DE102009047307A1

DE102009047307A1 - Vergrößerung der Stabilität eines Gatedielektrikums mit großem ε in einem Gatestapel mit großem ε durch eine sauerstoffreiche Titannitriddeckschicht

Info

Publication number: DE102009047307A1
Application number: DE102009047307A
Authority: DE
Inventors: Robert Binder; Joachim Metzger; Klaus Hempel
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Priority date: 2009-11-30
Filing date: 2009-11-30
Publication date: 2011-06-01
Anticipated expiration: 2029-12-01
Also published as: US20110127590A1; DE102009047307B4

Abstract

In einem Austauschgateverfahren wird der Sauerstoffanteil eines Deckmaterials erhöht, so dass stabilere Eigenschaften des Deckmaterials selbst und auch des dielektrischen Materials mit großem ε erreicht werden. Beim Vorsehen einer austrittsarbeitseinstellenden Metallsorte in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase können somit entsprechende zusätzliche Behandlungen in der Anzahl verringert oder auch vollständig vermieden werden, während gleichzeitig Schwellwertspannungsschwankungen reduziert werden.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung modernster integrierter Schaltungen mit komplexen Transistorelementen mit Gatestrukturen mit erhöhter Kapazität, die ein Gatedielektrikum mit großem ε und einer metallenthaltenden Deckschicht aufweisen.
Beschreibung des Stands der Technik
Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASIC's (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen erfordert die Herstellung einer großen Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau. In vielen integrierten Schaltungen repräsentieren Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen, die das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen wesentlich bestimmen. Generell wird eine Vielzahl an Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, um Feldeffekttransistoren herzustellen, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen die MOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung von beispielsweise der MOS-Technologie werden Millionen Transistoren, beispielsweise n-Kanaltransistoren und/oder p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, typischerweise sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche stark dotierter Gebiete, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, mit einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet gebildet 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 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 Beweglichkeit der Ladungsträger – 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. Daher beeinflusst die Leitfähigkeit des Kanalgebiets wesentlich das Leistungsverhalten von MOS-Transistoren. Da die Geschwindigkeit des Erzeugens des Kanals, die von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und der Kanalwiderstand im Wesentlichen die Transistoreigenschaften bestimmen, ist die Verringerung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung des Kanalwiderstands, was wiederum eine Zunahme des Gatewiderstands auf Grund der kleineren Abmessungen hervorruft – ein wesentliches Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter Schaltungen zu erreichen.
Gegenwärtig wird der Hauptanteil an integrierten Schaltungen auf der Grundlage von Silizium hergestellt auf Grund der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit, den gut verstandenen Eigenschaften von Silizium und gehöriger 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, die für Massenprodukte vorgesehen sind. Ein wichtiger Grund für die bedeutende Rolle des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolation unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglicht damit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise während dem Ausführen von Ausheizprozessen erforderlich sind, um Dotierstoffe zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen, ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
Aus den zuvor dargelegten Gründen wird Siliziumdioxid vorzugsweise als ein Basismaterial einer Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium oder anderen Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Bauteilverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets kontinuierlich verringert, um die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu verbessern. 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 bereitzustellen, ist ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung aufrecht zu erhalten, die durch den Kondensator erreicht wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es zeigt sich, das eine Verringerung der Kanallänge eine höhere kapazitive Kopplung erfordert, um dass sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom und zu einer erhöhten Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer geringeren Schwellwertspannung weisen eine exponentielle Zunahme des Leckstromes auf, während auch eine höhere kapazitive Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich ist. Daher muss die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert werden, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erzeugen. Z. B. erfordert eine Kanallänge von ungefähr 80 nm ein Gatedielekrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistoren mit einem äußert kurzen Kanal auf Hochgeschwindigkeitssignalwege beschränkt werden kann, wohingegen Transistoren mit einem längeren Kanal für weniger kritische Schaltungsbereiche eingesetzt werden, etwa in Form von Speichertransistoren, erreicht der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch eine sehr dünne Siliziumdioxid-Gateisolationsschicht hervorgerufen wird, Werte bei einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit den Anforderungen für viele Arten von Schaltungen erträglich sind, selbst wenn nur die Transistoren in geschwindigkeitskritischen Signalwegen auf der Grundlage eines äußerst dünnen Gateoxids hergestellt sind.
Daher wurde das Ersetzen des Siliziumdioxids als Material für Gateisolationsschichten insbesondere für extrem dünne Siliziumdioxidgateschichten in Betracht gezogen. Mögliche alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität aufweisen, so dass eine physikalisch größere Dicke einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht für eine kapazitive Kopplung sorgt, die durch eine extrem dünne Siliziumdioxidschicht erreich würde. Es wurde daher vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien mit hoher Permittivität zu ersetzen, etwa Tantaloxid (Ta₂O₅) mit einem ε von ungefähr 25, Strontiumtitanoxid (SrTiO₃) mit einem ε von ungefähr 150, Hafniumoxid (HfO_x), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO₂) und dergleichen.
Des weiteren kann das Transistorleistungsverhalten verbessert werden, indem ein geeignetes leitendes Material die Gateelektrode vorgesehen wird, um das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial zu ersetzen, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zwischen dem Gatedielektrikum aufweist, wodurch die wirksame Kapazität zwischen dem Kanalgebiet und der Gateelektrode verringert wird. Es würde daher ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine erhöhte Kapazität auf der Grundlage der gleichen Dicke wie eine Siliziumdioxidschicht sorgt, während zusätzlich Leckströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits kann das nicht-Polysiliziummaterial, etwa in Form von Titannitrid, so hergestellt werden, dass es mit dem dielektrischen Material mit großem ε in Verbindung steht, wodurch die Anwesenheit einer Verarmungszone im Wesentlichen vermieden werden kann.
After nach der Herstellung komplexer Gateelektrodenstrukturen mit einem Dielektrikum mit großem ε und einem metallbasierten Gatematerial sind jedoch Hochtemperaturbehandlungen erforderlich, die zu einer Verschiebung der Austrittsarbeit und einer Verringerung der Permittivität des Gatedielektrikums führen können, was mit einer Zunahme der Schichtdicke verknüpft sein kann, wodurch viele Vorteile des Dielektrikums mit großem ε in Verbindung mit dem Metallmaterial aufgehoben werden.
Aus diesem Grunde wurden Strategien entwickelt, in denen das eigentliche Elektrodenmetall, das eine geeignete austrittsarbeitseinstellende Substanz für p-Kanaltransistoren bzw. n-Kanaltransistoren aufweist, in einer späten Fertigungsphase vorgesehen wird, d. h. in derartigen Hochtemperaturprozessen. In diesen sogenannten Austauschgateverfahren wird ein Platzhaltermaterial, etwa Polysilizium, in einer Fertigungsphase entfernt, in der die Gateelektrodenstruktur lateral in einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial eingebettet ist. Basierend auf selektiven Ätztechniken wird das Platzhaltermaterial abgetragen, während das Titannitridmaterial als ein Ätzstopp dient, um das darunter liegende empfindliche dielektrische Material mit großem ε zu schützen, das häufig in Form eines hafniumbasierten Oxidmaterials bereitgestellt wird. Daraufhin wird ein Austrittsarbeitsmetall hergestellt, möglicherweise in Verbindung mit weiteren leitenden Barrierenmaterialien, etwa Tantalnitrid und dergleichen, um die erforderliche Bandlückenanpassung des Kanalgebiets in Verbindung mit dem komplexen Gatedielektrikumsmaterial und dem benachbarten Titannitridmaterial in Verbindung mit der austrittsarbeitseinstellenden Metallsorte zu erreichen. Beispielsweise wird Lanthanum in Verbindung mit n-Kanaltransistoren eingesetzt, während Aluminium in p-Kanaltransistoren vorgesehen werden kann. Die Einstellung einer geeigneten Austrittsarbeit und damit einer Schwellwertspannung für komplexe Transistorelemente ist eine aufwendige Aufgabe, insbesondere wenn Transistoren mit grundsätzlich dem gleichen Aufbau mit unterschiedlichen Schwellwertspannungen bereitzustellen sind, um den diversen Erfordernissen in den unterschiedlichen Signalwegen komplexer integrierter Schaltungen Rechnung zu tragen. Beispielsweise sind Transistoren mit geringer Schwellwertspannung mit extrem kurzen Kanälen mit schnellen digitalen Signalwegen erforderlich, während in anderen Fallen eine höhere Schwellwertspannung in weniger kritischen Signalwegen erforderlich ist, wobei die grundlegende Transistorstruktur beispielsweise im Wesentlichen identisch ist. Folglich wurde eine Vielzahl an komplexen Mechanismen entwickelt, die eine Einstellung unterschiedlicher Schwellwertspannungen und anderer Transistoreigenschaften, etwa des Leckstromes, und dergleichen ermöglicht. Beispielsweise sind Gatedielektrikumsmaterialien mit unterschiedlicher Dicke mit ansonsten im Wesentlichen der Materialzusammensetzung, äußerst komplexer Drain- und Sourcedotierstoffprofile in Verbindung mit komplexen gegendotierenden Prozessen, die auch als Halo-Implantation bezeichnet werden, und dergleichen typischerweise erforderlich, um die gewünschten Schwellwerteigenschaften zu erreichen. Folglich üben im Zusammenhang mit komplexen Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε jegliche prozessabhängigen Fluktuationen beim Bereitstellen der Gateelektrodenstruktur einen großen Einfluss auf die schließlich erreichten Transistoreigenschaften aus. Aus diesem Grunde werden in dem Austauschgateverfahren komplexer Prozesstechniken angewendet, um prozessabhängige Schwankungen der Gateelektrodenstruktur beim Ersetzen des Platzhaltermaterials durch das eigentliche Elektrodenmaterial, das die austrittsarbeitseinstellende Substanz enthält, zu vermeiden. Jedoch können diese Prozesstechniken zum komplexen Prozessablauf führen und resultieren in einer geringeren Flexibilität, beispielsweise im Hinblick auf Beschränkungen im thermischen Budget und dergleichen, wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a und 1b erläutert ist.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer Fertigungsphase, in der ein Gateschichtstapel 110s auf einem Halbleitergebiet 102 gebildet ist, das wiederum auf einem Substrat 101 angeordnet ist. Das Substrat 101 repräsentiert ein geeignetes Trägermaterial, etwa ein Halbleitersubstrat und dergleichen. Ferner enthält das Halbleitergebiet 102 eine größere Menge an Silizium in einem kristallinen Zustand, wobei das Halbleitergebiet 102 lateral durch geeignete Isolationsstrukturen (nicht gezeigt), etwa Grabenisolationen, und dergleichen, abgegrenzt sein kann. Wenn eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration erforderlich ist, ist ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) zwischen dem Substrat 101 und dem Halbleitergebiet 102 vorgesehen. Zu beachten ist, dass das Halbleitergebiet 102, das auch als ein aktives Gebiet eines noch herzustellenden Transistors betrachtet wird, ein beliebiges geeignetes Dotierstoffprofil aufweisen kann, wie dies zum Festlegen der grundlegenden Leitfähigkeitsart und anderer Transistoreigenschaften, etwa Schwellwertspannung, und dergleichen erforderlich ist, wobei dies jedoch wesentlich von dem weiteren Aufbau abhängt, beispielsweise dem Dotierstoffprofil von Drain- und Sourcegebieten, die noch herzustellen sind, von den Eigenschaften einer Gateelektrodenstruktur, die auf der Grundlage des Gateschichtstapels 110s zu bilden ist, und dergleichen, wie dies auch zuvor angedeutet ist. Der Gateschichtstapel 110s enthält ein Gatedielektrikumsmaterial, das auf dem Halbleitergebiet 102 ausgebildet ist, und eine Basisschicht 111 aufweist, die aus einem geeigneten „konventionell dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und dergleichen aufgebaut ist. Die Basisschicht 111 sorgt für bessere Grenzflächeneigenschaften, während die kapazitive Kopplung und das bessere Leckstromverhalten auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε 112, etwa eines hafniumoxidbasierten Materials und dergleichen erreicht wird. Beispielsweise wird die Basisschicht 111 mit einer Dicke von weniger als 10 Angstrom vorgesehen, während die Schicht 112 eine Dicke von 15 bis 30 Angstrom abhängig von den Transistorerfordernissen aufweist. Wie jedoch zuvor erläutert ist, ist eine Titannitridschicht 113 auf dem dielektrischen Material mit großem ε 112 gebildet, wodurch die Wechselwirkung des empfindlichen Materials 112 mit anderen Materialien und reaktiven Prozessatmosphären während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 verringert wird. Des weiteren umfasst der Gateschichtstapel 110s ein Platzhaltermaterial 114, etwa ein Siliziummaterial, das in der gezeigten Fertigungsphase in Form eines amorphen Siliziummaterials vorgesehen sein kann. Des weiteren ist ein dielektrisches Deckmaterial 115, etwa Siliziumnitrid, möglicherweise in Verbindung mit Siliziumdioxid und dergleichen, in dem Gateschichtstapel 110s vorgesehen, wie dies auch für die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 erforderlich ist. Zu beachten ist, dass weitere Materialien oder Materialsysteme über dem Gateschichtstapel 110s vorgesehen sein können, etwa Hartmaskenmaterialien in Form von Siliziumdioxid, amorphen Kohlenstoff, Siliziumoxinitrid und dergleichen.
Typischerweise wird das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 gemäß gut etablierter Prozesstechniken aufgebaut, um das Halbleitergebiet 102 herzustellen, beispielsweise durch Vorsehen von Isolationsstrukturen und dergleichen, in Verbindung mit Implantationsprozessen, um die erforderliche grundlegende Dotierstoffverteilung in dem Halbleitergebiet 102 zu erzeugen. Daraufhin wird die Basisschicht 111 durch Abscheidung und/oder Oxidation hergestellt, woran sich das Abscheiden dielektrischen Materials mit großem ε 112 auf der Grundlage von CVD-(chemische Dampfabscheid-)Techniken und dergleichen anschließt. Daraufhin wird die Titannitridschicht 113 aufgebracht, beispielsweise durch physikalische Dampfabscheidung in Form eines Sputter-Abscheideprozesses. Danach wird das Siliziummaterial 114 aufgebracht, beispielsweise durch CVD-Techniken bei geringem Druck und dergleichen. Als nächstes wird das dielektrische Deckmaterial 115, beispielsweise durch thermisch aktivierte CVD, plasmaunterstützte CVD und dergleichen aufgebracht. Daraufhin wird der Gateschichtstapel 110s auf der Grundlage komplexer Lithographietechniken in Verbindung mit Ätzprozessen strukturiert, um eine Gateelektrodenstruktur mit den gewünschten kritischen Abmessungen zu schaffen. Nach der Strukturierung des Gateschichtstapels 110s müssen weitere Prozesse ausgeführt werden, beispielsweise zum Herstellen von Drain- und Sourcegebieten in dem Halbleitergebiet 102, was mit entsprechenden Maskierungsprozessen und Hochtemperaturausheizprozessen verknüpft ist, so dass die resultierende Gateelektrodenstruktur der Einwirkung einer Vielzahl von Prozessbedingungen bei höheren Temperaturen in Verbindung mit einer Vielzahl an reaktiven Prozessatmosphären ausgesetzt ist, die eine mehr oder minder ausgeprägten Einfluss auf die Schichten 112 und 113 ausüben, was wiederum die schließlich erreichte Austrittsarbeit und damit Schwellwertspannung eines noch herzustellenden Transistors beeinflusst. Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass beispielsweise die schließlich erreichten Eigenschaften des Gateelektrikumsmaterials, d. h. der Materialien 111 und 112, wesentlich von der Anwesenheit von Sauerstofffehlstellen in dem Material abhängen, was wiederum die elektronischen Eigenschaften in der Grenzfläche zwischen dem Halbleitergebiet 102 und dem Gatedielektrikumsmaterial, d. h. der Schicht 111, beeinflussen kann. Andererseits hängt die Anzahl und die Dichte der Sauerstofffehlstellen von den Eigenschaften des Titannitrideckmaterials 113 ab, das wiederum von dem gesamten vorhergehenden Prozessablauf und insbesondere den vorausgehenden Hochtemperaturprozessen, die an dem Bauelement 100 ausgeführt werden, stark beeinflusst ist. Beispielsweise kann eine Oxidationsrate, d. h. die Rate des Sauerstoffeinbaus in die Schicht 113 deutlich in der vorhergehenden Prozessgeschichte abhängen, wobei die Sauerstoffmenge wiederum den Zustand des dielektrischen Materials mit großem ε 112 beeinflusst. Daher werden in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase viele komplexe Prozessschritte, etwa Ausheizprozesse auf der Grundlage von mehr oder minder komplexen Prozessatmosphären in dem Versuch eingerichtet, gleichmäßige Prozessbedingungen zu schaffen, um damit Prozessschwankungen zu reduzieren, die ansonsten zu deutlich ausgeprägten Schwellwertspannungsunterschieden beitragen würden, insbesondere wenn diverse Mechanismen angewendet werden, um beabsichtigt die Schwellwertspannung unterschiedlicher Transistorarten gemäß den gesamten Schaltungserfordernissen einzurichten.
1b zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt ist ein Transistor 150 in und über dem Halbleitergebiet 102 aufgebaut und umfasst eine Gateelektrodenstruktur 110, die in der gezeigten Fertigungsphase die Gatedielektrikumsmaterialien 111 und 112 und das Titannitriddeckmaterial 113 enthält. Ferner begrenzt ein schützender Seitenwandabstandshalter 116, etwa ein Siliziumnitridabstandshalter, lateral eine Gateöffnung 114a, die nach dem Entfernen des Platzhaltermaterials 114 erhalten wird. Der Transistor 150 umfasst ferner Drain- und Sourcegebiete 152 möglicherweise in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 153, um den gesamten Kontaktwiderstand des Transistors 150 zu verringern. Des weiteren ist ein Kanalgebiet 151 unter dem Gatedielektrikumsmaterial 111 ausgebildet. Abhängig von der gesamten Prozessstrategie ist eine Abstandshalterstruktur 154 in Form eines Siliziumnitridmaterials in Verbindung mit Siliziumdioxid und dergleichen bei Bedarf vorgesehen. Ferner schließt ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 120 lateral die Gateelektrodenstruktur 110 ein und weist ein geeignetes Material, etwa eine Ätzstoppschicht 121, etwa in Form von Siliziumnitrid, woran sich ein Siliziumdioxidmaterial 122 anschließt.
Das in 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann gemäß Prozesstechniken hergestellt werden, wie sie zuvor beschrieben sind, um die Gateelektrodenstruktur 110 zu strukturieren und um die Drain- und Sourcegebiete 152 bereitzustellen, was auf der Grundlage der Seitenwandabstandshalterstruktur 154 bewerkstelligt werden kann, um das gewünschte komplexe laterale und vertikale Dotierstoffprofil zu erzeugen. Nach jeglichen Ausheizprozessen werden die Metallsilizidgebiete 153 gemäß einer geeigneten Prozessstrategie hergestellt, woran sich das Abscheiden des Zwischenschichtdielektrikumsmaterials 120 anschließt, das nachfolgend eingeebnet wird, beispielsweise durch CMP, Ätzprozesse und dergleichen, wodurch das Material 114 freigelegt wird, das dann auf Basis geeigneter selektiver Ätzrezepte unter Anwendung von beispielsweise TMAH-(Tetramethylammoniumhydroxid) und dergleichen abgetragen wird. Während des Ätzprozesses dient die Titannitriddeckschicht 113 als ein Ätzstoppmaterial. Da die schließlich erreichten Eigenschaften der Gateelektrodenstruktur 110 im Hinblick auf Austrittsarbeit und dergleichen wesentlich von dem Zustand der Schichten 113 und 112 abhängt, wie dies zuvor erläutert ist, werden typischerweise vor und/oder nach dem Abscheiden zumindest einer Materialschicht 117, die eine austrittsarbeitseinstellende Metallsorte aufweist, entsprechende Behandlungen 103 ausgeführt. Beispielsweise wird das Deckmaterial 113 der Einwirkung einer speziell gestalteten Gasatmosphäre ausgesetzt, etwa einem Formierungsgas, das als eine Mischung aus Wasserstoffgas und Stickstoffgas zu verstehen ist, wobei gleichzeitig geeignete Temperaturen angewendet werden, die mit dem Aufbau des Bauelements 100 in der gezeigten Fertigungsphase verträglich sind. D. h., es werden höhere Temperaturen angewendet, um die Eigenschaften des Deckmaterials 113 auf der Grundlage von Chemikalien, Gasen, und insbesondere höhere Temperaturen zu modifizieren, wobei jedoch ein moderat begrenztes Prozessfenster besteht, da ansonsten signifikante Änderungen hervorgerufen werden, beispielsweise in den Metallsilizidgebieten 153, und dergleichen. Somit wird in einigen anschaulichen Prozessstrategien die Behandlung 103 ausgeführt, und danach wird die Materialschicht 117, die beispielsweise Barrierenmaterialien, etwa Tantalnitrid, in Verbindung mit einer austrittsarbeitseinstellenden Substanz, etwa Aluminium für p-Kanaltransistoren oder Lanthanum für n-Kanaltransistoren, aufweist, mittels einer geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht, etwa physikalische Dampfabscheidung, chemische Dampfabscheidung, und dergleichen. In einigen Strategien wird zusätzlich oder alternativ durch die Behandlung 103 vor dem Aufbringen des Materials 117 eine weitere Behandlung auf der Grundlage erhöhter Temperaturen ausgeführt, die jedoch durch das thermische Budget in der gezeigten Fertigungsphase beschränkt sind, um damit die schließlich erreichte Schwellwertspannung effizienter einzustellen. Da jedoch die Wirkung der einen oder der mehreren Behandlungen 103 wesentlich von der Prozessgeschichte abhängt, z. B. hängt der Grad an Sauerstoffeinbau in der Materialschicht 113 von den zuvor angewendeten Prozesstemperaturen ab, das wiederum von den gesamten Bauteilerfordernissen, etwa im Hinblick auf die Diffusion von Dotiermitteln und dergleichen beeinflusst ist, repräsentiert die endgültige Einstellung der Transistoreigenschaften im Hinblick auf die Austrittsarbeit und/oder Schwellwertspannung somit eine „Kombination” mehrerer Prozessschwankungen der zuvor ausgeführten Fertigungsprozesse. Aus diesem Grunde kann die Behandlung 103 zu einem moderat breiten Bereich an Schwellwertspannungen für die gleiche Transistorart über das gesamte Substrat 101 hinweg nach der Stabilisierung führen, die mittels der Behandlung 103 erreich wird. Obwohl somit das Austauschgateverfahren generell einen hohen Grad an Flexibilität beim Einstellen der Schwellwertspannungen von Transistoren in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase bietet, übt die Prozessgeschichte dennoch einen Einfluss auf den Zustand des dielektrischen Materials mit großem ε und der leitenden Titannitriddeckschicht aus, das wiederum zu einer ausgeprägten Schwankung der Transistorschwellwertspannung insbesondere dann führt, wenn unterschiedliche Schwellwertspannungspegel in komplexen Halbleiterbauelementen erforderlich sind.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken, in denen die Schwellwertspannung von Transistoren mit komplexen Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε bereitgestellt werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden werden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
Überblick über die vorliegende Erfindung
Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Techniken bereit, in denen ein leitendes Deckmaterial einer Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε in einer frühen Fertigungsphase stabilisiert wird, wodurch dem Deckmaterial eine bessere chemische Stabilität und Temperaturstabilität verliehen wird, was zu geringeren Schwellwertspannungsfluktuationen zum Einstellen der Schwellwertspannung des Transistors unter Anwendung eines spezifizierten Elektrodenmaterials führt. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird ein Austauschgateverfahren angewendet, wobei die bessere Stabilität des auf der Gatedielektrikumsschicht gebildeten Deckmaterials eine deutliche Verringerung der Prozesskomplexität ermöglicht, indem beispielsweise zumindest eine Behandlung vermieden wird, die in konventionellen Vorgehensweisen zum Einstellen der Schwellwertspannung angewendet wird, während gleichzeitig geringere Schwellwertspannungsfluktuationen erreicht werden. In anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird das Deckmaterial in Form eines Materials mit Titan, Stickstoff und Sauerstoff bereitgestellt, das auch als ein Sauerstoff angereichertes Titannitridmaterial bezeichnet wird, wobei der zusätzliche Sauerstoffanteil in der Deckschicht als eine Quelle für das Zuführen von Sauerstoff zu dem darunter liegenden dielektrischen Material mit großem ε dient, wodurch die Menge an Sauerstofffehistellen verringert wird, von denen angenommen wird, dass sie einen deutlichen Grad an Austrittsarbeitsfluktuationen konventionellen Prozessstrategien hervorrufen, wie dies zuvor beschrieben ist. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Erläuterung eingeschränkt werden soll, da generell das Vorsehen einer größeren Menge an Sauerstoff in dem titan- und stickstoffenthaltenden Deckmaterial zu besseren Transistoreigenschaften führen kann, selbst wenn weitere Behandlungen auf der Grundlage spezieller Gase und Chemikalien in Verbindung mit erhöhten Temperaturen weggelassen oder in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase reduziert werden.
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Herstellung einer Gateelektrodenstruktur mit großem ε eins Halbleiterbauelements. Das Verfahren umfasst das Bilden eines dielektrischen Materials mit großem ε über einem Halbleitergebiet und das Bilden einer titan-, stickstoff- und sauerstoffenthaltenden Deckschicht auf dem dielektrischen Material mit großem ε. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines Elektrodenmaterials über der Deckschicht, wobei das Elektrodenmaterial eine Metallsorte aufweist, um eine Austrittsarbeit der Gateelektrodenstruktur mit großem ε einzustellen.
Ein anderes anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Gateelektrodenstruktur auf einem Halbleitergebiet eines Halbleiterbauelements. Die Gateelektrodenstruktur umfasst eine titan-, stickstoff- und sauerstoffenthaltenden Deckschicht, die über einem dielektrischen Material mit großem ε gebildet ist. Des weiteren umfasst die Gateelektrodenstruktur ein Platzhaltermaterial, das über der Deckschicht gebildet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden von Drain- und Sourcegebieten in dem Halbleitergebiet und das Ersetzen des Platzhaltermaterials durch ein Elektrodenmaterial nach der Herstellung der Drain- und Sourcegebiete, wobei das Elektrodenmaterial eine Metallsorte zum Einstellen einer Austrittsarbeit der Gateelektrodenstruktur enthält.
Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine Gateelektrodenstruktur, die eine titan-, sauerstoff- und stickstoffenthaltende Deckschicht auf einer Gateisolationsschicht aufweist, die wiederum ein dielektrisches Material mit großem ε enthält. Die Gateelektrodenstruktur umfasst ferner ein Elektrodenmaterial, das über der Deckschicht ausgebildet ist, und eine austrittsarbeitseinstellende Substanz aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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:
1a und 1b schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, um eine Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens herzustellen, indem konventionelle Strategien zum Einstellen der endgültigen Austrittsarbeit und damit der Schwellwertspannung des Transistors angewendet werden;
2a bis 2g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, um eine Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε auf der Grundlage einer Deckschicht herzustellen, die auf dem dielektrischen Material mit großem ε hergestellt ist und eine bessere Stabilität aufweist und einen höheren Sauerstoffanteil gemäß anschaulicher Ausführungsformen enthält; und
2h schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer frühen Fertigungsphase in Ausführungsformen zeigt, in denen eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung in dem aktiven Gebiet auf der Grundlage einer dünnen Seitenwandabstandshalterstruktur und eines Deckmaterials der besseren Stabilität gebildet wird.
Detaillierte Beschreibung
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 anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Problematik der Austrittsarbeit und der Schwellwertsschwankung in komplexen Transistoren mit einer Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens hergestellt werden. Dazu wird die Stabilität eines komplexen Materialssystems mit dem dielektrischen Material mit großem ε mit einem Deckmaterial, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form eines titan- und stickstoffenthaltenden Materials vorgesehen, verbessert, indem eine größere Menge an Sauerstoff in die Deckschicht auf der Grundlage gut gesteuerter Prozessbedingungen eingebaut wird. Ohne die vorliegende Anmeldung auf eine Theorie einschränken zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass die größere Sauerstoffmenge als eine Quelle zum Verringern der Anzahl an Sauerstofffehlstellen in dem dielektrischen Material mit großem ε dient, wodurch der Grad der Schwellwertsschwankung verringert wird, der konventioneller Weise u. a. durch den Prozessablauf hervorgerufen wird, der von dem Deckmaterial und dem dielektrischen Material mit großem ε vor dem Bereitstellen einer gewünschten austrittsarbeitseinstellenden Substanz durchlaufen wird. Des weiteren wird angenommen, dass eine größere Menge an Sauerstoff zu einer besseren Stabilität der Deckschicht selbst beiträgt, wodurch ebenfalls eine bessere Gleichmäßigkeit während der weiteren Bearbeitung eines komplexen Halbleiterbauelements erreicht wird. Beispielsweise kann die bessere Stabilität des Deckmaterials ermöglichen, dass eine geringere Dicke einer schützenden Seitenwandabstandshalterstruktur angewendet wird, die typischerweise vorgesehen wird, um die Integrität des empfindlichen Materials während der weiteren Bearbeitung zu bewahren. Jedoch müssen in vielen Vorgehensweisen effiziente Mechanismen zur Steigerung der Leistungsfähigkeit von Transistorelementen eingerichtet werden, beispielsweise in der Form einer eingebetteten verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung oder einer Mischung, die somit eine gewünschte Art an Verformung in dem benachbarten Kanalgebiet hervorruft. Da die Wirksamkeit eines derartigen Mechanismus stark von dem lateralen Abstand des verformungsinduzierenden Halbleitermaterials zu dem Kanalgebiet abhängt und da dieser Abstand im Wesentlichen durch die Breite der schützenden Abstandshalterelemente festgelegt ist, ist eine weitere Verringerung der Breite der Abstandshalter konventioneller Weise mit einer erhöhten Wahrscheinlichkeit verbunden, was die Integrität des Deckmaterials während der komplexen Sequenz zur Herstellung von Aussparungen in dem Halbleitermaterial und zum Wiederauffüllen der Aussparungen mit der verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung negativ beeinflusst. Durch Erhöhen der Stabilität des Deckmaterials kann eine Beeinträchtigung des Deckmaterials verringert oder vermieden werden, wenn die Breite der schützenden Abstandshalterelemente reduziert wird, wodurch ein effizienterer verformungsinduzierender Mechanismus erreicht wird.
Mit Bezug zu den 2a bis 2h werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch auf die 1a und 1b bei Bedarf Bezug genommen wird.
2a zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 200 mit einem Substrat 201, über welchem ein Halbleitergebiet 202 gebildet ist, das als ein Teil einer Halbleiterschicht verstanden werden kann, die auch Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) aufweist, die das Halbleitergebiet 202 lateral begrenzen. Das Halbleitergebiet 202 weist beispielsweise Silizium auf, da gegenwärtig und in der nahen Zukunft komplexe Halbleiterbauelemente auf der Grundlage von Siliziummaterial hergestellt werden. Zu beachten ist, dass andere Halbleitermaterialien bei Bedarf verwendet werden können. Beispielsweise enthält das Halbleitergebiet 202 Germanium, Silizium/Germanium in Form einer Halbleitermischung oder andere geeignete Halbleitermaterialien. Jedoch ist eine geeignete Dotierstoffverteilung in dem Halbleitergebiet 202 entsprechend den Erfordernissen zur Herstellung eines oder mehrerer Transistoren in und über dem Halbleitergebiet 202 vorgesehen. Beispielsweise repräsentiert das Gebiet 202 ein aktives Gebiet eines oder mehrerer p-Kanaltransistoren und/oder n-Kanaltransistoren, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt. Im Hinblick auf das Substrat 201 und des Halbleitergebiets 202 gelten auch die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind. In der gezeigten Fertigungsphase ist ein Gatedielektrikumsmaterial 218 auf dem Halbleitergebiet 202 gebildet und enthält ein dielektrisches Material mit großem ε 212. Wie ferner erläutert ist, kann eine Basisschicht 211, beispielsweise in Form von Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und dergleichen, zwischen dem Material mit großem ε 212 und dem Halbleitergebiet 212 vorgesehen sein, um etwa die Grenzflächeneigenschaften und dergleichen zu verbessern. In einigen anschaulichen Ausführungsformen enthält das dielektrische Material mit großem ε 212 Hafnium und Oxid, beispielsweise in Form von Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid und dergleichen. In anderen Fällen repräsentiert das dielektrische Material mit großem ε 212 ein Oxid anderer Metallsorten, etwa von Zirkon und dergleichen.
Das Halbleiterbauelement 202 und das Gatedielektrikumsmaterial 218 können auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik hergestellt werden, wie dies auch beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist. Nach der Herstellung des Gatedielektrikumsmaterials 218 wird das Halbleiterbauelement 200 der Einwirkung einer Abscheideumgebung 230 ausgesetzt, in welcher ein Deckmaterial, das typischerweise eine gewisse Leitfähigkeit besitzt, auf dem Gatedielektrikumsmaterial 218 gebildet ist, um eine bessere Integrität zu schaffen, wie dies auch zuvor erläutert ist. In einer anschaulichen Ausführungsform wird die Abscheideumgebung 230 auf der Grundlage von Titan, Stickstoff und Sauerstoff eingerichtet, um eine Materialschicht mit diesen Substanzsorten abzuscheiden, wobei ein Verhältnis der einzelnen Sorten eingestellt wird, indem geeignete Prozessparameter in der Abscheideumgebung 230 ausgewählt werden. Beispielsweise wird der Abscheideprozess 230 auf der Grundlage einer physikalischen Dampfabscheidetechnik durchgeführt, in der ein geeignetes Spendermaterial, etwa Titanmaterial, ein Titanoxidmaterial und dergleichen einem Teilchenbeschuss, beispielsweise in Form von Argonionen, und dergleichen, ausgesetzt wird, um Titan und möglicherweise andere Atome, die in dem Spendermaterial enthalten sind, in die Abscheideumgebung des Prozesses 230 freizusetzen. Zu diesem Zweck sind viele gut etablierte Prozessrezepte und Prozessanlagen in Halbleiterfertigungsstätten verfügbar. Ferner können weitere Sorten, etwa Stickstoff und/oder Sauerstoff in die Umgebung 230 eingeführt werden, indem ein entsprechender Gasfluss erzeugt wird, um damit zunehmend diverse Sorten auf und über dem Material 212 abzuscheiden. Da jeder dieser Prozessparameter mit hoher Präzision gesteuert werden kann, kann folglich die gewünschte Zusammensetzung des resultierenden Materials ebenfalls mit einer hohen Genauigkeit gesteuert werden. Es sollte beachtet werden, dass geeignete Prozessparameter effizient auf der Grundlage aktuell verfügbarer Prozessrezepte ermittelt werden können, indem die Materialzusammensetzung der resultierenden Schicht für eine Vielzahl unterschiedlicher Prozessparameter untersucht wird.
2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einer Deckschicht 213, die über dem dielektrischen Material mit großem ε 212 mit einer gewünschten Dicke und Materialzusammensetzung hergestellt ist, erreicht werden, indem die jeweiligen Prozessparameter des Prozesses 230 aus 2a gesteuert werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Deckschicht 213 in Form einer titan-, stickstoff- und sauerstoffenthaltenden Materialzusammensetzung vorgesehen, wobei ein Anteil des Sauerstoffs im Bereich von ungefähr 5 Atomprozent bis 30 Atomprozent liegt. Somit kann durch geeignetes Steuern der Zusammensetzung der Schicht 213 eine spezielle Konfiguration mit einem hohen Grad an Genauigkeit erreicht werden, wobei der zusätzliche Sauerstoff der Schicht 213 eine bessere chemische Stabilität verleiht und auch als eine Quelle dienen kann, um zusätzlich Sauerstoffatome für das Material 213 bereitzustellen, wodurch Sauerstofffehlstellen verringert werden, wie dies zuvor erläutert ist.
2c zeigt schematisch eine größere Ansicht eines Teils der Schichten 212 und 213 gemäß einer anschaulichen Ausführungsform, in der die Sorten Titan, Stickstoff und Sauerstoff im Wesentlichen gleichmäßig über die Dicke 213t der Schicht 213 verteilt sind. In diesem Falle ist eine im Wesentlichen gleichmäßige Verteilung so zu verstehen, dass die Konzentration jeder Sorte, die in der Schicht 213 enthalten ist, mit Ausnahme von unbeabsichtigt eingebauten Verunreinigungen, weniger als ungefähr 5% im Vergleich zu einer mittleren Konzentration der jeweiligen Sorte an einer beliebigen Höhe entlang der Dicke 213t der Schicht 213 variiert wird. Beispielsweise unterscheidet sich die Sauerstoffkonzentration an drei unterschiedlichen Höhenniveaus 213s, 213m, 213b, d. h. an der Oberfläche der Schicht 213, in der Mitte der Schicht 213 und an der Unterseite der Schicht 213, um weniger als ungefähr 5% einer mittleren Konzentration, die auf der Grundlage dieser einzelnen Konzentrationswerte festgelegt ist.
2d zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine Deckschicht 213 auf dem dielektrischen Material mit großem ε 212 gebildet ist. Die Deckschicht 213 enthält eine gewünschte Zusammensetzung, etwa eine Titannitridmischung und dergleichen. Beispielsweise können gut etablierte Abscheidestrategien angewendet werden, um die Schicht 213a herzustellen, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Um den Sauerstoffanteil der Schicht 213a zu erhöhen, kann eine Behandlung 231 auf der Grundlage einer sauerstoffenthaltenden Umgebung ausgeführt werden. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Behandlung 231 als ein plasmaunterstützter Prozess ausgeführt, während welchem Sauerstoffradikale mit dem Material der Schicht 213a in Wechselwirkung treten, wodurch ein gewisser Grad des Basismaterials der Schicht 213a „oxidiert” wird. Beispielsweise können geeignete Plasmarezepte angewendet werden, indem gut etablierte Sauerstoffplasmabedingungen verwendet werden, wie sie auch häufig in Abtragungsprozessen zum Entfernen von Lackmaterial eingesetzt werden, wobei das Lackmaterial zu Asche umgewandelt wird. Auf der Grundlage entsprechender Prozessrezepte und Prozessanlagen kann die Behandlung 231 ungefähr 5 bis 60 Sekunden lang ausgeführt werden, wodurch ein gewünschter Sauerstoffanteil in der Schicht 213a unter vorgegebenen Prozessbedingungen zum Etablieren der Plasmaumgebung 231 erreicht wird. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die Behandlung 231 auf der Grundlage einer anderen reaktiven sauerstoffenthaltenden Prozessumgebung ausgeführt, beispielsweise durch Einrichten einer Gasumgebung und Anwenden erhöhter Temperaturen im Bereich von ungefähr 150 bis 300 Grad C, wodurch ebenfalls effizient der Sauerstoff in die Schicht 213a eingebaut wird. Auch in diesem Falle können die Prozessparameter mit einem hohen Grad an Genauigkeit gesteuert werden, beispielsweise durch Erzeugen spezifizierter Gasdurchflussraten, durch Steuern der Prozesstemperatur und dergleichen. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen wird die Behandlung 231 auf der Grundlage einer reaktiven nasschemischen Prozessumgebung durchgeführt, wobei ein oxidierendes Mittel beispielsweise in Verbindung mit geeigneten Temperaturen zugeführt wird, um eine gewünschte Menge an Sauerstoff in die Schicht 213a einzubauen.
2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 nach der Behandlung 231 aus 2b, wobei die Schicht 213a in die Schicht 213 „umgewandelt” wird, wobei diese Schicht eine gewünschte Menge an Sauerstoff enthält.
Auf der Grundlage der Schicht 213, die durch eine der oben beschriebenen Prozesstechniken hergestellt wird, wird die Bearbeitung fortgesetzt, indem ein oder mehrere Materialien abgeschieden werden, um einen Schichtstapel 210s zu erzeugen, der ein Platzhaltermaterial 214 in Verbindung mit einem oder mehreren weiteren Materialien aufweist, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Es sollte beachtet werden, dass während des Abscheidens von weiteren Materialien des Gateschichtstapels 210s und während dessen Strukturierung des Materials 213 mit dem erhöhten Sauerstoffanteil eine bessere Gleichmäßigkeit der Eigenschaften der Schicht 213 selbst und auch der Schicht 212 liefert.
2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in eine weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein Transistor 250 in und über dem Halbleitergebiet 202 aufgebaut und enthält Drain- und Sourcegebiete 252, ein Kanalgebiet 251 und ein Metallsilizidgebiet 253. Ferner ist eine Gateelektrodenstruktur 210 auf dem Halbleitergebiet 202 ausgebildet und enthält die dielektrischen Schichten 211 und 212, die noch von der Deckschicht 213 abgedeckt sind. Ein Schutzabstandshalter 216, beispielsweise in Form eines dünnen Oxidmaterials (nicht gezeigt) und in Form eines Siliziumnitridmaterials ist ggf. vorgesehen und begrenzt lateral eine Gateöffnung 214a. Ferner ist eine Abstandshalterstruktur 154 an dem Abstandshalter 216 vorgesehen und besitzt einen beliebigen geeigneten Aufbau. Des weiteren ist ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 220, beispielsweise mit zwei oder mehr einzelnen Materialschichten 212, 222 so vorgesehen, dass die Gateelektrodenstruktur 210 lateral eingeschlossen wird.
Im Hinblick auf Fertigungstechniken zur Herstellung des Halbleiterbauelements 200, wie es in 2f gezeigt ist, gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind, um die Drain- und Sourcegebiete 252, die Metallsilizide 253, die Gateelektrodenstruktur 210 und das dielektrische Zwischenschichtmaterial 220 vorzusehen. Ferner wird das Platzhaltermaterial 214 (siehe 2e) von der Gateelektrodenstruktur 210 auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Ätztechnik entfernt, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden nach dem Freilegen der Deckschicht 213 in der Gateöffnung 214 weitere Behandlungen zum Einstellen oder Stabilisieren des Aufbaus der Schicht 213, 212 weggelassen, da die verbesserte Stabilität und der größere Sauerstoffanteil der Schicht 213 zu einem höheren Grad an Gleichmäßigkeit führt, da vorhergehende Prozesse den Status der Schichten 212, 213 deutlich weniger beeinflusst. Beispielsweise wird angenommen, dass während der vorhergehenden Hochtemperaturprozesse der größere Sauerstoffanteil in der Schicht 213 die Dichte von Sauerstofffehlstellen in dem Material 212 reduziert, wodurch zu einem stabilen Zustand dieses Materials beigetragen wird. Ferner liefert der zusätzliche Sauerstoff in der Schicht 213 eine höhere Integrität der Schicht 213 selbst, beispielsweise im Hinblick auf die chemische Stabilität, die Temperaturabhängigkeit und dergleichen. Folglich kann ein Material 217, das eine geeignete austrittsarbeitseinstellende Metallsorte, etwa Aluminium für p-Kanaltransistoren oder Lanthanum für n-Kanaltransistoren und dergleichen aufweist, in der Öffnung 214a möglicherweise in Verbindung mit anderen Barrierenmaterialien, bei Bedarf, ohne jegliche komplexe Behandlungen vor dem Abscheiden hergestellt werden. Somit kann der Gesamtdurchsatz des Fertigungsablaufs deutlich verbessert werden, während gleichzeitig eine höhere Stabilität des Aufbaus der Gateelektrodenstruktur 210 erreicht wird. Nach dem Abscheiden der Materialschicht 217 geht die Bearbeitung weiter, indem ein weiteres Material aufgebracht und bei Bedarf strukturiert wird, um damit eine geeignete Austrittsarbeitsmetallsorte für jegliche Art von Transistoren in dem Bauelement 200 bereitzustellen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen geht die weitere Bearbeitung weiter, ohne dass spezielle Behandlungen für das Einstellen der Austrittsarbeit, etwa auf der Grundlage erhöhter Temperaturen möglicherweise in Verbindung mit speziellen Gasatmosphären erforderlich sind. Wie sie typischerweise in konventionellen Strategien angewendet werden. Beispielsweise ist eine Atmosphäre aus Formierungsgas auf der Grundlage erhöhter Temperaturen in einigen anschaulichen Ausführungsformen nicht erforderlich und ermöglicht somit eine bessere Prozesseffizienz. Daraufhin wird ein Elektrodenmaterial in der Öffnung 214a auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik, etwa CVD, Sputter-Abscheidung, elektrochemische Abscheidung und dergleichen erzeugt.
2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der das Material 217 in Verbindung mit einem weiteren leitenden Material 218 ein Elektrodenmaterial der Gateelektrodenstruktur 210 repräsentieren. Beispielsweise wird das leitende Material 218 in Form von Aluminium vorgesehen, wobei, wie zuvor erläutert ist, die Materialschicht 217 eine oder mehrere einzelne Materialschichten aufweisen kann, und zumindest eine die gewünschte austrittsarbeitseinstellende Substanz enthält. Wie zuvor erläutert ist, kann das Material 218 auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht werden, woran sich das Entfernend von überschüssigem Material anschließt, was bewerkstelligt werden kann mittels CMP (chemisch-mechanisches Polieren), Ätzen, Elektro-CMP, Elektroätzen und dergleichen. Folglich wird die Gateelektrodenstruktur 210 mit besserer Gleichmäßigkeit im Hinblick auf die Austrittsarbeit und somit die Schwellwertspannung des Transistors 250 bereitgestellt, wobei auch die Möglichkeit besteht, die gesamte Prozesskomplexität im Vergleich zu konventionellen Vorgehensweisen zu verringern.
2h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung 255, etwa eine Silizium/Germanium-Legierung, und dergleichen, in dem Halbleitergebiet 202 vorgesehen wird, um eine gewünschte Verformungskomponente im Kanalgebiet 251 hervorzurufen. Zu diesem Zweck enthält die Gateelektrodenstruktur 210 ein dielektrisches Deckmaterial 215, etwa ein Siliziumnitridmaterial und dergleichen, in Verbindung mit dem Abstandshalter 216, der beispielsweise in Form eines Oxidmaterials (nicht gezeigt) und eines Siliziummaterials vorgesehen ist, um das Platzhaltermaterial 214 einzuschließen und um die Integrität von Seitenwänden der empfindlichen Materialien 213 und 212 zu bewahren.
Die in 2h gezeigte Gateelektrodenstruktur 210 kann auf der Grundlage einer geeigneten Fertigungsstrategie aufgebaut werden. D. h., nach dem Strukturieren des Gateschichtstapels wird der Abstandshalter 216 hergestellt, beispielsweise durch Oxidieren des Platzhaltermaterials 214 und durch Abscheiden eines Siliziumnitridmaterials auf der Grundlage thermisch aktivierter und/oder plasmaverstärkter CVD-Techniken, wobei das Material nachfolgend mittels geeigneter plasmaunterstützter Ätztechniken geätzt wird. Somit können die Materialien 215 und 216 als eine Ätzmaske und eine Aufwachsmaske während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 200 dienen. D. h., es werden Aussparungen in dem Halbleitergebiet 202 auf der Grundlage gut etablierter anisotroper Ätztechniken hergestellt, woran sich eine Sequenz zum Wiederauffüllen der Aussparungen mit dem Material 255 anschließt. Folglich hängt der laterale Abstand des Materials 255 zu dem Kanalgebiet 251 und damit die verformungsinduzierende Wirksamkeit des Materials 255 von der Breite des Abstandshalters 216 ab, die wiederum ein Kompromiss zwischen einer zuverlässigen Abdeckung der Materialien 214, 213 und 212 und einem gewünschten minimalen Abstand des Materials 255 ist. Somit kann bei einer weiteren Verringerung der Breite des Abstandshalters 216 in dem Versuch, eine höhere Verformungskomponente im Kanalgebiet 251 hervorzurufen, insbesondere ein Teil des Materials 213 während der komplexen Prozesssequenz freigelegt werden, da eine Vielzahl an Reinigungsprozessen erforderlich sind, die auf der Grundlage von Schwefelsäure und dergleichen ausgeführt werden. Beim Strukturieren der Gateelektrodenstruktur 210 wird beispielsweise auch eine mehr oder minder ausgeprägte größere Gatelänge am Fuße der Gateelektrodenstruktur 210, die als 210f angegeben ist, erzeugt, was wiederum zu einer deutlich geringeren Dicke des Abstandshalters 216 und damit zu einer weniger zuverlässigen Abdeckung eines entsprechenden Bereichs des Materials 213 führen kann, insbesondere, wenn generell die Breite des Abstandshalters 216 zu verringern ist. Somit kann während sehr effizienter jedoch aggressiver Reinigungsrezepte das Deckmaterial angegriffen und entfernt werden, wodurch ausgeprägte Unregelmäßigkeiten hervorgerufen werden. Auf Grund des erhöhten Sauerstoffanteils des Materials 213 wird dessen chemische Stabilität deutlich verbessert, wodurch die Auswirkungen von chemischen Mitteln, etwa von Reinigungsmitteln, verringert werden, selbst wenn eine geringe Breite des Abstandshalters 216 angewendet wird. Für eine ansonsten identische Konfiguration der Elektrodenstruktur 210 kann somit das Bereitstellen der Schicht 213 mit dem erhöhten Sauerstoffanteil eine geringere Breite des Abstandshalters 216 im Vergleich zu konventionellen Strategien ermöglichen, wodurch das Leistungsverhalten des resultierenden Transistors verbessert wird.
Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen das auf dem dielektrischen Material mit großem ε einer Gateelektrodenstruktur gebildete Deckmaterial einen erhöhten Sauerstoffsanteil erhält, wodurch zumindest dem darunter liegenden dielektrischen Material mit großem ε eine höhere Stabilität verliehen wird. Folglich kann die Anzahl an komplexen Prozessen zum Einstellen der endgültigen Austrittsarbeit in einer sehr späten Fertigungsphase in einem Austauschgateverfahren verringert werden oder derartige Behandlungen können vollständig weggelassen werden, woraus sich ein sehr effizienter Prozessablauf ergibt, während gleichzeitig Schwellwertspannungsschwankungen von Transistoren der gleichen Art deutlich verringert werden.
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 Lehre vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten Formen der vorliegenden Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Gateelektrodenstruktur mit großem ε eines Halbleiterbauelements, wobei das Verfahren umfasst: Bilden eines dielektrischen Materials mit großem ε über einem Halbleitergebiet: Bilden einer titan-, stickstoff- und sauerstoffenthaltenden Deckschicht auf dem dielektrischen Material mit großem ε; und Bilden eines Elektrodenmaterials über der Deckschicht, wobei das Elektrodenmaterial eine Metallsorte zum Einstellen einer Austrittsarbeit der Gateelektrodenstruktur mit großem ε aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Deckschicht umfasst: Bilden einer Titannitridschicht und Einwirken auf die Titannitridschicht mittels einer gesteuerten Sauerstoffumgebung.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gesteuerte Sauerstoffumgebung durch Erzeugen eines Plasmas eingerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die gesteuerte Sauerstoffumgebung eingerichtet wird, indem eine nasschemische Umgebung oder eine Gasumgebung ohne Verwendung einer Plasmaatmosphäre eingerichtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Deckschicht umfasst: Abscheiden von Titan durch Ausführen eines physikalischen Dampfabscheideprozesses in einer sauerstoff- und stickstoffenthaltenden Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden der Deckschicht umfasst: Abscheiden von Titanoxid durch Ausführen eines physikalischen Dampfabscheideprozesses in einer stickstoffenthaltenden Umgebung.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das dielektrische Material mit großem ε Hafnium aufweist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Bilden des Elektrodenmaterials umfasst: Bilden eines Platzhaltermaterials über der Deckschicht, um eine Austauschgateelektrodenstruktur herzustellen, Bilden von Drain- und Sourcegebieten in dem Halbleitergebiet in Anwesenheit der Austauschgateelektrodenstruktur und Ersetzen des Platzhaltermaterials durch das Elektrodenmaterial nach dem Bilden der Drain- und Sourcegebiete.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei Ersetzen des Platzhaltermaterials durch das Elektrodenmaterial umfasst: Entfernen des Platzhaltermaterials und Abscheiden mindestens eines Materials mit der Metallsorte zum Einstellen der Austrittsarbeit und Vermeiden der Einwirkung einer sauerstoffenthaltenden Umgebung auf das Halbleiterbauelement vor und nach dem Abscheiden des mindestens einen Materials.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden eines verformungsinduzierenden Halbleitermaterials in dem Halbleitergebiet.
Verfahren mit: Bilden einer Gateelektrodenstruktur auf einem Halbleitergebiet eines Halbleiterbauelements, wobei die Gateelektrodenstruktur eine titan-, stickstoff- und sauerstoffenthaltende Deckschicht aufweist, die auf einem dielektrischen Material mit großem ε gebildet ist, und wobei die Gateelektrodenstruktur ein Platzhaltermaterial aufweist, das über der Deckschicht gebildet ist; Bilden von Drain- und Sourcegebieten in dem Halbleitergebiet; und Ersetzen des Platzhaltermaterials durch ein Elektrodenmaterial nach dem Herstellen der Drain- und Sourcegebiete, wobei das Elektrodenmaterial eine Metallsorte zum Einstellen einer Austrittsarbeit der Gateelektrodenstruktur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bilden der Gateelektrodenstruktur umfasst: Abscheiden eines Titannitridmaterials über dem dielektrischen Material mit großem ε und Ausführen einer Behandlung auf der Grundlage einer Sauerstoffsorte.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Bilden der Gateelektrodenstruktur umfasst: Abscheiden der Deckschicht in einer Abscheideumgebung, die gleichzeitig Titan, Stickstoff und Sauerstoff enthält.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei Abscheiden der Deckschicht umfasst: Ausführen eines physikalischen Dampfabscheideprozesses.
Verfahren nach Anspruch 11, das ferner umfasst: Bilden einer verformungsinduzierenden Halbleiterlegierung in dem Halbleitergebiet vor dem Bilden der Drain- und Sourcegebiete.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bilden der Gateelektrodenstruktur umfasst: Abscheiden des dielektrischen Materials mit großem ε, so dass es Hafnium enthält.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Bilden der Gataeelektrodenstruktur umfasst: Bilden der Deckschicht auf dem dielektrischen Material mit großem ε.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei Ersetzen des Platzhaltermaterials durch das Elektrodenmaterial umfasst: Vermeiden der Einwirkung eines Wasserstoffgases auf zumindest die Metallsorte und der Deckschicht.
Transistorbauelement mit: einer Gateelektrodenstruktur mit einer titan-, sauerstoff- und stickstoffenthaltenden Deckschicht auf einer Gateisolationsschicht, die ein dielektrisches Material mit großem ε aufweist, wobei die Gateelektrodenstruktur ferner ein Elektrodenmaterial enthält, das über der Deckschicht gebildet ist und eine austrittsarbeitseinstellende Substanz enthält.
Transistorbauelement nach Anspruch 19, wobei eine Sauerstoffverteilung in der Deckschicht im Wesentlichen gleichmäßig ist.