 150b zu
erzeugen, wobei auch eine effiziente Einstellung der Schwellwertspannung
dieser Transistoren unter Anwendung geeigneter Metalle für die Austrittsarbeit
ermöglicht
wird. Beispielsweise wird ein geeignetes metallenthaltendes Material
verwendet, um eine gewünschte
Schwellwertspannung für den
Transistor 150b zu erhalten, was bewerkstelligt werden
kann, indem Tantalnitrid, Titannitrid und dergleichen verwendet
wird, wobei zwei oder mehr unterschiedliche Schichten bei Bedarf
verwendet werden können.
Daraufhin werden diese Materialien selektiv von dem Transistor 150a entfernt,
woran sich das Abscheiden eines oder mehrerer metallenthaltender
Materialien anschließt,
um in geeigneter Weise die Schwellwertspannung dieses Transistors
einzustellen. Daraufhin wird ein weiteres Elektrodenmaterial abgeschieden,
um eine gut leitende Elektrodenstruktur zu erhalten. Es sollte jedoch
beachtet werden, dass jede andere Strategie angewendet werden kann,
um individueller Weise die Austrittsarbeit der Materialien in der
Nähe der
dielektrischen Schicht mit großem ε 131 einzustellen.
Beispielsweise kann ein spezielles Material abgeschieden und darauf
lokal behandelt werden, um dessen Eigenschaften zu modifizieren,
so dass zwei unterschiedliche Austrittsarbeiten erhalten werden.
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1i zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor
beschriebenen Prozesssequenz. Wie gezeigt, enthält das Bauelement 100 ein
oder mehrere Materialien für
die Austrittsarbeit 136, die zu einer gewünschten
Austrittsarbeit für
den Transistor 150b führen,
wobei die Schicht 136 Tantalnitrid, Titannitrid und dergleichen
aufweist. Wie gezeigt, ist die Schicht 136 auch über der
Widerstandsstruktur 130c gebildet, wodurch eine Einwirkung
der Ätzumgebung
vermieden wird, die angewendet wird, um das Material 136 von
dem Transistor 150a zu entfernen. Ferner ist ein weiteres
metallenthaltendes Material 137, das ein Material für die Austrittsarbeit des
Transistor 150a repräsentiert,
in diesem Transistor vorgesehen und ist auf dem Material 136 und auch über der
Widerstandsstruktur 130c gebildet. Beispielsweise enthält das Material 137 Titan,
Aluminium und dergleichen, wobei der Transistor 150a einen
n-Kanaltransistor repräsentiert,
und der Transistor 150b einen p-Kanaltransistor repräsentiert.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass eine andere geeignete Kombination
aus Materialien verwendet werden, wobei dies von der Leitfähigkeitsart
der Transistoren 150a, 150b abhängt. Ferner
ist ein Elektrodenmaterial 138, etwa Aluminium und dergleichen,
so aufgebracht, dass es zuverlässige Öffnungen 133a, 133b füllt.
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Das
in 1i gezeigte Halbleitebauelement 100 kann
auf der Grundlage einer Prozesssequenz hergestellt werden, wie sie
zuvor beschrieben ist, wobei zu beachten ist, dass zusätzliche
Prozessschritte zur Verbesserung der gesamten Prozesseffizient nach
Bedarf angewendet werden können.
Beispielsweise kann nach dem Abscheiden der einen oder der mehreren
Schichten 136, die zwei oder mehr unterschiedliche Materialien
aufweisen können,
ein Maskenmaterial, ein Siliziumdioxidmaterial und dergleichen,
aufgebracht werden und dieses kann nachfolgend strukturiert werden,
um den Transistor 150b und die Widerstandsstruktur 130c abzudecken.
Zu diesem Zweck können
Lithographietechniken in Verbindung mit nasschemischen Ätzrezepten,
etwa Flusssäure,
eingesetzt werden, um den Transistor 150a freizulegen.
Daraufhin wird mindestens eine Teilschicht des Materials 136 von
dem Transistor 150a entfernt, etwa auf der Grundlage nasschemischer Ätzrezepte,
woran sich das Abtragen der entsprechenden Maskenschicht über den
Transistor 150b und der Widerstandsstruktur 130c anschließt. Daraufhin
werden das eine oder die mehreren Materialien der Schicht 127 abgeschieden,
woran sich das Abscheiden der Schicht 138 anschließt. Als
nächstes,
wie in 1i gezeigt ist, wird ein Materialabtragungsprozess 113 angewendet,
etwa ein CMP-Prozess, um überschüssiges Material
der Schichten 138, 137 und 136 abzutragen.
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1j zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor
beschriebenen Prozesssequenz. Folglich enthalten die Transistoren 150a, 150b komplexe
Gateelektrodenstrukturen 135a, 135b, während die
Widerstandsstruktur 130c weiterhin das Halbleitermaterial 133 enthält. Wie
gezeigt, umfasst die Gateelektrodenstruktur 135a das Elektrodenmaterial 138,
etwa Aluminium, und das metallenthaltende Material 137,
das in Verbindung mit der Deckschicht 132 zu einer gewünschten
Austrittsarbeit führt.
In ähnlicher
Weise enthält
die Gateelektrodenstruktur 135b Materialien 136, 137 in
Verbindung mit dem Elektrodenmetall 138, wodurch in Verbindung
mit der verbleibenden Deckschicht 132 eine geeignete Austrittsarbeit
für den
Transistor 150b festgelegt wird. Andererseits besitzt die
Widerstandsstruktur 130c einen gut definierten Widerstandswert,
der durch die Materialzusammensetzung des Halbleiters 133 und
den darin enthaltenen Dotierstoffpegel und dem Widerstandswert der
Deckschicht 132 bestimmt ist. Wie zuvor erläutert ist,
kann, da die Schicht 132 eine geringe Dicke von ungefähr 1 bis
mehrere nm besitzt, der resultierende Schichtwiderstand moderat hoch
sein, so dass der Beitrag des Materials 133 gering ist,
um eine effiziente Einstellung des gesamten Widerstandswerts der
Struktur 130c bei einem moderat geringen Dotierstoffpegel
möglich
ist, so dass ein hohes Maß an
Steuerbarkeit und Gleichmäßigkeit des
Widerstandswerts der Struktur 130c erreicht wird. Des weiteren
können
Transistoren 150a, 150b gemäß einer Fertigungssequenz hergestellt
werden, die für
bessere Transistoreigenschaften, beispielsweise in dem ein oder
mehrere verformungsinduzierende dielektrische Materialien verwendet
werden, etwa die Schichten 141a, 141b, wobei auch
in einem oder beiden Transistoren 150a, 150b ein
verformungsinduzierendes eingebettetes Halbleitermaterial, etwa
die Halbleiterlegierung 108 in dem Transistor 150b vorgesehen
ist. Folglich kann eine weitere Größenreduzierung auf der Grundlage
der komplexen Gateelektrodenstrukturen 125a, 125b erreicht
werden, wobei auch die Widerstandsstruktur 130c in einem
Zustand geringer Kapazität
in platzsparender Weise vorgesehen wird, indem der Einbau des Elektrodenmetalls 128 vermieden
wird.
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Mit
Bezug zu den 1k und 1l werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben,
in denen zumindest die metallenthaltende Deckschicht in einer frühen Fertigungsphase selektiv
in den Widerstandsgebiet entfernt wird, wenn der Schichtwiderstand
als ungeeignet für
die Widerstandsstruktur erachtet wird.
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1k zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer frühen Fertigungsphase,
in der die Gatedielektrikumsschicht 131 mit dem Material mit
großem ε in Verbindung
mit der metallenthaltenden Deckschicht 132 über dem
Transistorgebiet 110 und dem Widerstandsgebiet 120 abgeschieden
ist. Ferner ist eine Ätzmaske 114 so
vorgesehen, dass das Transistorgebiet 110 abgedeckt ist,
während
das Widerstandsgebiet 120 oder zumindest ein Teil davon, über welchem
die Widerstandsstruktur zu bilden ist, freiliegt. Die Maske 114 kann
in Form eines beliebigen geeigneten Materials vorgesehen werden, etwa
als Lackmaterial, als Hartmaskenmaterial und dergleichen. Daraufhin
wird der freiliegende Bereich zumindest der Schicht 132 durch
geeignetes Ätzrezept,
etwa durch nasschemische Ätzrezepte
und dergleichen entfernt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen
wird auch Material 131 entfernt, wenn eine Modifizierung
der Eigenschaft für
die weitere Bearbeitung als ungeeignet erachtet wird. In anderen anschaulichen
Ausführungsformen
wird die Schicht 131 beibehalten, da eine entsprechende
Modifizierung, beispielsweise der Einbau von Sauerstoff und dergleichen
als akzeptabel erachtet wird für
die weitere Bearbeitung und für
die schließlich
erreichten Eigenschaften der Widerstandsstruktur.
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1l zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der das Halbleitermaterial 133 über den
Gebieten 110, 120 gebildet ist, wobei zumindest die
Schicht 132 über
dem Widerstandsgebiet 120 oder zumindest einen wesentlichen
Teil davon entfernt ist. Im Hinblick auf das Abscheiden des Materials 133 und
die Einstellung seines Dotierstoffpegels gelten die gleichen Kriterien,
wie sie zuvor erläutert sind.
Bei Bedarf kann Material 133 eingeebnete werden, um die
Oberflächenbedingungen
zu verbessern, wenn eine Differenz in der Höhe zwischen den Gebieten 110 und 120 auch
für die
weitere Bearbeitung als ungeeignet erachtet wird. Nachfolgend werden weitere
Prozessschritte ausgeführt,
wie sie zuvor erläutert
sind, beispielsweise Abscheiden eines Deckmaterials und Strukturieren
des resultierenden Schichtstapels, um die Austauschgateelektrodenstrukturen
und eine Widerstandsstruktur zu erhalten, deren Widerstandswert
somit vollständig
durch die Geometrie der entsprechenden Struktur und dem spezifischen
Widerstand des Materials 133 bestimmt ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Offenbarung stellt Halbleiterbauelemente
und Fertigungstechniken bereit, in denen Widerstandsstrukturen auf
der Grundlage eines Halbleitermaterials, etwa von Polysilizium, über Isolationsstrukturen
in Verbindung mit komplexen Gateelektrodenstrukturen geschaffen werden
können,
die dielektrische Materialien mit großem ε mit metallenthaltenden Elektrodenmaterialien aufweisen.
Folglich wird eine höhere
Packungsdichte erreicht, ohne dass das Verhalten von Widerstandsstrukturen
beeinträchtigt
wird, wie dies konventioneller Weise hervorgerufen wird, indem die
halbleiterbasierte Widerstände
in das Halbleitersubstrat oder die aktive Halbleiterschicht von
SOI-Halbleiterbauelementen integriert werden. Im Gegensatz zu anderen konventionellen
Vorgehensweisen, in denen die Widerstandsstrukturen auf der Grundlage
eines Metallelektrodenmaterials hergestellt werden, wie es in den komplexen
Gateelektrodenstrukturen verwendet wird, ist gemäß den hierin offenbarten Prinzipien
der Widerstandswert der Widerstandsstruktur durch das Halbleitermaterial
bestimmt, d. h. durch die Zusammensetzung und der Dotierstoffpegel,
wodurch die parasitäre
Kapazität
verringert wird, ohne dass wertvolle Substratfläche verbraucht wird.
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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 hierin offenbarten
Ausführungen
zu vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschrieben Formen als die gegenwärtig bevorzugten
Ausführungsformen
zu betrachten.