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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung komplexer integrierter Schaltungen mit Transistorelementen, die Gatestrukturen auf der Grundlage eines Gatedielektrikumsmaterials mit großem ε in Verbindung mit einem Metallelektrodenmaterial enthalten.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASIC's (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen erfordert das Herstellen einer großen Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einen spezifizierten Schaltungsaufbau, wobei Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen wesentlich bestimmen. Im Allgemeinen wird eine Vielzahl an Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei für viele Arten an komplexen Schaltungen mit Feldeffekttransistoren die CMOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen ist auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung von beispielsweise der CMOS-Technologie werden Millionen Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und 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 gebildet sind, die durch stark dotierte Gebiete, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, und einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet erzeugt sind, etwa einem Kanalgebiet, das benachbart zu 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 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 beeinflusst die Leitfähigkeit des Kanalgebiets das Leistungsverhalten der MOS-Transistoren ganz wesentlich. Gegenwärtig wird der Großteil an integrierten Schaltungen auf Grundlage von Silizium hergestellt auf Grund seiner nahezu unbeschränkten Verfügbarkeit, der 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 Wahrscheinlich 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 voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglicht damit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise für Ausheizzyklen erforderlich sind, um Dotiermittel zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen, ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
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Aus den zuvor dargelegten Gründen wurde Siliziumdoxid vorzugsweise als ein Basismaterial einer Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium oder metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Bauteilleistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets stetig verringert, um die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu erhöhen. Da das Transistorverhalten durch die Spannung gesteuert ist, die der Gateelektrode zugeführt wird, um die Oberfläche des Kanalgebiets in eine ausreichend hohe Ladungsträgerdichte zu invertieren, um damit den gewünschten Durchlassstrom bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung zu erhalten, ist ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung erforderlich, die durch den Kondensator geschaffen wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid geschaffen wird. Es erweist sich jedoch, dass die Verringerung der Kanallänge eine erhöhte kapazitive Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom und zu einer ausgeprägten Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer reduzierten Schwellwertspannung weisen eine exponentielle Zunahme des Leckstromes auf, während auch eine erhöhte kapazitive Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich ist. Somit muss die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert werden, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erreichen. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid, das ungefähr 1,2 nm dünn ist. Obwohl im Allgemeinen die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistoren mit einem äußerst kurzen Kanal im Wesentlichen auf Hochgeschwindigkeitssignalwege beschränkt wird, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger kritische Signalwege verwendet werden, etwa als Speichertransistoren, erreicht der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch eine sehr dünne Siliziumdioxidgateisolationsschicht hervorgerufen wird, Werte von einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit den thermischen Entwurfsleistungserfordernissen für hocheffiziente Schaltungen verträglich sind.
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Daher wird das Ersetzen des siliziumdioxidbasierten Dielektrikums als Material für Gateisolationsschichten in Erwägung gezogen, insbesondere für sehr dünne siliziumdioxidbasierte Gateschichten. Mögliche alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalisch größere Dicke einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung liefert, die ansonsten durch eine extrem dünne Siliziumdioxidschicht erreicht würde.
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Es wurde daher vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien hoher Permittivität zu ersetzen, etwa Tantaloxid (Ta2O5) mit einem ε von ungefähr 25, durch Strontiumtitanoxid (SrTiO3) mit einem ε von ungefähr 150, durch Hafniumoxid (HfO2), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO2) und dergleichen.
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Des weiteren kann das Transistorverhalten verbessert werden, indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird, so dass das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial ersetzt wird, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zum Gatedielektrikum aufweist, wodurch die wirksame Kapazität zwischen dem Kanalgebiet und der Gateelektrode weiter verringert wird. Es wurde daher ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine erhöhte Kapazität im Vergleich zu einer siliziumdioxidbasierten Schicht mit gleicher Dicke sorgt, wobei Ströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits wird das nicht-Polysiliziummaterial, etwa Titannitrid und dergleichen, in Verbindung mit anderen Metallen so hergestellt, dass es mit dem dielektrischen Material in Kontakt ist, wodurch die Anwesenheit einer Verarmungszone im Wesentlichen vermieden wird. Da die Schwellwertspannung der Transistoren, die die Spannung repräsentiert, bei der sich ein leitender Kanal im Kanalgebiet ausbildet, wesentlich von der Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gateelektrodenmaterials bestimmt ist, ist eine geeignete Einstellung der wirksamen Austrittsarbeit in Bezug auf die Leitfähigkeitsart des betrachteten Transistors sicherzustellen.
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Das Vorsehen unterschiedlicher Metallsorten zum Einstellen der Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren in einer frühen Fertigungsphase ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft, die sich aus der Tatsache ergeben, dass eine komplexe Strukturierungssequenz während der Herstellung des komplexen Metallgatestapels mit großem ε erforderlich ist, was zu einer ausgeprägten Variabilität der resultierenden Austrittsarbeit und somit der Schwellwertspannung der fertiggestellten Transistorstrukturen führen kann. Während einer entsprechenden Fertigungssequenz wird beispielsweise das Material mit großem ε der Einwirkung von Sauerstoff ausgesetzt, was zu einer Zunahme der Schichtdicke und somit zu einer Verringerung der kapazitiven Kopplung führen kann. Ferner wird auch eine Verschiebung der Austrittsarbeit beobachtet, wenn geeignete Austrittsarbeitsmetalle in einer frühen Fertigungsphase hergestellt werden, wobei angenommen wird, dass dies durch eine moderat hohe Sauerstoffaffinität der Metallsorte hervorgerufen wird, insbesondere bei Hochtemperaturprozessen, die typischerweise zur Fertigstellung der Transistorstrukturen, beispielsweise zur Herstellung der Drain- und Sourcegebiete und dergleichen, erforderlich sind.
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Aus diesem Grunde wird in einigen Vorgehensweisen der anfängliche Gateelektrodenstapel mit einem hohen Grad an Kompatibilität zu konventionellen polysiliziumbasierten Prozessstrategien bereitgestellt und das eigentliche Elektrodenmetall und die endgültige Einstellung der Austrittsarbeit der Transistoren wird in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase realisiert, d. h. nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorstruktur.
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In einem entsprechenden Austauschgateverfahren wird das Polysiliziummaterial, das als ein Opfermaterial oder Platzhaltermaterial dient, nach dem Abscheiden zumindest eines Teils des dielektrischen Zwischenschichtmaterials mittels geeigneter Ätztechniken entfernt. Typischerweise enthält das dielektrische Zwischenschichtmaterial verspannungsinduzierende dielektrische Schichten, um das gesamte Transistorverhalten noch weiter zu verbessern. Es ist gut bekannt, dass eine hohe Verformungskomponente im Kanalgebiet von siliziumbasierten Transistoren zu einer ausgeprägten Modifizierung der Beweglichkeit der Ladungsträger und somit der gesamten Leitfähigkeit des Kanalgebiets führt. Aus diesem Grunde wird ein verspannungsinduzierendes dielektrisches Material in unmittelbarer Nähe der Transistoren vorgesehen, um damit für eine gewünschte Verformungskomponte in den Kanalgebieten zu sorgen. Da p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren eine unterschiedliche Art an Verformungskomponente erfordern, werden auch die verspannungsinduzierenden dielektrischen Materialien mit einem unterschiedlichen inneren Verspannungspegel bereitgestellt, um damit selektiv das Leistungsverhalten von n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren zu verbessern. Das selektive Vorsehen eines geeignet verspannten dielektrischen Materials kann auf der Grundlage eines sogenannten „Doppelverspannungsschichtenverfahrens” bewerkstelligt werden, in welchem eine Sequenz aus Abscheide- und Abtragungsprozessen in Verbindung mit einem geeigneten Maskierungsschema angewendet wird, um beispielsweise ein zugverspanntes dielektrisches Material über einem n-Kanaltransistor anzuordnen und ein kompressiv verspanntes dielektrisches Material über einem p-Kanaltransistor anzuordnen.
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Obwohl die zuvor beschriebene Austauschgatestrategie ein vielversprechender Ansatz ist, zeigt sich dennoch, dass durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten erzeugt werden, insbesondere in p-Kanaltransistoren, deren Gateelektrodenstrukturen in dem kompressiv verspannten Siliziumnitridmaterial eingebettet ist. Es wird angenommen, dass die kompressive Verspannung des Siliziumnitridmaterials zu einer nachteiligen Form der Öffnung führt, die nach dem Entfernen des Polysiliziumplatzhaltermaterials geschaffen wird. Beim Abscheiden des Materials, das für das Autauschgate erforderlich ist, etwa in Form von Metallen, dielektrischen Materialien mit großem ε und dergleichen, führt die Querschnittsform der Öffnung, die durch das umgebende kompressiv verspannte dielektrische Material beeinflusst wird, zu entsprechenden Unregelmäßigkeiten, etwa Hohlräumen und dergleichen, insbesondere wenn ein Elektrodenmetall in die Öffnung einzufüllen ist. Insbesondere in komplexen Halbleiterbauelementen, in denen eine Gatelänge von ungefähr 40 nm und weniger bei einer Gatehöhe von ungefähr 80 bis 100 nm erforderlich ist, kann folglich der nachteilige Einfluss des kompressiv verspannten dielektrischen Materials zu einem deutlichen Ausbeuteverlust auf Grund von Hohlräumen oder anderen Abscheideunregelmäßigkeiten in den Gateelektrodenstrukturen führen.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, in denen ein Austauschgateverfahren angewendet wird, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert wird.
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Überblick über die vorliegende Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, in denen ein Platzhaltermaterial einer Gateelektrodenstruktur durch ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase ersetzt wird, wobei ein zugverspanntes dielektrisches Material, das die Gateelektrodenstrukturen von beliebigen Arten an Transistoren lateral umschließt, zu einer besseren Querschnittsform einer Öffnung führt, die nach dem Entfernen des Platzhaltermaterials erzeugt wird. D. h., auf Grund der Zugverspannung des benachbarten dielektrischen Materials wird eine sich nach oben verbreiternde Querschnittsform der resultierenden Öffnung erreicht, die somit eine größere laterale Abmessung an der Oberseite im Vergleich zur Unterseite besitzt, wodurch ein zuverlässiges Einfüllen von geeignetem Material, etwa Dielektrika mit großem ε, falls erforderlich, metallenthaltenden Elektrodenmaterialien und dergleichen ermöglicht wird. Andererseits kann das zugverspannte dielektrische Material auch zu einem besseren Leistungsverhalten von beispielsweise n-Kanaltransistoren führen, während eine negative Auswirkung auf p-Kanaltransistoren verringert werden kann, indem der innere Verspannungspegel des zugverspannten dielektrischen Materials über dem p-Kanaltransistor modifiziert wird, indem das Material entfernt wird, indem ein zusätzliches kompressiv verspanntes dielektrisches Material vorgesehen wird und dergleichen. Auf diese Weise wird ein effizienter verformungsinduzierender Mechanismus eingerichtet, etwa als ein modifiziertes Doppelverspannungsschichtenverfahren, wobei dennoch für bessere Abscheidebedingungen gesorgt ist, wenn die Öffnung in der Gateelektrodenstruktur wieder aufgefüllt wird.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer zugverspannten dielektrischen Schicht über und benachbart zu einer ersten Gateelektrodenstruktur eines ersten Transistors und über und benachbart zu einer zweiten Gateelektrodenstruktur eines zweiten Transistors, wobei die erste und die zweite Gateelektrodenstruktur ein Platzhaltermaterial aufweisen. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen eines ersten Bereichs der zugverspannten dielektrischen Schicht über der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur, um eine obere Fläche des Platzhaltermaterials freizulegen, während ein zweiter Bereich des zugverspannten dielektrischen Materials lateral benachbart zu der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur bewahrt wird. Ferner umfasst das Verfahren das Ersetzen des Platzhaltermaterials durch ein oder mehrere Metallmaterialien in der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur in Anwesenheit des zweiten Teils. Weiterhin umfasst das Verfahren das Bilden einer kompressiv verspannten dielektrischen Schicht über der zweiten Gateelektrodenstruktur nach dem Ersetzen des Platzhaltermaterials. Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines zugverspannten dielektrischen Materials derart, dass dieses eine Gateelektrodenstruktur eines Transistors lateral einschließt, und derart, dass eine obere Fläche eines Platzhaltermaterials der Gateelektrodenstruktur freigelegt ist. Ferner umfasst das Verfahren das Entfernen des Platzhaltermaterials in Anwesenheit des zugverspannten dielektrischen dielektrischen Materials, um eine sich nach oben verbreitende Öffnung in der Gateelektrodenstruktur zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Füllen der Öffnung mit einem oder mehreren Materialien, wovon mindestens eines ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial repräsentiert. Des weiteren umfasst das Verfahren das Reduzieren einer verformungsinduzierenden Wirkung des zugverspannten dielektrischen Materials auf dem Transistor.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine Gateelektrodenstruktur eines Transistors, die über einem Halbleitergebiet gebildet ist. Die Gateelektrodenstruktur umfasst eine Gateisolationsschicht mit einem dielektrischen Material mit großem ε und umfasst ferner ein Elektrodenmaterial, das auf der Gateisolationsschicht gebildete ist und ein nach oben breiter werdende Querschnittsstruktur besitzt. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner ein dielektrisches Material, das über der Gateelektrodenstruktur gebildet ist und einen inneren kompressiven Verspannungspegel aufweist, um eine kompressive Verformung in einem Kanalgebiet des Transistors hervorzurufen.
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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 bis 1f schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, in denen ein Gateplatzhaltermaterial in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase auf der Grundlage einer verbesserten Querschnittsform jeweiliger Gateöffnungen ersetzt wird, wie dies durch ein zugverspanntes dielektrisches Material gemäß anschaulicher Ausführungsformen bewirkt wird;
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1g schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der ein kompressiv verspanntes dielektrisches Material selektiv in seinem anfänglichen Verspannungspegel gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen modifiziert wird; und
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1h schematisch das Halbleiterbauelement gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt, in denen das zugverspannte dielektrische Material nach dem Wiederauffüllen der Gateelektrodenstrukturen selektiv behandelt wird, um die Wirkung dieses Materials auf eine Art von Transistoren zu reduzieren.
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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 Erfindung auf die speziellen anschaulich 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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Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen das Wiederauffüllen einer Öffnung in Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage einer verbesserten Querschnittsform der Öffnung für jede Art von Transistoren ausgeführt wird, wodurch durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, etwa Hohlräume, vermieden werden können, wie sie häufig in komplexen Halbleiterbauelementen angetroffen werden, in denen Metallgateelektroden in Verbindung mit einem Doppelverspannungsschichtenverfahren bereitgestellt werden. Die bessere Querschnittsform der Gateöffnung wird erreicht, indem ein zugverspanntes dielektrisches Material über den Transistorelementen und somit auch lateral benachbart zu der Gateelektrodenstruktur vor dem Entfernen des Platzhaltermaterials vorgesehen wird, wodurch die Anwesenheit eines kompressiv verspannten dielektrischen Materials benachbart zu den Gateelektrodenstrukturen vermieden wird, wie dies in konventionellen Austauschgateverfahren der Fall ist, die nach dem vorsehen unterschiedlich verspannter dielektrischer Materialien ausgeführt werden. Beim Entfernen des Platzhaltermaterials wird somit das zugverspannte dielektrische Material auf die Seitenwände der resultierenden Öffnung ein, wodurch eine sich verjüngende Querschnittsform erhalten wird, die als eine Form zu verstehen ist, in der eine Breite an der Unterseite der Gateöffnung im Wesentlichen der anfänglich erzeugten Gatelänge entspricht, während die laterale Ausdehnung am oberen Bereich der Gateöffnung größer ist. Auf Grund dieser breiter werdenden Form, d. h. mit der anfänglichen Gatelänge an der Unterseite und einer vergrößerten „Gatelänge” an der Oberseite der Gateöffnung, werden somit bessere Abscheidebedingungen geschaffen, insbesondere, wenn Gateelektrodenstrukturen mit einer Entwurfsgatelänge von ungefähr 40 nm und weniger betrachtet werden. Des weiteren kann das zugverspannte dielektrische Material zu einer Verbesserung des Transistorverhaltens für eine Art an Transistoren, etwa n-Kanaltranistoren, führen, wohingegen eine negative Auswirkung des zugverspannten dielektrischen Materials auf die andere Transistorart kompensiert werden kann oder zumindest deutlich verringert werden kann, indem ein kompressiv verspanntes dielektrisches Material vorgesehen wird, wobei abhängig von der gesamten Prozessstrategie in einigen anschaulichen Ausführungsformen der Zugverspannungspegel selektiv relaxiert werden kann vor dem Abscheiden des kompressiv verspannten dielektrischen Materials. In anderen Fallen wird bei Bedarf das zugverspannten dielektrische Material selektiv durch ein kompressiv verspanntes dielektrisches Material ersetzt, so dass sich ein modifiziertes Doppelverspannungsschichtenverfahren ergibt und bessere Verformungsbedingungen in jeder Transistorart erzielt werden. Folglich wird eine graduelle und gleichmäßig die verbreiternde Querschnittsform für die Gateöffnungen für jede Transistorart erhalten, ohne dass aufwendige Strukturierungsstrategien erforderlich sind, beispielsweise indem speziell gestaltete Ätztechniken während der Strukturierung des Gateschichtstapels eingesetzt werden, was zu einer deutlich größeren Komplexität des gesamten Prozessablaufs beiträgt. Somit kann das Austauschgateverfahren effizient mit wirksamen verformungsinduzierenden Mechanismen auf der Grundlage von verspannten dielektrischen Materialien kombiniert werden, wodurch eine weitere Bauteilgrößenskalierung möglich ist, ohne dass zu erhöhten Ausbeuteverlusten beigetragen 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, etwa einem Halbleitersubstrat, einem isolierenden Substrat und dergleichen, über welchem eine Halbleiterschicht 102 gebildet ist. Die Halbleiterschicht 102 ist aus Silizium aufgebaut, möglicherweise in Verbindung mit anderen Stoffsorten, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen, wie dies erforderlich ist, um darin und darüber Schaltungselemente, etwa Transistoren 150a, 150b und dergleichen herzustellen. Wie zuvor angegeben ist, werden kristalline siliziumbasierte Halbleitermaterialien vorzugsweise für komplexe Schaltungen eingesetzt, wobei die elektronischen Eigenschaften, etwa die Ladungsträgerbeweglichkeit und dergleichen, effizient auf der Grundlage des Erzeugens einer speziellen Verformung lokal in der Halbleiterschicht 102 modifiziert werden können, wie dies zuvor erläutert ist. Die Halbleiterschicht 102 besitzt eine geeignete Dicke, etwa von mehreren Nanometer bis 100 nm und mehr, wobei dies von dem gesamten Aufbau des Halbleiterbauelements 100 abhängt. Beispielsweise ist in komplexen SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Bauelementen ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) direkt unter der Halbleiterschicht 102 ausgebildet, wobei eine Dicke komplexer vollständig verarmter Transistorelemente mehrere Nanometer beträgt. In anderen Fallen repräsentieren das Substrat 101 und die Halbleiterschicht 102 eine Vollsubstratkonfiguration, in der das kristalline Halbleitermaterial in die Tiefe des Substrats 101 erstreckt, wobei diese Tiefe deutlich größer ist als eine vertikale Erstreckung der Transistorelemente 150a, 150b. Es sollte ferner beachtet werden, dass die Halbleiterschicht 102 geeignete Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) aufweist, um in geeigneter Weise Halbleitergebiete oder aktive Gebiete, etwa Gebiete 102a, 102b, lateral zu begrenzen, die als Halbleitergebiete zu verstehen sind, in denen ein oder mehrere pn-Übergänge ausgebildet sind, beispielsweise in Form von Source- und Drain-Gebieten 153, die einen pn-Übergang mit einem Kanalgebiet 152 bilden, das von den Drain- und Sourcegebieten 153 lateral eingeschlossen ist. In dem gezeigten Beispiel repräsentieren die Transistoren 150a, 150b unterschiedlicher Leitfähigkeitsart, so dass die Drain- und Sourcegebiete 153 auf der Grundlage von Dotierstoffsorten unterschiedlicher Art gebildet sind, wobei der Einfachheit halber derartige Unterschiede in 1a nicht gezeigt sind. Um ferner den gesamten Kontaktwiderstand der Drain- und Sourcegebiete 153 zu verringern, werden häufig Metallsilizidgebiete 154 in einem Teil der Drain- und Sourcegebiete 153 vorgesehen. Die Transistoren 150a, 150b umfassen ferner eine Gateelektrodenstruktur 151 mit einer Gateisolationsschicht 151g, die ein „Elektrodenmaterial” 151p von dem Kanalgebiet 152 trennt. Wie zuvor erläutert ist, wird in einem Austauschgateverfahren zumindest ein wesentlicher Anteil des Elektrodenmaterials 151p, das auch als Platzhaltermaterial bezeichnet werden kann, entfernt und wird durch ein gut leitendes Material, etwa ein Metall und dergleichen, ersetzt. In einigen Vorgehensweisen wird auch die Gateisolationsschicht 151g oder zumindest ein Bereich davon in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase entfernt, um ein dielektrisches Material mit großem ε vorzusehen, während in anderen Vorgehensweisen die Gateisolationsschicht 151g bereits ein dielektrisches Material mit großem ε möglicherweise in Verbindung mit einem leitenden Deckmaterial aufweist, das für eine bessere Leitfähigkeit sorgt und das in zuverlässiger Weise das empfindliche dielektrische Material mit großem ε der Gateisolationsschicht 151g während der Prozesssequenz zur Herstellung der Transistoren 150a, 150b und während der Prozesssequenz zum Austauschen des Platzhaltermaterials 151p schützt. Der Einfachheit halber sind derartige leitende Deckmaterialien in 1a nicht gezeigt. Wie ferner zuvor ausgeführt ist, wurde gemäß einigen Vorgehensweisen eine austrittsarbeitseinstellende Sorte in das Material 151p und/oder das Material 151g eingeführt, wenn dies als geeignet erachtet wird, während in anderen Fällen derartige austrittsarbeitseinstellende Metallsorten beim Austauschen des Platzhaltermaterials 151p vorgesehen werden.
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Des weiteren umfasst die Gatelektrodenstruktur 151 eine Abstandshalterstruktur 151s, die beispielsweise auf der Grundlage eines Siliziumnitridmaterials in Verbindung mit einer Siliziumdioxidätzstoppschicht (nicht gezeigt) ausgebildet ist, während in anderen Fällen ein anderer geeigneter Aufbau an Abstandshalterelementen und Ätzstoppschichten vorgesehen wird. In einigen Fällen wird die Abstandshalterstruktur 151s oder zumindest ein Teil davon in dieser Fertigungsphase entfernt, falls dies als geeignet erachtet wird, beispielsweise um die gesamte verformungsinduzierende Wirkung eines dielektrischen Materials 120 zu erhöhen, das über den aktiven Gebieten 102a, 102b und über den jeweiligen Gateelektrodenstrukturen 151 gebildet wird. In der in 1a gezeigten Ausführungsform wird die dielektrische Schicht 120 mit einem inneren Zugverspannungspegel bereitgestellt, der zu besseren Verformungsbedingungen in einem der Transistoren 150a, 150b führt, beispielsweise im Transistor 150a, wenn dieser einen n-Kanaltransistor repräsentiert, während die entsprechende Zugverformungskomponente das Leistungsverhalten des Transistors 150b negativ beeinflusst und in einer späteren Fertigungsphase kompensiert oder sogar überkompensiert wird. Die dielektrische Schicht 120 besitzt eine geeignete Dicke, wie dies im Hinblick auf die gesamte geometrische Konfiguration des Bauelements 100 erforderlich ist. D. h., bei komplexen Halbleiterbauelementen mit Schaltungselementen, die kritische Abmessungen von ungefähr 40 nm und weniger besitzen, wird eine komplexe Oberflächentopographie insbesondere in dicht gepackten Bauteilgebieten erzeugt. Beispielsweise besitzen die Gateelektrodenstrukturen 151 eine Höhe von ungefähr 50 bis 100 nm und mehr, während eine Länge, d. h. in 1a die horizontale Ausdehnung des Platzhaltermaterials 151p, 40 nm und weniger beträgt. Folglich werden für dicht liegende Gateelektrodenstrukturen und daher Leitungen auch entsprechende Abstände von ungefähr 100 nm und weniger verwirklicht, wodurch aufwendige Abscheidetechniken erforderlich sind, um durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, für das Erzeugen von Hohlräumen in dem dielektrischen Material der Schicht 120 ohne ein Material, das darauf herzustellen ist, zu vermeiden.
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Das Halbleiterbauelement 100, wie es in 1a gezeigt ist, kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden, um die aktiven Gebiete 102a, 102b festzulegen, beispielsweise durch Vorsehen geeigneter Isolationsstrukturen, etwa flacher Grabenisolationen, in Verbindung mit Implantationsprozessen, die auf der Grundlage entsprechender Maskierungsschemata ausgeführt werden, um die grundlegende Leitfähigkeitsart und den Dotierstoffpegel in den aktiven Gebieten 102a, 102b zu erzeugen. Daraufhin werden die Gateelektrodenstrukturen 151 hergestellt, indem ein geeigneter Schichtstapel vorgesehen wird und indem dieser strukturiert wird, wozu sehr komplexe Prozesstechniken erforderlich sein können, um geeignete Materialien herzustellen, etwa dielektrische Materialien mit großem ε, wenn sie für diese Fertigungsphase vorgesehen sind, in Verbindung mit konventionellen Dielektrika, etwa siliziumoxidbasierten Materialien und dergleichen, woran sich weitere Materialien anschließen, etwa eine leitende Deckschicht, falls diese erforderlich ist, und dergleichen, und daraufhin wird das Platzhaltermaterial 151p vorgesehen. Weitere dielektrische Deckmaterialien und dergleichen können in dieser Fertigungsphase nach Bedarf für die weitere Verarbeitung des Bauelements 100 bereitgestellt werden. Auf der Grundlage komplexer Lithographie- und Strukturierungsstrategien werden die Gateelektrodenstrukturen 151 hergestellt und die weitere Bearbeitung wird fortgesetzt, indem die Drain- und Sourcegebiete 153 in Verbindung mit der Abstandshalterstruktur 151s gebildet werden, um das gewünschte vertikale und laterale Dotierstoffprofil für die Gebiete 153 zu erhalten. Es sollte beachtet werden, dass zusätzliche verformungsinduzierende Mechanismen eingerichtet werden können, beispielsweise in Form eines eingebetteten Halbleiterlegierungsmaterials in einem oder beiden Transistoren 150a, 150b, falls dies erforderlich ist. Beispielsweise werden vor dem Fertigstellen der Drain- und Sourcegebiete 153 und vor dem Herstellen der Abstandshalterstruktur 151s entsprechende Aussparungen in einem oder beiden aktiven Gebieten 102a, 102b hergestellt, und diese Aussparungen werden mit einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung, etwa einem Silizium/Germanium-Legierungsmaterial und dergleichen wieder aufgefüllt. Beispielsweise ist eine Vielzahl geeigneter Prozessstrategien gut etabliert, um eine kompressive verformungsinduzierende Halbleiterlegierung in den aktiven Gebieten von p-Kanaltransistoren zu erzeugen. Als nächstes werden Ausheizprozesse ggf. ausgeführt, um die Dotierstoffe in den Drain- und Sourcegebieten 153 zu aktivieren und durch Implantation hervorgerufene Schäden zu rekristallisieren. Nachfolgend werden die Metallsilizidgebiete 143 hergestellt, indem ein geeignetes Prozessschema angewendet wird, wobei abhängig von der gesamten Prozessstrategie das Platzhaltermaterial 151p eine geeignete Struktur aufweist, um eine Silizidierung ggf. zu vermeiden. Beispielsweise enthält das Platzhaltermaterial 151p eine geeignete Deckschicht, etwa ein Siliziumnitridmaterial und dergleichen. Daraufhin wird die dielektrische Schicht 120 beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD (chemische Dampfabscheidung) hergestellt, wobei die Prozessparameter geeignet auf der Grundlage gut etablierter Rezepte eingestellt werden, um die gewünschte Materialzusammensetzung und somit den gewünschten inneren Zugverspannungspegel zu erhalten. Beispielsweise kann siliziumnitridbasiertes Material mit einer hohen Kompressivverspannung von ungefähr 3 GPa und höher abgeschieden werden, und es kann auch ein hoher Zugverspannungspegel von 1 GPa und deutlich höher erreicht werden, indem geeignete Prozessparameter eingestellt werden. Beispielsweise wird durch den Einbau einer mehr oder minder großen Menge an Wasserstoff in das siliziumnitridbasierte Material der innere Verspannungspegel effizient eingestellt. Eine Dicke der Schicht 120, die im Bereich von 10 bis mehrere 10 nm liegt, wird geeignet so gewählt, dass das gewünschte konforme Abscheideverhalten für die betrachtete Oberflächentopographie erreicht wird. In der gezeigten Ausführungsform wird die dielektrische Schicht 120 „direkt” auf den Transistoren 150a, 150b, d. h. auf den Metallsilizidgebieten 154 hergestellt, und ist damit direkt in Kontakt mit der Abstandshalterstruktur 151s und dem Platzhaltermaterial 151p. In diesem Falle wird eine sehr effiziente Übertragung der Verspannungskomponente in das Kanalgebiet 152 erreicht. In anderen Fällen wird eine weitere Materialschicht, beispielsweise in Form eines Siliziumdioxidmaterials und dergleichen, vorgesehen (nicht gezeigt), um als ein Ätzstoppmaterial während einer späteren Phase zu dienen, wenn ein Teil des Materials 120 von einem der Transistoren 150a, 150b, etwa dem Transistor 150b, abgetragen wird, für den die innere Zugverspannung als ungeeignet erachtet wird, um ein hohes Leistungsverhalten zu erreichen.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Füllmaterial 121 über der zugverspannten dielektrischen Schicht 120 gebildet ist, um Zwischenräume zwischen benachbarten Gateelektrodenstrukturen 151 und anderen Schaltungselementen zu füllen. Das Füllmaterial 121 repräsentiert ein beliebiges geeignetes Material, etwa ein Polymermaterial, ein konventionelles dielektrisches Material, etwa Siliziumdioxid und dergleichen, das mit einem hohen Grade an Spaltfüllvermögen aufgebracht werden kann, um damit durch Abscheidung hervorgerufener Unregelmäßigkeiten zu vermeiden. Beispielsweise kann Siliziumdioxidmaterial auf der Grundlage gut etablierter Abscheidetechniken, etwa subatmosphärische CVD, plasmaunterstützter CVD mit hochdichtem Plasma und dergleichen aufgebracht werden, wodurch die Zwischenräume selbst bei sehr anspruchsvollen Bauteilgeometrien zuverlässig gefüllt werden. Bei Bedarf kann das Füllmaterial 121 eingeebnet werden, beispielsweise durch CMP und dergleichen, um eine im Wesentlichen ebene Oberfläche zu schaffen, die zu besseren Bedingungen für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 führt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Füllmaterial 121 in Form eines zugverspannten dielektrischen Materials bereitgestellt, was bewerkstelligt werden kann, indem ein Siliziumdioxidmaterial abgeschieden und dieses behandelt wird, um eine Zugverspannung zu erreichen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die dielektrische Schicht 120 mit einer beliebigen geeigneten Materialzusammensetzung und mit einem gewünschten inneren Verspannungspegel, etwa einem Zugverspannungspegel oder einem im Wesentlichen neutralen Verspannungspegel vorgesehen, wohingegen die gewünschte Zugverspannung durch das Füllmaterial 121 geschaffen wird. Beispielsweise wird die Schicht 120 in Form eines sehr effizienten Ätzstoppmaterials bereitgestellt, das in zuverlässiger Weise das Bauelement 100 während der weiteren Bearbeitung schützen kann, etwa während des Entfernens des Füllmaterials 121 und während des Abscheidens und Strukturierens weiterer verspannungsinduzierender dielektrischer Materialien über den Transistoren 150a, 150b.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Abtragungsprozesses 103, etwa einem CMP-Prozess, einem Ätzprozess oder einer Kombination davon, während welchem eine obere Fläche 151f des Platzhaltermaterials 151p in den Gateelektrodenstrukturen 151 freigelegt wird. Z. B. wird der Abtragungsprozess 103 in Form eines CMP-Prozesses zum Einebnen des Füllmaterials 121 vorgenommen, wobei ein selektives CMP-Rezept so angewendet wird, dass dieses auf der Schicht 120 anhält. Daraufhin wird ein nicht-selektives CMP-Rezept eingesetzt, um gemeinsam Bereiche der Materialschichten 121 und 120 zu entfernen, wodurch die Oberfläche 151 freigelegt wird. Es sollte beachtet werden, dass andere Techniken verwendet werden können, beispielsweise den Ätzprozess, möglicherweise in Verbindung mit einem CMP-Prozesse, wobei dies von der ausgewählten Prozessstrategie abhängt. Des weiteren kann bei Bedarf der Abtragungsprozess 103 einen selektiven Ätzprozess beinhalten, um das Füllmaterial 121 abzutragen, wenn dessen Anwesenheit für die weitere Bearbeitung als ungeeignet erachtet wird. In anderen Fällen wird das Füllmaterial 121 beibehalten, um damit bessere Prozessbedingungen während der weiteren Bearbeitung zu schaffen, d. h. beim Abtragen des Platzhaltermaterials 151p und beim nachfolgenden Abscheiden eines oder mehrerer Elektrodenmaterialien, wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es der Einwirkung einer Ätzumgebung 104 ausgesetzt ist, die auf der Grundlage geeigneter Prozessbedingungen angewendet wird, um das Platzhaltermaterial 151p (siehe 1c) selektiv zu der Abstandshalterstruktur 151s, der dielektrischen Schicht 120 und dem Füllmaterial 121, wenn dies noch vorhanden ist, abzutragen. Zu diesem Zweck können geeignete Ätzrezepte eingesetzt werden, etwa nasschemische Ätzrezepte zum Entfernen von Siliziummaterial selektiv in Bezug auf Siliziumnitrid und siliziumdioxidbasierten Materialien, was auf der Grundlage von TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) bewerkstelligt werden kann, das eine hohe Ätzrate für Siliziummaterial bei einer hohen Selektivität in Bezug auf Siliziumnitrid und Siliziumdioxid und auch zu anderen Materialien, etwa Titannitrid, und dergleichen aufweist. In anderen Fällen wird eine andere Hydroxidlösung angewendet, um in effizienter Weise ein Siliziummaterial selektiv in Bezug auf Siliziumnitrid und Siliziumdioxid abzutragen. Es können auch plasmaunterstützte Ätzrezepte angewendet werden, da sehr selektive Rezepte für das Entfernen von Silizium selektiv zu Siliziumdioxid und dergleichen verfügbar sind. Während des Ätzprozesses 104 wird folglich eine Öffnung 151o in den Gateelektrodenstrukturen 151 geschaffen, wobei die Öffnung 151o sich bis hinab zu der Gateisolationsschicht 151g, möglicherweise in Verbindung mit einem leitenden Deckmaterial, erstreckt, wenn das dielektrische Material mit großem ε in einer früheren Fertigungsphase beim Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen 151 vorgesehen wurde. In anderen Fällen wird auch die Gateisolationsschicht 151g, oder zumindest ein Teil davon, ebenfalls während der Prozesssequenz 104 entfernt, wenn ein dielektrisches Material mit großem ε in einer nachfolgenden Fertigungsphase abzuscheiden ist.
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Beim Erzeugen der Öffnung 151o beeinflusst die Zugverspannungskomponente in der Schicht 120 und/oder in dem Füllmaterial 121, wenn dieses noch vorhanden ist, wesentlich die Querschnittsform der Gateelektrodenstruktur 151, wodurch eine oben breitere Querschnittsform erreicht wird, was so zu verstehen ist, dass zumindest in einer Längsrichtung, d. h. in 1d in der horizontalen Richtung, eine größere laterale Abmessung 151t an der Oberseite der Öffnung 151o erhalten wird. D. h., die mechanische Wirkung der Zugverspannungskomponente führt zu einer wesentlich ausgeprägteren Reaktion auf die verbleibende Gateelektrodenstruktur 151 im Vergleich zur Unterseite der Öffnung 151o, in der die anfängliche Gateelektrodenlänge 151l im Wesentlichen beibehalten wird auf Grund der Haftung zu den darunter liegenden aktiven Gebieten 102a, 102b.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Gateelektrodenstruktur 151a in dem Transistor 150a gebildet und enthält ein oder mehrere geeignete Elektrodenmaterialien 151e, um die gewünschte Austrittsarbeit und somit Schwellwertspannung des Transistors 150a in Verbindung mit einer hohen kapazitiven Kopplung auf der Basis der Gateisolationsschicht 151g zu erhalten, die ein dielektrisches Material mit großem ε aufweisen kann, wie dies zuvor erläutert ist. In ähnlicher Weise enthält der Transistor 150b eine Gateelektrodenstruktur 151b mit einem oder mehreren Elektrodenmaterialien 151b, um die erforderliche Austrittsarbeit und somit Schwellwertspannung für den Transistor 150b zu schaffen. Zu beachten ist, dass die Gateelektrodenstrukturen 151a, 151b ein dielektrisches Material mit großem ε benachbart zu oder innerhalb der Elektrodenmaterialien 151e abhängig von der gesamten Prozessstrategie aufweisen können, beispielsweise wenn ein dielektrisches Material mit großem ε in dieser Fertigungsphase vorzusehen ist. Ferner können leitende Barrierenmaterialien oder Ätzstoppmaterialien zum Bereitstellen unterschiedlicher Arten von Metallsorten in den Gateelektrodenstrukturen 151a, 151g erforderlich sein, wobei dies von der ausgewählten Prozessstrategie abhängt. Der Einfachheit halber sind derartige Details in 1e nicht gezeigt.
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Die Gateelektrodenstrukturen 151a, 151b können auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden, wobei in jedem Falle die verbreitende Konfiguration der Öffnung 151o (siehe 1d) für bessere Abscheidebedingungen zur Herstellung einer beliebigen Art an Materialschicht, etwa eines dielektrischen Materials mit großem ε von Ätzstopp- oder Barrierenschichten und insbesondere zum Einfüllen eines geeigneten Metallmaterials sorgt. Beispielsweise wird ein oder werden mehrere Materialien zuerst abgeschieden, um die gewünschte Austrittsarbeit für die Gateelektrodenstruktur 151a einzurichten, wobei eine entsprechendes Ätzstoppmaterial strukturiert wird, um ein effizientes Entfernen dieser Materialien von der Gateelektrodenstruktur 151b zu ermöglichen, die nachfolgend eine geeignete Metallsorte zum Einstellen der gewünschten Gateeigenschaften erhält. Bei Bedarf wird ein weiteres Metallmaterial aufgebracht. Während der diversen Abscheide- und auch Abtragungsprozesse führt folglich die zuvor geschaffene bessere verbreiternde Konfiguration zu einer besseren Prozessgleichmäßigkeit und damit Zuverlässigkeit bei der Einstellung der gewünschten Transistoreigenschaften. Überschüssige Materialien, die zuvor aufgebracht wurden, können effizient entfernt werden, beispielsweise durch CMP, wenn das Füllmaterial 121 noch vorhanden ist, während in anderen Fällen geeignete Maskierungsschemata und Ätzstrategien angewendet werden. Folglich repräsentieren die Gateelektrodenstrukturen 151a, 151b komplexe metallenthaltende Gatestrukturen mit einem dielektrischen Material mit großem ε, was in der Gateisolationsschicht 151g vorgesehen sein kann, wobei die Elektrodenmaterialien 151e, 151d eine weiter werdende Querschnittstruktur gemäß den unterschiedlichen Längenabmessungen 151d an der Oberseite und 151l an der Unterseite der Gateelektrodenstrukturen 151a, 151b aufweisen. Somit repräsentiert die Länge 151l die eigentliche Gatelänge und entspricht im Wesentlichen der gewünschten Entwurfsgatelänge. Ferner erzeugen das Material 120 und/oder das Material 121 eine gewünschte Zugverformungskomponente 152t in dem Kanalgebiet 152 der Transistoren 150a, 150b.
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1f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100, wobei eine weitere dielektrische Schicht 130 über den Transistoren 150a, 150b mit einem gewünschten hohen kompressiven Verspannungspegel gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform ist die dielektrische Schicht 130 über dem Material 120 gebildet, nachdem das Füllmaterial 121 (siehe 1e) entfernt wurde, während in anderen Fällen (nicht gezeigt) die Schicht 130 auf der Grundlage der Bauteilstruktur vorgesehen wird, wie sie in 1e gezeigt ist, d. h. die Schicht 130 wird über dem Füllmaterial 121 gebildet. Wie zuvor erläutert ist, können siliziumnitridbasierte Materialien, etwa stickstoffenthaltende Siliziumkarbidmaterialien und dergleichen mit einer hohen inneren kompressiven Verspannung hergestellt werden, die somit den Verspannungspegel der Schicht 120 kompensieren oder sogar überkompensieren kann, etwa im Transistor 150b, wohingegen in dem Transistor 150a der Verspannungspegel modifiziert wird, wie dies nachfolgend detaillierter erläutert ist, während in anderen Fällen das Material 130 selektiv von dem Transistor 150a entfernt wird. Folglich wird eine effiziente Verformungseinstellung für beide Transistoren 150a, 150b auf der Grundlage der Materialien 120 und 130 erreicht, ohne dass der Prozess zur Herstellung der Austauschgatestrukturen 151a, 151b unnötig beeinflusst wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) repräsentiert die Schicht 120 ein im Wesentlichen verspannungsneutrales Material, wie dies auch zuvor erläutert ist, und der Verformungsmechanismus wird auf der Grundlage des Materials 130 in Verbindung einem weiteren verspannungsinduzierenden Material eingerichtet, wodurch ein Doppelverspannungsschichtenverfahren bereitgestellt wird, was auf der Grundlage des Materials 120, das als ein effizientes Ätzstoppmaterial dient, ausgeführt wird. Andererseits wurde die gewünschte günstigere Form der Elektrodenstrukturen 151a, 151b auf der Grundlage des Füllmaterials 121 ggf. erreicht (siehe 1e), das somit eine gewünschte Zugverspannung erzeugen kann.
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1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine Maske 105, etwa eine Lackmaske, vorgesehen ist, um die Schicht 130 über dem Transistor 150b abzudecken, während ein Bereich 130a der Schicht 130 über dem Transistor 150a frei liegt. Das Bauelement 100 unterliegt ferner einen Verspannungsrelaxationsprozess 106, der etwa als ein Ionenimplantationsprozess ausgeführt wird, wodurch der innere Verspannungspegel des Bereichs 120a deutlich verringert wird. Beispielsweise basiert der Prozess 106 auf einen Ionenbeschuss unter Anwendung einer Substanz, etwa Xenon, Germanium und dergleichen, die zu einer deutlichen Modifizierung der Molekularstruktur führt und damit eine Relaxation der anfänglichen inneren Verspannung ergibt. Folglich liefert die Schicht 120 weiterhin eine gewünschte Zugverformungskomponente im Transistor 150a, während die Schicht 130, die über dem Transistor 150b gebildet ist, die Zugverspannungskomponente der Schicht 120 kompensieren oder überkompensieren kann. Danach können bei Bedarf weitere verformungsinduzierende dielektrische Materialien abgeschieden werden, wenn dies als vorteilhaft erachtet wird.
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1h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Wirkung der Schicht 120 auf dem Transistor 150b reduziert wird. Zu diesem Zweck wird eine Maske 107, etwa eine Lackmaske oder ein anderes geeignetes Maskenmaterial vorgesehen, um den Transistor 150a abzudecken, während der Transistor 150b frei liegt. Auf der Grundlage der Maske 107 wird in einigen Ausführungsformen ein Prozess 108 angewendet, um den inneren Verspannungspegel der Schicht 120 selektiv zu reduzieren oder zu relaxieren, indem beispielsweise ein Ionenbeschuss und dergleichen angewendet wird. Folglich kann beim Bereitstellen eines weiteren verspannungsinduzierenden dielektrischen Materials, etwa der Schicht 130 (siehe 1g), ein sehr effizienter verformungsinduzierender Mechanismus im Transistor 150b auf Grund der Verspannungsrelaxation in dem freiliegenden Bereich der Schicht 120 eingerichtet werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Prozess 108 einen Ätzprozess zum selektiven Entfernen des freiliegenden Bereichs der Schicht 120, was beispielsweise auf der Grundlage einer Ätzstoppschicht 122 bewerkstelligt werden kann, etwa in Form eines Siliziumdioxidmaterials und dergleichen, wodurch eine bessere Prozesssteuerung des Ätzprozesses 108 erreicht werden kann. Folglich kann nach dem Entfernen des freiliegenden Bereichs der Schicht 120 selektiv von dem Transistor 150b ein kompressiv verspanntes dielektrisches Material, etwa die Schicht 120 (siehe 1g) aufgebracht werden, um damit in engem Kontakt mit dem Transistor 150b zu sein. Bei Bedarf kann dieses zusätzliche kompressiv verspannte dielektrische Material selektiv über dem Transistor 150a relaxiert werden, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu der Schicht 130 beschrieben ist, während in anderen Fällen dieser Bereich abgetragen wird, etwa durch Vorsehen eines Ätzstoppmaterials vor dem Abscheiden des kompressiv verspannten Materials und/oder durch Ausführen eines zeitgesteuerten Ätzprozesses. Folglich kann auch in diesem Falle ein effizientes Doppelverspannungsschichtenverfahren für eine effiziente Verformungsstrukturierung für die Transistoren 150a, 150b bereitgestellt werden.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen die Abscheidebedingungen beim Ersetzen eines Platzhaltermaterials komplexer Gateelektrodenstrukturen verbessert wird, indem eine im Wesentlichen kontinuierlich sich verbreiternde Konfiguration einer Öffnung erzeugt wird, die nach dem Entfernen des Platzhaltermaterials geschaffen wird. Zu diesem Zweck wird ein zugverspanntes dielektrisches Material lateral benachbart zu der Gateelektrodenstruktur bereitgestellt, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen auch zum Erzeugen einer Zugverformungskomponente in einer Art an Transistor, etwa in n-Kanaltransistoren, verwendet wird. Andererseits kann der Verformungspegel in anderen Transistoren, etwa P-Kanaltransistoren, auf der Grundlage eines kompressiv verspannten dielektrischen Materials eingestellt werden, das somit nach dem Wiederauffüllen der Gateelektrodenstrukturen mit einem geeigneten Metallmaterial aufgebracht wird. Folglich werden durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten in komplexen Austauschgateverfahren reduziert oder im Wesentlichen vermieden, wobei dennoch für einen effizienten verformungsinduzierenden Mechanismus für Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeitsart gesorgt wird.
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Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Prinzipien vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der vorliegenden Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
