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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet der Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere elektronische Sicherungen in komplexen integrierten Schaltungen, die Metallgateelektrodenstrukturen aufweisen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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In modernen integrierten Schaltungen wird eine sehr große Anzahl individueller Schaltungselemente, etwa Feldeffekttransistoren in Form von CMOS-, NMOS-, PMOS-Elementen, Widerständen, Kondensatoren und dergleichen auf einer einzelnen Chipfläche hergestellt. Typischerweise werden die Strukturgrößen dieser Schaltungselemente bei der Einführung jeder neuen Schaltungsgeneration verringert, um damit aktuelle verfügbare integrierte Schaltungen mit hohem Leistungsvermögen im Hinblick auf Geschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme bereitzustellen. Eine Verringerung der Größe von Transistoren ist ein wichtiger Aspekt beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPU's. Die Verringerung der Größe führt üblicherweise zu einer erhöhten Schaltgeschwindigkeit, wodurch die Signalverarbeitung verbessert wird.
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Zusätzlich zu der großen Anzahl an Transistorelementen ist eine Vielzahl an passiven Schaltungselementen, etwa an Kondensatoren und Widerständen, typischerweise in integrierten Schaltungen herzustellen, wie dies für den grundlegenden Schaltungsaufbau erforderlich ist. Auf Grund der geringeren Abmessungen der Schaltungselemente wird nicht nur das Leistungsverhalten der einzelnen Transistorelemente verbessert, sondern auch die Packungsdichte steigt deutlich an, wodurch die Möglichkeit geschaffen wird, immer mehr Funktionen in eine vorgegebene Chipfläche zu integrieren. Aus diesem Grunde wurden sehr komplexe Schaltungen entwickelt, die unterschiedliche Schaltungsarten aufweisen können, etwa Analogschaltungen, Digitalschaltungen und dergleichen, wodurch vollständige Systeme auf einem einzelnen Chip (SOC) bereitgestellt werden.
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Obwohl Transistorelemente die dominierenden Schaltungselemente in sehr komplexen integrierten Schaltungen sind und im Wesentlichen das Gesamtverhalten dieser Bauelemente bestimmen, sind andere Komponenten, etwa Kondensatoren, Widerstände und elektronische Sicherungen erforderlich, wobei die Größe dieser passiven Schaltungselemente ebenfalls im Hinblick auf die Skalierung der Transistorelemente anzupassen ist, um nicht in unerwünschter Weise wertvolle Chipfläche zu verschwenden. Die passiven Schaltungselemente, etwa die Widerstände, müssen ggf. mit hoher Genauigkeit bereitgestellt werden, um die eng gesetzten Grenzen entsprechend dem grundlegenden Schaltungsaufbau einzuhalten. Beispielsweise besitzen selbst im Wesentlichen in digitalen Schaltungsentwürfen entsprechende Widerstandswerte eng vorgegebene Toleranzbereiche, um nicht in unerwünschter Weise zu Betriebsschwankungen und/oder zu einer größeren Signalausbreitungsverzögerung beizutragen.
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In ähnlicher Weise werden elektronische Sicherungen in komplexen integrierten Schaltungen als zusätzliche Mechanismen verwendet, um es der Schaltung selbst zu ermöglichen, das Leistungsverhalten gewisser Schaltungsbereiche so anzupassen, dass diese den Leistungsverhalten anderer Schaltungsbereiche entsprechen, beispielsweise nach Abschluss des Fertigungsprozesses und/oder während der Verwendung des Halbleiterbauelements, wenn etwa gewisse kritische Schaltungsbereiche nicht mehr den entsprechenden Leistungskriterien entsprechen, wodurch eine Anpassung gewisser Schaltungsbereiche erforderlich sein kann, etwa das erneute Einstellen einer inneren Versorgungsspannung, wodurch die gesamte Geschwindigkeit der Schaltung und dergleichen neu eingestellt wird.
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Zu diesem Zweck werden sogenannte elektronische Sicherungen oder E-Sicherungen in den Halbleiterbauelementen vorgesehen, die elektronische Schalter repräsentieren, die einmal aktiviert werden, um damit eine gewünschte Schaltungsanpassung zu erreichen. Somit werden die elektronischen Sicherungen so betrachtet, dass sie einen hochohmigen Zustand besitzen, der typischerweise auch einen „programmierten” Zustand repräsentiert, und diese besitzen auch einen Zustand mit geringer Impedanz, der typischerweise einen nicht-programmierten Zustand der elektronischen Sicherung darstellt. Da die elektronischen Sicherungen einen wesentlichen Einfluss auf das gesamte Verhalten der integrierten Schaltung ausüben, muss eine zuverlässige Erkennung des nicht-programmierten und des programmierten Zustands sichergestellt sein, das auf der Grundlage geeignet gestalteter Logikschaltungen erfolgt. Da typischerweise diese elektronischen Sicherungen nur ein einziges Mal in der Lebensdauer des betrachteten Halbleiterbauelements aktiviert werden, muss ein entsprechender Programmiervorgang sicherstellen, dass ein gewünschter programmierter Zustand der elektronischen Sicherung zuverlässig erzeugt wird, um damit für gut definierte Bedingungen für die weitere Lebensdauer des Bauelements zu sorgen. Die Programmierung einer Sicherung beinhaltet typischerweise das Anlegen eines Spannungspulses, der wiederum einen Strompuls mit ausreichender Stromdichte hervorruft, um damit eine permanente Modifizierung eines speziellen Bereichs der Sicherung hervorzurufen. Daher muss das elektronische Verhalten der Sicherung und der entsprechenden Leiter zum Zuführen des Stromes und der Spannung zu der Sicherung genauer definiert sein, um einen zuverlässigen programmierten Zustand der Sicherung zu erreichen. Zu diesem Zweck wird für gewöhnlich Polysilizium für den Körper der Sicherung verwendet, beispielsweise in Verbindung mit einem Metallsilizid, in welchem Elektromigrationswirkungen in Verbindung mit anderen Effekten, die durch den Strompuls hervorgerufen werden, dann zu einer permanenten Erzeugung eines hochohmigen Zustands des Sicherungskörpers führen.
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Das ständige Streben zur Verringerung der Strukturgrößen in komplexen integrierten Schaltungen führte zu einer Gatelänge von Feldeffekttransistoren von ungefähr 50 nm und weniger. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte „pn-Übergänge”, die durch eine Grenzfläche dotierter Gebiete, die als „Drain”- und „Source”-Gebiete bezeichnet werden, mit einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet, das als „Kanalgebiet” bezeichnet wird, gebildet sind, das wiederum 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 ausgebildet 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. Gegenwärtig beruhen die meisten komplexen integrierten Schaltungen auf Silizium auf Grund der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit, den gut verstandenen Eigenschaften des Siliziums und zugehöriger 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 wichtige Rolle des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolierung unterschiedlicher Gebiete ermöglicht. Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglich damit das Ausführen von Hochtemperaturprozessen, wie sie typischerweise in Ausheizprozessen erforderlich sind, um Dotierstoffe zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen, ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen. Folglich wurde Siliziumdioxid vorzugsweise als eine Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Bei der stetigen Größenreduzierung von Bauelementen erfordert jedoch die Verringerung der Kanallänge eine entsprechende Anpassung oder Dicke der Siliziumdioxid-Gatedielektrikumsschicht, um das sogenannte „Kurzkanalverhalten” im Wesentlichen zu vermeiden, auf Grund dessen eine Variabilität in der Kanallänge im Wesentlichen Einfluss auf die resultierende Schwellwertspannung des Transistors ausübt. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit einer geringen Schwellwertspannung weisen daher eine deutliche Zunahme des Leckstromes auf, der durch die geringere Dicke einer Siliziumdioxidgatedielektrikumsschicht hervorgerufen wird. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum auf Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm, um damit die erforderliche kapazitive Kopplung zwischen der Gateelektrode und dem Kanalgebiet aufrecht zu erhalten. Obwohl Transistorelement mit hoher Geschwindigkeit, die einen extrem kurzen Kanal besitzen, im Allgemeinen vorzugsweise in Hochgeschwindigkeitssignalpfaden eingesetzt werden, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger kritische Signale eingesetzt werden, erreichen die relativ hohen Leckströme, die durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch das sehr dünne Siliziumdioxidgatedielektrikum der Hochgeschwindigkeitstransistorelemente hervorgerufen werden, Werte bei einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit den thermischen Entwurfsleistungserfordernissen für viele Arten komplexer integrierter Schaltungssysteme verträglich sind.
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Aus diesem Grunde wurde das Ersetzen von Siliziumdioxid als Material für Gateisolastionsschichten insbesondere in sehr anspruchsvollen Anwendungen in Betracht gezogen. Mögliche alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalisch größere Dicke einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung bewirkt, die mittels einer extrem dünnen 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 wird das Transistorverhalten verbessert, indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird, um damit das für gewöhnlicher Weise verwendete Polysiliziummaterial zu ersetzen, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche, die zwischen dem Gatedielektrikumsmaterial und dem Polysiliziummaterial angeordnet ist, zeigt, wodurch die wirksame Kapazität zwischen dem Kanalgebiet und der Gateelektrode zwischen des Transistorbetriebs verringert wird. Es wurde daher ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine erhöhte Kapazität sorgt, während zugleich Leckströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Da das nicht-Polysiliziummaterial, etwa Titannitrid und dergleichen so hergestellt wird, dass es direkt in Kontakt mit dem Gatedielektrikumsmaterial ist, kann die Anwesenheit einer Verarmungszone somit vermieden werden, wobei gleichzeitig eine moderat hohe Leitfähigkeit erreicht wird.
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Es ist gut bekannt, dass die Schwellwertspannung des Transistors von der gesamten Transistorstruktur, von einem komplexen lateralen und vertikalen Dotierstoffprofil der Drain- und Sourcegebiete und dem entsprechenden Aufbau der pn-Übergänge und auch von der Austrittsarbeit des Gateelektrodenmaterials abhängt. Folglich muss zusätzlich zum Bereitstellen der gewünschten Dotierstoffprofile die Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gateelektrodenmaterials ebenfalls in geeigneter Weise im Hinblick auf die Leitfähigkeitsarbeit des betrachteten Transistors eingestellt werden. Zu diesem Zweck werden typischerweise metallenthaltende Elektrodenmaterialien für n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren verwendet, die gemäß gut etablierter Fertigungsstrategien in einem sehr fortgeschrittenem Fertigungsstadium bereitgestellt werden. D. h., in diesen Vorgehensweisen wird das dielektrische Material mit großem ε in Verbindung mit einer geeigneten metallenthaltenden Deckschicht, etwa Titannitrid und dergleichen aufgebracht, woran sich das Abscheiden eines Polysiliziummaterials in Verbindung mit anderen Materialien bei Bedarf anschließt, die dann strukturiert werden, um eine Gateelektrodenstruktur herzustellen. Gleichzeitig werden entsprechende Widerstände strukturiert, wie dies zuvor beschrieben ist. Daraufhin wird die grundlegende Transistorstruktur fertig gestellt, in dem Drain- und Sourcegebiete hergestellt werden, in dem Ausheizprozesse ausgeführt werden, und in dem schließlich die Transistoren in ein dielektrisches Material eingebettet werden. Daraufhin wird eine geeignete Ätzsequenz ausgeführt, in der die obere Fläche der Gateelektrodenstrukturen und aller Widerstandsstrukturen, etwa von Sicherungen freigelegt werden und in denen das Polysiliziummaterial entfernt wird. Nachfolgend werden auf der Grundlage eines geeigneten Maskierungsschemas geeignete metallenthaltende Elektrodenmaterialien in die Gateelektrodenstrukturen von n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren eingefüllt, um eine verbesserte Gatestruktur zu erhalten, die ein Gateisolationsmaterial mit großem ε in Verbindung mit einem metallenthaltenden Gateelektrodenmaterial aufweist, das für eine geeignete Austrittsarbeit für n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren sorgt. Gleichzeitig erhalten auch die Widerstandsstrukturen, etwa die Sicherungen, ebenfalls das metallenthaltende Elektrodenmaterial. Auf Grund der besseren Leitfähigkeit des metallenhaltenden Elektrodenmaterials weisen die elektronischen Eigenschaften, etwa der spezifische Widerstand, das Elektromigrationsverhalten und dergleichen der Sicherungen ebenfalls einen geringeren Wert auf, wodurch eine Verringerung der Linienbreiten dieser Strukturen und/oder eine Vergrößerung der Gesamtlänge dieser Strukturen erforderlich ist. Während die zuerst genannte Maßnahme zu Strukturierungsproblemen führt, da extrem kleine Linienbreiten erforderlich sind, kann der zuletzt genannte Aspekt zu einem erhöhten Verbrauch an wertvoller Chipfläche führen.
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Des weiteren kann die Umgestaltung der Sicherungen in Form von Metallsicherungen zusätzlich zu den oben angegebenen Entwurfsmaßnahmen auch weitere Materialien notwendig machen, da typischerweise die Programmierung der Sicherungen mit moderat hohen Temperaturen in lokaler beschränkter Weise verknüpft ist, wobei diese Temperaturen durch die hohen Strompulse hervorgerufen werden. Für eine Sicherung, die mit einer kupferbasierten Metallisierung verbunden ist, erfordert die größere lokale Wärmeerzeugung zusätzliche Maßnahmen, um der höheren Diffusionsaktivität der Kupferatome entgegen zu wirken. Aus diesem Grunde wird konventioneller Weise eine zusätzliche Barrierenschicht zwischen dem Sicherungskörper, der in der Bauteilebene angeordnet ist, und der kupferbasierten Metallisierung vorgesehen, so dass das gut etablierte dielektrische Zwischenschichtmaterialsystem, in welchem die Kontakte zur Anbindung der Transistoren und Sicherungen hergestellt sind, modifiziert werden muss, um damit die erforderlichen besseren Kupferblockiereigenschaften bereitzustellen, wodurch zu einer höheren Komplexität zusätzlich zu der erforderlichen Umgestaltung der Sicherungen im Vergleich zu gut etablierten polysiliziumbasierten Sicherungen beigetragen wird.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, in denen Sicherungen zusammen mit komplexen Gateelektrodenstrukturen hergestellt werden, während eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, wobei elektronische Sicherungen auf der Grundlage geeigneter Halbleitermaterialien, etwa mittels Siliziummaterial, einem Silizium/Germanium-Material und dergleichen, hergestellt werden, während komplexe Metallgateelektrodenstrukturen zumindest für einige Transistorelemente bereitgestellt werden. Zu diesem Zweck werden die Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage eines gewünschten Halbleitermaterials vorgesehen, das für die elektronischen Sicherungen geeignet ist, wobei das Halbleitermaterial durch eine oder mehrere metallenthaltende Elektrodenmaterialien in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase gemäß geeigneter Austauschgatelösungen ersetzt wird. Andererseits wird das Halbleitermaterial in den elektronischen Sicherungen im Wesentlichen beibehalten, was bewerkstelligt werden kann, indem die Ätzeigenschaften des Halbleitermaterials zumindest an einer Oberfläche davon selektiv in den elektronischen Sicherungen modifiziert werden, bevor ein nasschemischer Ätzprozess zum Entfernen des Halbleitermaterials selektiv in den Gateelektrodenstrukturen ausgeführt wird. Die Erhöhung des Ätzwiderstandes kann bewerkstelligt werden mittels eines Ionenbeschusses zur Anwendung einer elektrisch inerten Stoffsorte, etwa von Xenon, was als eine Atomsorte verstanden wird, die im Wesentlichen die elektronischen Eigenschaften des Halbleiterbasismaterials nicht ändert, während gleichzeitig eine ausgeprägte Verringerung der Abtragsrate während des selektiven nasschemischen Ätzprozesses hervorgerufen wird. In anderen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird das Ätzverhalten des Halbleitermaterials effizient mittels eines Elektronenbeschusses modifiziert, der in einigen anschaulichen Ausführungsformen in einer lokal sehr selektiven Weise angewendet wird, wodurch die Notwendigkeit zur Bereitstellung einer Maskenschicht zum Beschränken des Elektronenstrahls der Bauteilgebiete mit den elektronischen Sicherungen vermieden wird.
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Folglich können Austauschgateverfahren effizient angewendet werden, um damit komplexe Metallgatestapel mit großem ε zu schaffen, während gleichzeitig gut etablierte halbleiterbasierte elektronische Sicherungen hergestellt werden, wodurch wesentliche Umgestaltungen von elektronischen Sicherungsstrukturen und insbesondere das Bereitstellen zusätzlicher Materialsysteme, etwa zusätzlicher Diffusionsbarrierenmaterialien, vermieden wird, die häufig in Metallsicherungen in Verbindung mit einer Kupfermetallisierung in konventionellen Strategien eingesetzt werden.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein Transistorelement mit einer Gateelektrodenstruktur, die wiederum ein Gatedielektrikumsmaterial mit großem ε und ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial, das über dem Gatedielektrikumsmaterial mit großem ε gebildet ist, aufweist. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement eine elektronische Sicherung mit einem Halbleitermaterial, das einen oberen Bereich und einen unteren Bereich aufweist, wobei der obere Bereich im Vergleich zu den unteren Bereich einen erhöhten Ätzwiderstand besitzt.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Herstellung einer elektronischen Sicherung eines Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst das Bilden eines Schichtstapels über einem ersten Bauteilgebiet und einem zweiten Bauteilgebiet des Halbleiterbauelements, wobei der Schichtstapel ein dielektrisches Material mit großem ε und ein Halbleitermaterial aufweist. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden einer Austauschgateelektrodenstruktur über dem ersten Bauteilgebiet und eines Sicherungskörpers einer elektronischen Sicherung aus dem Schichtstapel. Ferner wird ein Ätzwiderstand des Halbleitermaterials selektiv in dem Sicherungskörper vergrößert. Das Verfahren umfasst ferner das Ausführen eines nasschemischen Ätzprozesses, um das Halbleitermaterial selektiv in der Austauschgateelektrodenstruktur zu entfernen, während das Halbleitermaterial mit dem erhöhten Ätzwiderstand in dem Sicherungskörper im Wesentlichen beibehalten wird.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Austauschgateelektrodenstruktur über einem ersten Bauteilgebiet und einer elektronischen Sicherung über einem zweiten Bauteilgebiet, wobei die Austauschgateelektrodenstruktur und die elektronische Sicherung ein Halbleitermaterial aufweisen. Ferner umfasst das Verfahren das Freilegen einer Oberfläche des Halbleitermaterials der Austauschgateelektrodenstruktur und der elektronischen Sicherung. Weiterhin wird die Oberfläche des Halbleitermaterials einem Elektronenbeschuss selektiv in dem zweiten Bauteilgebiet ausgesetzt. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen des Halbleitermaterials selektiv von der Austauschgateelektrodenstruktur, während das Halbleitermaterial in der elektronischen Sicherung im Wesentlichen beibehalten wird. Ferner umfasst das Verfahren das Bilden eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials in der Austauschgateelektrodenstruktur.
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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 1d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Metallgateelektrodenstruktur und einer halbleiterbasierten elektronischen Sicherung zeigen, indem der Ätzwiderstand des Halbleitermaterials selektiv in der elektronischen Sicherung in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase auf der Grundlage eines Implantationsprozesses gemäß anschaulicher Ausführungsformen erhöht wird;
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1e schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, wobei der Ätzwiderstand des Halbleitermaterials selektiv in der elektronischen Sicherung auf der Grundlage eines Elektronenbeschusses gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen erhöht wird;
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1f bis 1h schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements in weiter fortgeschrittenen Fertigungsphasen zeigen, in denen ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial in der Elektrodenstruktur gemäß anschaulicher Ausführungsformen vorgesehen wird.
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1i und 1j schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen, in denen der Ätzwiderstand in einer frühen Fertigungsphase selektiv eingestellt wird;
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1k schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase zeigt, in der Transistor und eine elektronische Sicherung mit einem Metallisierungssystem gemäß anschaulicher Ausführungsformen verbunden sind.
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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 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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Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien werden Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereitgestellt, in denen elektronische Sicherungen auf der Grundlage eines Halbleitermaterials, etwa mittels Polysilizium und dergleichen, hergestellt werden, während komplexe metallenthaltende Gateelektrodenstrukturen von Transistoren gemäß aufwendiger Austauschgatelösungen bereitgestellt werden. Das Halbleitermaterial in der elektronischen Sicherung wird im Wesentlichen beibehalten, indem der Ätzwiderstand des Halbleitermaterials selektiv vergrößert wird, das somit eine deutlich geringere Abtragsrate während eines nasschemischen Ätzprozesses aufweist, der zum effizienten Entfernen des Halbleitermaterials aus den Austauschgateelektrodenstrukturen angewendet wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl an selektiven nasschemischen Ätzchemien verfügbar, die eine hohe Empfindlichkeit im Hinblick auf eine Modifizierung der Molekularstruktur und/oder der Anwesenheit anderer Atomsorten besitzen, das eine Abtragsrate effizient auf der Grundlage eines oder mehrerer dieser Mechanismen gesteuert werden kann. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) als eine effiziente nasschemische Ätzchemie eingesetzt, die eigentlich eine Chemikalie repräsentiert, die Lackmaterialien effizient ätzt, die jedoch auch in höheren Konzentration bei höheren Temperaturen verwendet werden kann, um Siliziummaterial mit einem hohen Grad an Selektivität in Bezug auf Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen zu ätzen. Ferner übt die Anwesenheit anderer Atomsorten, etwa von Dotierstoffen und elektrisch inerten Atomsorten einen wesentlichen Einfluss auf die tatsächliche Ätzrate aus, wobei auch eine ausgeprägte Abhängigkeit für eine Störung der Molekularstruktur zu einer reduzierten Ätzrate führt. Beispielsweise können Atomsorten, etwa Xenon, effizient in einen oberen Teil des Halbleitermaterials mit einer Konzentration eingebaut werden, die effizient auf der Grundlage von Implantationsprozessen erreicht wird. Auf diese Weise kann dem siliziumbasierten Halbleitermaterial ein deutlich erhöhter Ätzwiderstand auf der Grundlage von Implantationstechniken verliehen werden, wobei geeignete Prozessparameter effizient ausgewählt werden können, um damit Dosis und Eindringtiefe der Implantationssorte an die betrachtete Bauteilkonfiguration anzupassen. D. h. die Implantationssorte kann während einer beliebigen geeigneten Phase des gesamten Prozessablaufs eingebaut werden, wobei die Implantationsenergie effizient auf die Anwesenheit anderer Materialien, etwa dielektrische Deckmaterialien und dergleichen, angepasst werden kann, die über dem Halbleitermaterial, dessen wirksame Ätzwiderstandsfähigkeit zu erhöhen ist, angeordnet sind. Des weiteren kann ein Einfluss des Implantationsprozesses selektiv vermieden werden, indem eine Implantationsmaske, etwa eine Lackmaske, vorgesehen wird, so dass ein hoher Grad an Flexibilität im Hinblick auf das Erzeugen des gewünschten selektiven Ätzverhaltens eines Halbleitermaterials mit unterschiedlichen Eigenschaften in den Austauschgateelektrodenstrukturen und den elektronischen Sicherungen erreicht wird.
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In anderen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen wird eine ausgeprägte Modifizierung des Ätzverhaltens eines Halbleitermaterials durch einen selektiven Elektronenbeschuss erreicht, was bewerkstelligt werden kann mittels einer geeigneten Elektronenquelle, etwa Elektronenmikroskopen, wie sie typischerweise in Halbleiterproduktionsstätten und dergleichen verfügbar sind. Durch Verwendung derartiger Elektronenstrahlquellen kann auch ein räumlich gut beschränkter Ionenstrahl erzeugt werden, der wiederum auf ein gewünschtes Bauteilgebiet des Halbleiterbauelements gerichtet werden kann, ohne dass das Vorsehen einer zusätzlichen Maske erforderlich ist, was zu einer sehr effizienten Prozedur zum Programmieren elektronischer Sicherungen führt, beispielsweise für Testzwecke und dergleichen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein Elektronenbeschuss auf der Grundlage eines Elektronenschauers in Verbindung mit einer geeigneten Maske, etwa einer Lackmaske, erzeugt.
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Folglich werden halbleiterbasierte elektronische Sicherungen bereitgestellt, wodurch zusätzliche komplexe Prozessschritte zum Umgestalten elektronischer Sicherungen vermieden werden, wenn beispielsweise diese auf der Grundlage von Metallgatematerialien und dergleichen hergestellt werden. Der Ätzwiderstand des Halbleitermaterials kann auf der Grundlage gut etablierter Maskierungsschemata, beispielsweise durch Lackmasken, modifiziert werden, so dass das Vorsehen komplexer Hartmaskenmaterialien in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase nicht erforderlich ist, die ansonsten für das selektive Schützen der elektronischen Sicherungen während des nasschemischen Ätzprozesses zum Entfernen des Halbleitermaterials aus den Austauschgateelektrodenstrukturen erforderlich werden. Durch Anwenden eines Implantationsprozesses kann die Ätzwiderstandsfähigkeit während einer beliebigen geeigneten Phase des Fertigungsablaufs modifiziert werden, da die Implantationdosis und Energie geeignet an die jeweilige Fertigungsphase der Austauschgateelektrodenstruktur und der elektronischen Sicherungen angepasst werden kann.
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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 und einer Halbleiterschicht 102, die in Verbindung eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration, eine Vollsubstratkonfiguration oder eine Kombination davon repräsentieren können. Beispielsweise ist in einer SOI-Konfiguration eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) unter und benachbart zu der Halbleiterschicht 102 angeordnet, während in einer Vollsubstratkonfiguration die Halbleiterschicht 102 auf einem im Wesentlichen kristallinen Material des Substrats 101 gebildet ist. Es sollte beachtet werden, dass die „Halbleiterschicht” 102 tatsächlich eine Vielzahl an Halbleitergebieten aufweist, die lateral durch Isolationsstrukturen abgegrenzt sind, die ein geeignetes isolierendes Material aufweisen. Beispielsweise repräsentiert die Halbleiterschicht 102 ein siliziumbasiertes Material, das auch andere Komponenten, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen, aufweisen kann, um damit die gewünschten elektronischen Eigenschaften zu erreichen. Z. B. sind mehrere aktive Gebiete 102a, wovon in 1a lediglich ein einzelnes gezeigt ist, aus dem grundlegenden Halbleitermaterial der Schicht 102 aufgebaut, wobei Isolationsstrukturen 102b, wovon der Einfachheit halber wieder nur eine einzelne gezeigt ist, für die laterale Trennung der aktiven Gebiete 102a sorgen. In der gezeigten Ausführungsform wird zumindest ein Teil der Isolationsstruktur 102b als ein Bauteilgebiet betrachtet, das eine oder mehrere elektronische Sicherungen in einer späteren Fertigungsphase erhält. Andererseits wird das aktive Gebiet 102a als ein weiteres Bauteilgebiet bezeichnet, da in und über dem aktiven Gebiet 102a ein Transistor auf der Grundlage einer Metallgateelektrodenstruktur herzustellen ist. Es sollte beachtet werden, dass in 1a die Gebiete 102a, 102b so dargestellt sind, dass die lateral benachbart zueinander angeordnet sind, während in anderen Fällen das Bauteilgebiet 102b an einer beliebigen geeigneten Position auf dem Substrat 101 abhängig von der Schaltungsgeometrie des Halbleiterbauelements 100 angeordnet ist. Des weiteren ist in der gezeigten Fertigungsphase ein Materialschichtstapel 110 über dem aktiven Gebiet 102a und der Isolastionsstruktur 102b gebildet und weist ein Gatedielektrikumsmaterial 111, möglicherweise in Verbindung mit einem leitenden Deckmaterial 112, etwa Titannitrid und dergleichen auf. Wie zuvor erläutert ist, enthält das Gatedielektrikumsmaterial 111 ein dielektrisches Material mit großem ε, das eine Dielektrizitätskonstante von größer 10,0 aufweist, wobei möglicherweise ein „konventionelles” Gatedielektrikumsmaterial vorgesehen ist, etwa ein siliziumoxidbasiertes Material und dergleichen. Die Dicke der Schicht 111 und deren Materialzusammensetzung sind geeignet so gewählt, dass das gewünschte elektrische Verhalten einer Metallgateelektrodenstruktur erreich wird, die dem aktiven Gebiet 102a zu bilden ist.
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In der gezeigten Ausführungsform umfasst der Materialschichtstapel 110 ferner ein Halbleitermaterial 113, etwa ein amorphes oder polykristallines Siliziummaterial, ein Silizium/Germanium-Mischungsmaterial und dergleichen. Zu beachten ist, dass das Halbleitermaterial 113 mit einer gewünschten Dotierstoffkonzentration vorgesehen werden kann, wie es zur Herstellung elektronischer Sicherungen und/oder anderer Schaltungselemente, etwa Widerstandsstrukturen, in einer späteren Fertigungsphase erforderlich ist, da die elektronischen Eigenschaften der entsprechenden Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage von Materialien angepasst werden, die in einer späteren Fertigungsphase bereitgestellt werden kann. In ähnlicher Weise wird die Dicke der Schicht 113 entsprechend den Prozesserfordernissen ausgewählt, beispielsweise um eine gewünschte Gatehöhe einer Austauschgateelektrodenstruktur zu erreichen, während auch eine effiziente Strukturierung des Schichtstapels 110 auf der Grundlage vorgegebener Entwurfsregeln für die Gatelänge und Breite entsprechender elektronischer Sicherungen, die über dem Bauteilgebiet 102b zu bilden sind, ermöglicht wird Ferner können andere Materialien, etwa eine Deckschicht 114 und dergleichen, in dem Schichtstapel 110 abhängig von der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 vorgesehen sein. Es sollte beachtet werden, dass auch andere Materialien, etwa Hartmaskenmaterialien und dergleichen, aufgebracht werden können, um in geeigneter Weise den Stapel 110 während der nachfolgenden Prozesse zu strukturieren. Der Einfachheit halber sind derartige Opfermaterialien in 1a nicht gezeigt.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage einer geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden. Beispielsweise wird die Isolationsstruktur 102b in der Halbleiterschicht 102 auf Basis geeigneter Strukturierungsstrategien zur Herstellung von Gräben und zum nachfolgenden Auffüllen der Gräben mit einem gewünschten isolierenden Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen hergestellt. Durch Herstellung der Isolationsstrukturen in der Schicht 102 wird auch die laterale Lage und Größe der aktiven Gebiete, etwa des Gebiets 102a, festgelegt. Vor oder nach dem Herstellen der Isolationsstruktur 102b wird die grundlegende Dotierstoffkonzentration in dem aktiven Gebiet 102a auf der Grundlage von Ionenimplantation und dergleichen erzeugt. Als nächstes wird der Schichtstapel 110 hergestellt unter Anwendung geeigneter Abscheidetechniken, möglicherweise in Verbindung mit Oxidationsprozessen im Zusammenhang mit weiteren zusätzlichen Behandlungen, wobei dies von der Materialzusammensetzung des Stapels 110 abhängt. Z. B. wird ein grundlegendes Siliziumoxidmaterial durch Abscheiden oder Oxidation hergestellt, woran sich das Abscheiden eines dielektrischen Materials mit großem ε anschließt, wodurch die Schicht 111 geschaffen wird. Wie zuvor erläutert ist, wird bei Bedarf eine leitende Deckschicht, etwa die Schicht 112 hergestellt, woran sich das Abscheiden des Halbleitermaterials 113 anschließt, das mittels CVD-Techniken bei geringem Druck und dergleichen bewerkstelligt wird. Daraufhin werden weitere Materialien, etwa die Deckschicht 114, etwa in Form eines Siliziumnitridmaterials und andere Materialien abgeschieden.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Transistor 150 in und über dem aktiven Gebiet 102a gebildet ist. Der Transistor 150 umfasst eine Austauschgateelektrodenstruktur 110a mit den Materialien 111, 112, 113 und 114. Ferner ist eine Seitenwandabstandsstruktur 115 zur lateralen Begrenzung der Gateelektrodenstruktur 110a vorgesehen. Eine Länge der Gateelektrodenstruktur 110a ist im Wesentlichen durch die horizontale Abmessung des Halbleitermaterials 113 bestimmt und liegt im Bereich von ungefähr 5 nm und weniger in komplexen Halbleiterbauelementen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Der Transistor 150 umfasst ferner Drain- und Sourcegebiete 151, wobei ein Kanalgebiet 153 zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet 151 angeordnet ist. Metallsilizidgebiete 152 sind ebenfalls in einem Teil der Drain- und Sourcegebiete 151 bei Bedarf ausgebildet.
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Ferner ist eine elektronische Sicherung 110b über dem Isolastionsgebiet 102b gebildet und umfasst die Materialien 111, 112, 113 und 114 in Verbindung mit der Seitenwandabstandshalterstruktur 115, wobei die bislang beschriebenen Komponenten der elektronischen Sicherung 110b auch als ein Sicherungskörper bezeichnet werden, da andere Komponenten, etwa Metallleiter und dergleichen in einer späteren Fertigungsphase hinzuzufügen sind, um die elektronische Sicherung 110b fertigzustellen. Es sollte beachtet werden, dass die „Breite” der elektronischen Sicherung 110b, d. h. in 1b die horizontale Abmessung, von der Länge der Gateelektrodenstruktur 110a abweichen kann, abhängig von den gesamten erforderlichen elektrischen Eigenschaften, etwa einem Widerstandswert, dem Elektromigrationsverhalten von beispielsweise einem Teil der leitenden Komponenten der elektronischen Sicherung 110b und dergleichen. Andererseits repräsentiert der Begriff „Länge” eine Stromflussrichtung in der elektronischen Sicherung 110b und repräsentiert somit eine Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1b und auch eine horizontale Richtung in 1b, wenn eine nicht-geradlinige Konfiguration der elektronischen Sicherung 110b vorgesehen ist.
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Das in 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Der Schichtstapel 110 (siehe 1a) wird auf der Grundlage geeigneter Lithographie- und Ätzstechniken strukturiert, wodurch die Materialien 111, 112, 113 und 114 der Strukturen 110a, 110b mit den gewünschten lateralen Abmessungen erhalten werden. Als nächstes wird ein Teil der Seitenwandabstandshalterstruktur 115 bereitgestellt, beispielsweise in Form eines Siliziumnitridabstandshalterelements, und es wird ein erster Teil der Drain- und Sourcegebiete 151 mittels Ionenimplantation hergestellt. Daraufhin wird die Abstandshalterstruktur 115 mit einem oder mehreren weiteren Abstandshaltern (nicht gezeigt) versehen und die Drain- und Sourcegebiete 151 erhalten das erforderliche komplexe laterale und vertikale Dotierstoffprofil. Zu beachten ist, dass zusätzliche Prozessschritte eingerichtet werden können, beispielsweise können ein verformungsinduzierendes Halbleitermaterial und dergleichen eingebaut wird, falls dies zur Verbesserung des Leistungsverhaltens des Transistors 150 erforderlich ist. Als nächstes werden Hochtemperaturprozesse ausgeführt, um Dotierstoffe zu aktivieren und um durch Implantation hervorgerufene Schäden zu rekristallisieren. Als nächstes werden die Metallsilizidgebiete 152 hergestellt, indem ein hochschmelzendes Metall abgeschieden und eine chemische Reaktion in Gang gesetzt wird, wobei bei Bedarf die Schicht 114 das Halbleitermaterial 113 schützt, während in anderen Fällen auch ein Metallsilizid in dem Halbleitermaterial 113 gebildet wird, wenn dies für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 als geeignet erachtet wird. Nach dem Entfernen von überschüssigem Material ist die grundlegende Struktur des Transistors 150 erreicht und die weitere Bearbeitung wird fortgesetzt, in dem ein Teil eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials abgeschieden wird.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 120, das lateral die Gateelektrodenstruktur 110a und die elektronische Sicherung 110b umgibt. Beispielsweise enthält das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120 ein erstes dielektrisches Material, etwa ein Siliziummaterial und dergleichen, das bei Bedarf auch einen hohen inneren Verspannungspegel besitzen kann, wenn dies für das Bauelement 100 als geeignet erachtet wird. Des weiteren kann ein zweites dielektrisches Material 122, etwa ein Siliziumdioxidmaterial und dergleichen vorgesehen sein. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120 einen anderen geeigneten Aufbau aufweisen kann, wie dies zum Erreichen des gewünschten elektrischen Verhaltens des Transistors 150 und/oder der elektronischen Sicherung 110b erforderlich ist. In der gezeigten Fertigungsphase umfasst ferner das dielektrische Material 120 eine eingeebnete Oberfläche 120s auf einem Höhenniveau, das geeignet ist, um auch eine Oberfläche 113s des Halbleitermaterials 113 in der Gateelektrodenstruktur 110a und in der elektronischen Sicherung 110b freizulegen.
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Das in 1c gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann hergestellt werden, indem das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120 unter Anwendung einer geeigneten Abscheidetechnik hergestellt wird, woran sich ein Einebnungsprozess anschließt, beispielsweise ein CMP-Prozess (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen. Folglich wird beim Einebnen des Materials 120 auch die Oberfläche 113s freigelegt.
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1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Prozesses 104, um eine Ätzselektivität des Materials 112 selektiv in der elektronischen Sicherung 110b zu erhöhen. In der gezeigten Ausführungsform repräsentiert der Prozess 104 einen Ionenimplantationsprozess, um eine geeignete Atomsorte, etwa eine elektrisch inerte Sorte, in einen oberen Bereich 113u des Halbleitermaterials 113 einzubauen, wodurch dem oberen Bereich 113u im Vergleich zu einem unteren Bereich 113l ein erhöhter Ätzwiderstand verliehen wird. In einer anschaulichen Ausführungsform wird eine Atomsorte 104b mit Xenon während des Impiantationsprozesses 104 eingebaut, wodurch somit die grundlegenden elektronischen Eigenschaften des Materials 113 bewahrt werden, um gleichzeitig eine deutliche Verringerung einer Ätzrate während eines nachfolgenden Ätzprozesses erreicht wird. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Implantationsmaske 103, etwa eine Lackmaske, so gebildet, dass dieses selektiv den Transistor 150 abdeckt. Es sollte beachtet werden, dass geeignete Prozessparameter für den Implantationsprozess 104 effizient auf der Grundlage von Simulationen, Experimenten und dergleichen ermittelt werden können, wobei auch ein gewünschter Grad an Modifizierung einer Ätzrate bestimmt wird, indem entsprechende Experimente unter Anwendung von Materialien 113 durchgeführt werden, die darin eingebaut unterschiedliche Konzentrationen der Sorte 104b aufweisen. Beispielsweise ändert eine Konzentration von ungefähr 1019 bis 1020 pro cm3 die Eigenschaften eines siliziumbasierten Materials derart, dass ein effizientes Ätzstoppmaterial im Hinblick auf ein nasschemisches Ätzrezept, beispielsweise auf der Grundlage von TMAH, geschaffen wird.
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1e zeigt schematisch das Halbeiterbauelement 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen der obere Bereich 113u der elektronischen Sicherung 110b auf der Grundlage eines Elektronenbeschusses 104e modifiziert wird. Zu diesem Zweck wird eine geeignete Elektronenquelle (nicht gezeigt) eingesetzt, um die Eindringtiefe zu erhalten, wie sie für ein wesentliches Modifizieren der Ätzrate in dem oberen Bereich 113u erforderlich ist. Beispielsweise werden Elektronenenergien im Bereich von 5–50 keV oder höher eingesetzt, wobei eine Strahlzeit von dem verfügbaren Strahlstrom abhängt, der von der Elektronenstrahlquelle bereitgestellt wird. Beispielsweise können Elektronenmikroskope effizient als Elektronenstrahlquelle eingesetzt werden, da diese Anlagen typischerweise in Halbleiterfertigungsstätten verfügbar sind, wobei Strahlstrom und die Elektronenenergie in einem weiten Bereich variiert werden können. Wie zuvor in Bezug zu dem Implantationsprozess dargestellt ist, können auch in diesem Falle geeignete Prozessparameter auf der Grundlage von Simulationen und/oder Experimenten effizient ermittelt werden. In der in 1e gezeigten Ausführungsform wird der Elektronenstrahl 104e als ein räumlich beschränkter Strahl vorgesehen, so dass andere Bauteilgebiete, etwa der Transistor 150, von dem Strahl 104e nicht beeinflusst werden. Auf diese Weise können spezielle Bereiche und damit elektronische Sicherungen ausgewählt werden, so dass diese eine gewünschte Konfiguration auf der Grundlage des Halbleitermaterials 113 erhalten, ohne dass aufwendige Lithographieprozesse erforderlich sind. Somit kann der Elektronenstrahl 104e über dem Substrat 101 an einer gewünschten Position angeordnet werden, um geeignete Strukturen, etwa die elektronische Sicherung 110b, für den nachfolgenden nasschemischen Ätzprozess aufzubereiten, in welchem das Halbleitermaterial 113 von dem Transistor 150 zu entfernen ist.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird eine Maske, etwa die in 1d gezeigte Maske, vorgesehen, um die elektronische Sicherung 110b für den Elektronenstrahl 104e freizulegen, so dass dieser Strahl nicht mit hoher räumlicher Auflösung bereitgestellt werden muss. Beispielsweise kann ein moderat lateral großer Elektronenstrahl über das Substrat 101 bewegt werden, oder es kann eine Elektronenschau erzeugt werden, so dass eine Anwendung auf große Teile des Substrats 101 oder das gesamte Substrat 101 erfolgt. Folglich kann der Elektronenbeschuss 104e ausgeübt werden, wenn die Oberflächenbereiche 113s im Wesentlichen freigelegt sind, wodurch der Ätzwiderstand des oberen Bereichs 113u mit hoher Effizienz modifiziert wird.
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1f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, wenn das Bauelement der Einwirkung eines nasschemischen Ätzprozesses 105, der etwa auf der Grundlage von TMAH eingerichtet wird, ausgesetzt ist, um in effizienter Weise das Material 113 von der Gateelektrodenstruktur 110 zu entfernen. Andererseits wird das Material 113 in der elektronischen Sicherung 110b im Wesentlichen bewahrt auf Grund der Anwesenheit des modifizierten oberen Bereichs 113u, der die erhöhte Ätzwiderstandsfähigkeit besitzt. Wie zuvor erläutert ist, weist TMAH einen hohen Grad an Selektivität in Bezug auf dielektrische Materialien, etwa Siliziumdioxide, Siliziumnitrid und dergleichen auf, so dass das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120 und die Abstandshalterstruktur 115 als geeignete Ätzstoppmaterialien dienen. Auf Grund des oberen Bereichs 113u wird das Material 113 in der elektronischen Sicherung 110b im Wesentlichen beibehalten, wobei dies so zu verstehen ist, dass weniger als ungefähr 10% des anfänglichen Materials 113 der elektronischen Sicherung 110b während des Ätzprozesses 105 abgetragen werden. In anderen Fällen werden weniger als ungefähr 5% der Anfangsmenge des Materials 113 während des Prozesses 105 auf Grund des modifizierten oberen Bereichs 113u abgetragen.
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1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einer Öffnung 116, die in der Gateelektrodenstruktur 110a auf Grund des Entfernens des Materials 113 geschaffen wird. Es sollte beachtet werden, dass die Schicht 112 als eine effiziente Schutzschicht beim Bilden der Öffnung 116 während des Ätzprozesses 105 der 1e dient. In anderen Fällen wird bei Bedarf die Schicht 112 beim Herstellen der Öffnung 116 entfernt und wird durch ein anderes geeignetes Material ersetzt, etwa durch ein dielektrisches Material mit großem ε und dergleichen, wenn ein derartiges Material noch nicht in die Schicht 111 eingebaut ist.
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Nachfolgend wird ein weiteres Material oder weitere Materialien in die Öffnung 116 eingefüllt, etwa eine austrittsarbeitseinstellende Materialsorte möglicherweise in Verbindung mit anderen leitenden Materialien, etwa Titannitrid, Tantalnitrid und dergleichen. Zu beachten ist, dass typischerweise p-Kanaltransistoren und n-Kanaltranistoren unterschiedliche Arten an leitenden Materialien erfordern, die in die Öffnungen 111 einzufüllen sind, um eine geeignete Austrittsarbeit für diese unterschiedliche Transistorelemente zu erhalten. Abhängig von der Prozessstrategie werden folglich Materialien abgeschieden und selektiv entfernt, woran sich das Abscheiden des weiteren Materials abhängig von der gesamten Prozessstrategie anschließt, um die unterschiedlichen Austrittsarbeitsmaterialien bereitzustellen. Daraufhin wird ein gewünschtes Elektrodenmaterial aufgebracht.
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1h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der eine oder mehrere Materialschichten 117 in der Gateelektrodenstruktur 110a gebildet sind, die eine austrittsarbeitseinstellende Sorte, etwa Lanthanum, Aluminium, und dergleichen, möglicherweise in Verbindung mit zusätzlichen leitenden Barrieren- und Ätzstoppmaterialien aufweisen, woran sich ein Elektrodenmaterial 118, etwa Aluminium und dergleichen anschließt. Andererseits enthält die elektronische Sicherung 110b das Halbleitermaterial 113, das somit das gesamte elektrische Verhalten der Struktur 110b in Verbindung mit der geometrischen Konfiguration bestimmt. Wie zuvor angegeben ist, ist eine Vielzahl gut etablierter Gestaltungsvarianten von elektronischen Sicherungen für polysiliziumbasierte Halbleiterbauelemente verfügbar und derartige Gestaltungen können grundsätzlich verwendet werden, wenn diese mit der Gesamtkonfiguration des Halbleiterbauelements 100 kompatibel sind. Folglich wird die elektronische Sicherung 110b auf der Grundlage gut etablierter Entwurfskriterien für halbleiterbasierte Sicherungsstrukturen bereitgestellt, ohne dass ausgeprägte Modifizierungen erforderlich sind, wobei auch komplexe dielektrische Diffusionsbarrieren vermieden werden, wie sie typischerweise konventionellen Strategien erforderlich sind, wenn metallbasierte Sicherungen in Kombination mit einer Kupfermetallisierung vorgesehen sind.
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Es sollte beachtet werden, dass der Ätzwiderstand des Materials 113 der elektronischen Sicherung 110b während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase modifiziert werden kann, wenn ein Implantationsprozess angewendet wird, um eine gewünschte Konzentration im oberen Bereich 113u einzubauen. Zu diesem Zweck werden die Implantationsparameter, etwa die Implantationsenergie, effizient so angepasst, das Vorhandensein möglicher weiterer Materialien, die über dem Halbleitermaterial 113 angeordnet sind, berücksichtigt wird.
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1i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen der Ätzwiderstand des Materials 113 selektiv in einer frühen Fertigungsphase erhöht wird, d. h. vor dem eigentlichen Strukturieren der Gateelektrodenstruktur 110a und der elektronischen Sicherung 110b (siehe 1b). Wie gezeigt, ist eine Implantationsmaske 103b, etwa eine Lackmaske, so gebildet, dass diese einen Teil des Schichtstapels 110 über der Isolationsstruktur 102 freilässt. Auf Grund des Vorhandenseins weiterer Materialien des Schichtstapels 110, etwa der Deckschicht 114, werden die Prozessparameter, d. h. die Implantationsenergie des Prozesses 104a geeignet eingestellt, um die Sorte 104b in der Halbleiterschicht 113 anzuordnen. Geeignete Prozessparameter können effizient durch Simulation, Experimente und dergleichen ermittelt werden. Nach dem Implantationsprozess 104a wird die Maske 103 effizient entfernt, während die Deckschicht 114 die Integrität des Materials 113 bewahrt. Die weitere Bearbeitung wird dann fortgesetzt, wie dies auch zuvor mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben ist, um die Gateelektrodenstruktur 110a und die elektronische Sicherung 110b zu strukturieren, die darin eingebaut die Implantationssorte 104b aufweist, wodurch dem Material 113 selektiv in der elektronischen Sicherung 110b (siehe 1h) der erhöhte Ätzwiderstand verliehen wird.
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1j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß einer weiteren anschaulichen Ausführungsform, in der ein Implantationsprozess 104e in einer Fertigungsphase nach der Herstellung der Gateelektrodenstruktur 110a und der elektronischen Sicherung 110b und vor dem Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials ausgeführt wird. Wie gezeigt, ist eine Implantationsmaske 103c über der Elektrodenstruktur 110 und dem aktiven Gebiet 102a gebildet und lässt die elektronische Sicherung 110b und das Isolationsgebiet 102b frei. Die Implantationssorte 104b wird somit selektiv in das Halbleitermaterial 113 der elektronischen Sicherung 110b eingebaut, wobei Prozessparameter so angepasst sind, dass der Anwesenheit der Deckschicht 114 Rechnung getragen wird. Nach dem Entfernen der Implantationsmaske 103c geht die weitere Bearbeitung weiter, indem beispielsweise Metallsilizidgebiete hergestellt werden und ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial aufgebracht wird.
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Somit wird ein hoher Grad an Flexibilität bei der Disponierung des gesamten Fertigungsablaufs erreicht auf der Grundlage eines Ionenimplantationsprozesses, um den Ätzwiderstand des Halbleitermaterials 113 selektiv in der elektronischen Sicherung 110b zu modifizieren.
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1k zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Kontaktebene 130 über dem Transistor 150 und der elektronischen Sicherung 110b gebildet und weist ein geeignetes dielektrisches Material 131, etwa Siliziumdioxidmaterial und dergleichen auf, in welchem Kontaktelemente 132a, 132c, 132b vorgesehen sind, um eine elektrische Verbindung zu dem Transistor 150 und zu der elektronischen Sicherung 110b herzustellen. Die Kontaktelemente 132a, ..., 132c können auf der Grundlage gut etablierter Prozessstrategien hergestellt werden, und weisen ein beliebiges geeignetes leitendes Material, etwa Wolfram, Kupfer, Aluminium und dergleichen auf, möglicherweise in Verbindung mit geeigneten leitenden Barrierematerialien (nicht gezeigt). Des weiteren ist eine Metallisierungsschicht 140 über der Kontaktebene 130 gebildet und weist ein geeignetes dielektrisches Material 141 und Metallgebiete 142a, 142b auf, um in geeigneter Weise den Transistor 150 mit anderen Schaltungselementen (nicht gezeigt) zu verbinden und um die elektronische Sicherung 110b mit einer Steuerschaltung (nicht gezeigt) zu verbinden, um damit geeignete Spannungs- und Stromimpulse bereitzustellen und um den Zustand der elektronischen Sicherung 110b festzustellen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Die Metallisierungsschicht 140 umfasst das dielektrische Material 141, beispielsweise in Form eines dielektrischen Materials mit kleinem ε in Verbindung mit gut leitenden Metallen, etwa Kupfer und dergleichen, die ein weiteres Material zum Einschluss benötigen, beispielsweise basierend auf leitenden und/oder dielektrischen Diffusionsbarrierenschichten.
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Die Kontaktebene 130 und die Metallisierungsschicht 140 können auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden, wobei auf Grund der gut etablierten Konfiguration der elektronischen Sicherung 110b mit dem Halbleitermaterial 113 eine sehr hohe Stromdichte und damit sehr hohe Temperaturen lokal in der Nähe der elektronischen Sicherung 110b unterdrückt wird, wodurch eine ausgeprägte Diffusionsblockierwirkung zwischen den Bauelementen 150 und 110b und den kupferenthaltenden Metallisierungsstrukturen nicht erforderlich ist.
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Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen elektronische Sicherungen und auch andere halbleiterbasierte Schaltungselemente auf der Grundlage eines Halbleiterelektrodenmaterials hergestellt werden, während komplexe Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens bereitgestellt werden, so dass ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase vorgesehen wird. Zu diesem Zweck wird der Ätzwiderstand eines oberen Teils des Halbleitermaterials selektiv in den elektronischen Sicherungen oder den anderen halbleiterbasierten Schaltungselementen erhöht, indem eine Atomsorte, etwa Xenon mittels Ionenimplantation eingeführt wird, oder indem die Oberflächeneigenschaften auf der Grundlage eines Elektronenbeschusses während einer geeigneten Fertigungsphase modifiziert werden. Beispielsweise wird der Elektronenbeschuss in einer Fertigungsphase angewendet, in der die Oberfläche des Halbleitermaterials freilegt, wenn andererseits ein Implantationsprozess während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase ausgeführt werden kann, wobei die Anwesenheit weiterer Materialien, die über dem Halbleitermaterial ausgebildet sind, berücksichtigt werden kann, indem die Implantationsparameter geeignet angepasst werden. Folglich kann der Ätzwiderstand des Halbleitermaterials geeignet räumlich strukturiert werden, ohne dass das Vorsehen von Hartmaskenmaterialien erforderlich ist, die ansonsten zu einem sehr komplexen Abtragungsprozess führen würden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die räumliche Strukturierung des Ätzwiderstandes bewerkstelligt, ohne dass ein Maskenmaterial, etwa ein Lackmaterial vorgesehen wird, indem ein räumlich beschränkter Elektronenstrahl verwendet 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 Ausführungsformen vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
