DE102009047891B4

DE102009047891B4 - Verfahren zur Herstellung eines Transistors mit verbesserten Füllbedingungen in einem Austauschgateverfahren durch Eckenverrundung vor dem vollständigen Entfernen eines Platzhaltermaterials

Info

Publication number: DE102009047891B4
Application number: DE102009047891A
Authority: DE
Inventors: Sven Beyer; Klaus Hempel; Andreas Ott; Stephan Kruegel
Original assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries Inc
Current assignee: GlobalFoundries Dresden Module One LLC and Co KG; GlobalFoundries US Inc
Priority date: 2009-09-30
Filing date: 2009-09-30
Publication date: 2012-02-23
Anticipated expiration: 2029-10-01
Also published as: DE102009047891A1; US8048792B2; US20110073963A1

Abstract

Verfahren mit: Bilden eines ersten Teils einer Öffnung in einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors durch Entfernen eines ersten Teils eines Platzhalterelektrodenmaterials der Gateelektrodenstruktur unter Beibehaltung eines zweiten Teils des Platzhaltermaterials zur Abdeckung eines Materialsystems der Gateelektrodenstruktur, wobei der erste Teil der Öffnung eine anfängliche Breite im oberen Bereich der Öffnung besitzt; Vergrößern der Breite des ersten Teils der Öffnung am oberen Bereich in Anwesenheit des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials; Entfernen des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials; Bilden einer Materialschicht in der Öffnung, die die größere Breite an dem oberen Bereich besitzt, wobei die Materialschicht eine austrittsarbeitseinstellende Sorte aufweist; und Füllen der Öffnung mit einem leitenden Elektrodenmaterial.

Description

Gebiet der vorliegenden Erfindung
Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung moderner integrierter Schaltungen mit Transistorelementen, die Gatestrukturen auf der Grundlage eines dielektrischen Gatematerials mit großem ε in Verbindung mit einem Metallelektrodenmaterial 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, wobei Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die im Wesentlichen das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen festlegen. Im Allgemeinen wird eine Vielzahl an Prozesstechnologien eingesetzt, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen mit Feldeffekttransistoren die CMOS-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 beispielsweise der CMOS-Technologie werden Millionen Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, typischerweise sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche gebildet sind, die durch stark dotierte Gebiete, die als Drain- und Sorucegebiete bezeichnet werden, und einen leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet, etwa einem Kanalgebiet, gebildet ist, 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 ausgebildete ist und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Dreingebiet, der auch als Kanallänge bezeichnet wird. Somit beeinflusst die Leitfähigkeit des Kanalgebiets das Leistungsverhalten von MOS-Transistoren ganz wesentlich.
Gegenwärtig wird der Hauptteil an integrierten Schaltungen auf der Grundlage von Silizium hergestellt auf Grund dessen nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit, auf Grund der 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, die für Massenprodukte vorgesehen sind. Ein Grund für die große Bedeutung des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolierung unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxid-Grenzfläche ist bei höheren Temperaturen stabil und erlaubt somit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise für Ausheizprozesse erforderlich sind, um Dotierstoff 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 metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Bauteilverhaltens von Feldeffekttransistoren wird die Länge des Kanalgebiets stetig verkleinert, um die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu erhöhen. Da das Transistorleistungsverhalten durch die Spannung gesteuert ist, die der Gateelektrode zugeführt wird, um die Oberfläche des Kanalgebiets in eine ausreichend hohe Ladungsdichte zu invertieren, um damit den gewünschten Durchlassstrom bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung zu erreichen, ist ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung aufrecht zu erhalten, die durch den Kondensator hervorgerufen wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es zeigt sich, dass eine Verringerung der Kanallänge eine höhere kapazitive Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom und zu einer ausgeprägten Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer reduzierten Schwellwertspannung weisen ggf. eine exponentielle Zunahme des Leckstromes auf, wobei auch eine erhöhte kapazitive Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich ist. Daher wird die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erreichen. Beispielsweise benötigt eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl allgemein die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistorelementen mit einem extrem kurzen Kanal im Wesentlichen auf Hochgeschwindigkeitssignalwege beschränkt ist, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger kritische Signalwege eingesetzt werden, etwa in Form von Speichertransistoren, erreicht der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch eine sehr dünne Siliziumdioxidgateisolationsschicht hervorgerufen wird, Werte bei einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit den thermischen Entwurfsleistungsanforderungen für gewisse Schaltungen verträglich sind.
Daher wurde das Ersetzen des siliziumdioxidbasierten Dielektrikums als Material für Gateisolationsschichten insbesondere für sehr dünne siliziumdioxidbasierte Gatschichten vorgeschlagen. Mögliche alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalische größere Dicke bei einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung ergibt, die ansonsten durch eine extrem dünne Siliziumdioxidschicht erreicht wurde.
Es wurde daher vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien mit hoher Permittivität zu ersetzen, etwa Tantaloxid (Ta₂O₅) mit einem ε von ungefähr 25, durch Strontiumtitanoxid (Sr₂O₃) mit einem von ungefähr 150, durch Hafniumoxid (Hf₂O₂), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO₂) und dergleichen.
Des weiteren kann das Transistorverhalten verbessert werden, indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird, um das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial zu ersetzen, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zum Gatedielektrikum erfährt, wodurch die effektive Kapazität zwischen dem Kanalgebiet und der Gateelektrode verringert wird. Daher wurde ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine höhere Kapazität auf der Grundlage der gleichen Dicke wie eine siliziumdioxidbasierte Schicht sorgt, während zusätzlich Leckströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits wird das nicht-Polysiliziummaterial, etwa Titannitrid und dergleichen, in Verbindung mit anderen Metallen so hergestellt, dass es mit dem dielektrischen Material mit großem ε in Kontakt ist, wodurch das Auftreten einer Verarmungszone im Wesentlichen vermieden wird. Da die Schwellwertspannung der Transistoren, die die Spannung repräsentiert, bei der sich ein leitender Kanal in dem Kanalgebiet ausbildet, wesentlich durch die Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gatematerials bestimmt ist, muss eine geeignete Einstellung der wirksamen Austrittsarbeit im Hinblick auf die Leitfähigkeitsart des betrachteten Transistors sichergestellt werden.
Das Vorsehen unterschiedlicher Metallsorten zum Einstellen der Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren in einer frühen Fertigungsphase ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft, die sich aus der Tatsache ergeben, das eine komplexe Strukturierungssequenz während der Herstellung des komplexen Metallgatestapels mit großem ε erforderlich ist, was zu einer ausgeprägten Variabilität der resultierenden Austrittsarbeit und der Schwellwertspannung der Transistorstrukturen führen kann. Während einer entsprechenden Fertigungssequenz kann beispielsweise das Material mit einem großem ε der Einwirkung von Sauerstoff ausgesetzt werden, was zu einer Zunahme der Schichtdicke und damit zu einer Verringerung der kapazitiven Kopplung führen kann. Des weiteren wird eine Verschiebung der Austrittsarbeit beobachtet, wenn geeignete Austrittsarbeitsmetalle in einer frühen Fertigungsphase hergestellt werden, wobei angenommen wird, dass dies durch eine moderat hohe Sauerstoffaffinität der Metallsorte insbesondere während des Ausführens von Hochtemperaturprozessen verursacht wird, die typischerweise für die Fertigstellung der Transistorstrukturen, beispielsweise für die Herstellung der Drain- und Sourcegebiete und dergleichen, erforderlich sind.
Aus diesem Grunde wird in einigen Vorgehensweisen der anfängliche Gateelektrodenstapel mit einem hohen Grade an Kompatibilität zu konventionellen polysiliziumbasierten Prozessstrategien beibehalten und das eigentliche Elektrodenmaterial und die endgültige Einstellung der Austrittsarbeit der Transistoren wird in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase bewerkstelligt, d. h. dem Fertigstellen der grundlegenden Transistorstruktur.
Gemäß dieser Vorgehensweise können insbesondere Schwellwertschwankungen, die durch Hochtemperaturprozesse und dergleichen hervorgerufen werden, effizient vermieden werden, wodurch zu einer besseren Gleichmäßigkeit der komplexen Transistorelemente beigetragen wird. In diesem Austauschgateverfahren wird das Polysiliziummaterial auf der Grundlage geeigneter Ätzrezepte, nasschemischer Ätzrezepte, entfernt, die einen hohen Grad an Selektivität im Hinblick auf das isolierende Material besitzen, das das Polysiliziummaterial lateral einschließt. Nach dem Entfernen des Polysiliziummaterials wird ein geeignetes metallenthaltendes Material aufgebracht, um die austrittsarbeitseinstellende Sorte über dem Gatedielektrikumsmaterial vorzusehen, wie dies zuvor erläutert ist. Typischerweise erfordert p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren unterschiedliche Arten an austrittsarbeitseinstellenden Sorten, wozu entsprechendes Maskierungs- und Strukturierungsschema erforderlich ist, um in geeigneter Weise das gewünschte arbeitseinstellende Material in den Gateelektrodenstrukturen bzw. n-Kanaltransistoren zu bilden. Unabhängig von der angewendeten Prozessstrategie muss nach dem Abscheiden der austrittsarbeitseinstellenden Materialschicht zumindest das eigentliche Elektrodenmetall, etwa Aluminium, in die Öffnung eingefüllt werden, deren Breite jedoch durch die vorhergehende Abscheidung des austrittsarbeitseinstellenden Material weiter verringert wurde, wodurch ausgeprägte Unregelmäßigkeiten hervorgerufen werden können, wie dies mit Bezug zu den 1a bis 1c beschrieben ist.
1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100, das ein Substrat 101 aufweist, etwa ein Siliziumsubstrat und dergleichen, in oder über welchem eine siliziumbasierte Halbleiterschicht 202 vorgesehen ist. Das Bauelement 100 umfasst einen Transistor 150, etwa einem p-Kanaltransistor oder einen n-Kanaltransistor, der auf der Grundlage kritischer Abmessungen von ungefähr 40 nm und weniger hergestellt sein kann. Des weiteren ist ein weiteres Schaltungselement 160 in dem Halbleiterbauelement vorgesehen, etwa ein Feldeffekttransistor, ein Kondensator und dergleichen, und dieses Element kann auf der Grundlage einer größeren kritischen Abmessung hergestellt sein. Der Transistor 150 umfasst Drain- und Sourcegebiete 151 möglicherweise in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 152. In ähnlicher Weise umfasst das Schaltungselement 160 „Drain- und Sourcegebiete” 161 in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 162. Der Transistor 150 umfasst ferner eine Gateelektrodenstruktur 155, die in der gezeigten Fertigungsphase ein Gatedielektrikumsmaterial 155a, das auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε hergestellt ist, aufweist, wie dies zuvor erläutert ist. Ferner ist eine Seitenwandabstandshalterstruktur 155c vorgesehen und begrenzt eine Öffnung 155o mit einer Breite, die im Wesentlichen einer gewünschten Länge der Gateelektrodenstruktur 155 entspricht. Beispielsweise beträgt die Breite der Öffnung 155o in komplexen Anwendungen 40 nm und weniger. In ähnlicher Weise umfasst das Schaltungselement 160 eine „Gateelektrodenstruktur” 165 mit einem Gatedielektrikumsmaterial 165a, einer Abstandshalterstruktur 165c, die eine Öffnung 165o bildet. Im Prinzip können die Gateelektrodenstrukturen 155a, 165 den gleichen Aufbau mit Ausnahme einer unterschiedlichen Breite der Öffnung 165o im Vergleich zu der Öffnung 155o besitzen. Ein dielektrisches Material 103, etwa in Form von Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und dergleichen, ist so vorgesehen, dass es die Gateelektrodenstrukturen 155, 165 lateral einschließt.
Das Halbleiterbauelement 100, wie es in 1a gezeigt ist, kann auf der Grundlage der folgenden Prozesstechniken hergestellt werden. Nach der Ausbildung geeigneter Halbleitergebiete in der Schicht 102, etwa durch Bereitstellen von Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) zur Aufnahme der Schaltungselemente 150, 160 werden die Gatedielektrikumsmaterialien 155a, 165a auf der Grundlage von Oxidation und/oder komplexen Abscheidetechniken hergestellt, wobei typischerweise ein dielektrisches Material mit großem ε in die dielektrische Materialien 155a, 165a eingebaut wird. Beispielsweise wird häufig ein siliziumdioxidbasiertes Material als eine Basisschicht möglicherweise in Verbindung mit weiteren Sorten, etwa Stickstoff, verwendet, auf der ein geeignetes dielektrisches Material mit großem ε, etwa Hafniumoxid und dergleichen, aufgebracht wird. Daraufhin wird ein leitendes Deckmaterial hergestellt, um die Integrität der Gatedielektrikumsmaterialien 155a, 165a während der weiteren Bearbeitung sicherzustellen. Daraufhin wird Polysiliziummaterial auf der Grundlage gut etablierter Prozessrezepte aufgebracht, möglicherweise in Verbindung mit weiteren Deckmaterialien, Hartmaskenmaterialien und dergleichen, wie dies zum Strukturieren des resultierenden Materialschichtstapels entsprechend den Entwurfsregeln erforderlich ist, um die kritischen Abmessungen für die Gateelektrodenstruktur 155 zuverlässig zu erreichen. Daraufhin werden aufwendige Strukturierungsprozesse angewendet, um die Gateelektrodenstrukturen 155, 156 zu schaffen, die das Polysiliziummaterial als ein Platzhaitermaterial enthalten. Als nächstes werden die Drain- und Sourcegebiete 151 in Verbindung mit dem Seitenwandabstandshalterstrukturen 155c, 165c hergestellt, so dass das gewünschte Dotierstoffprofil erreicht wird. Ferner werden die Abstandshalterstrukturen 155c, 165c ebenfalls verwendet, um die Metallsilizidgebiete 152, 162 zu bilden, wodurch der grundlegende Aufbau der Schaltungselemente 150, 160 fertiggestellt ist. Als nächstes wird das dielektrische Material 103, das auch als ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial bezeichnet wird, hergestellt, indem etwa Siliziumnitrid gefolgt von Siliziumdioxid und dergleichen abgeschieden wird. Daraufhin wird überschüssiges Material entfernt und eine obere Oberfläche der Gateelektrodenstrukturen 155, 165 beispielsweise mittels eines Polierprozesses, etwa durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren) freigelegt. Daraufhin wird ein Ätzprozess, etwa ein sehr selektiver nasschemischer Ätzprozess, ausgeführt, um das freiliegende Polysiliziummaterial selektiv zu dem dielektrischen Material 103 und dem Seitenwandabstandshalterstrukturen 155c, 165c zu entfernen, wodurch die Öffnungen 155o, 165o gebildet werden.
1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 mit einer metallenthaltenden Materialschicht 155d, die auf dem dielektrischen Material 103 und in der Öffnung 155o gebildet ist. Die Materialschicht 155d enthält eine oder mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien, etwa Titannitrid, Tantalnitrid und dergleichen, wobei auch eine geeignete Metallsorte, etwa Lanthanum, Aluminium und dergleichen eingebaut ist, um damit die resultierende Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen 155, 165 einzustellen. Wie zuvor erläutert ist, werden abhängig von der gesamten Prozessstrategie unterschiedliche Materialschichten lokal in Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeitsart vorgesehen, wodurch das Abscheiden zumindest einer oder mehrerer Materialschichten, möglicherweise mit zusätzlichen Ätzprozessen zum selektiven Entfernen einer oder mehrerer dieser Schichten von Gateelektrodenstrukturen von Transistoren, die eine andere Art an Austrittsarbeitsmetallsorten erfordern, notwendig ist. Unabhängig von der angewendeten Prozessstrategie wird das Material 155d auf der Grundlage komplexer Abscheidetechniken, etwa chemische Dampfabscheidung, physikalische Dampfabscheidung und dergleichen, aufgebracht, um die Materialschicht 155d zuverlässig zumindest über den Gatedielektrikumsmaterialien 155a, 165a mit einer Dicke zu bilden, wie dies für das geeignete Anordnen der Austrittsarbeitsmetallsorte an und in den dielektrischen Materialien 155a, 165a erforderlich ist. Während des Abscheidens des Materials 155d kann eine deutliche Variation der Schichtdicke erzeugt werden, die insbesondere in einem oberen Bereich der Öffnung 155o mit den geringeren kritischen Abmessungen ausgeprägt ist. Während eine Breite 155w der Öffnung 155o an deren Unterseite durch die lokale Schichtdicke festgelegt ist, die so gewählt ist, dass die gewünschte Abdeckung des Gatedielektrikumsmaterials 155a erreicht wird, ist eine Breite 155r an der Oberseite der Öffnung 155o somit deutlich reduziert auf Grund entsprechender Überhänge der Schicht 155d. Andererseits beeinflusst die reduzierte Breite 165r an dem oberen Bereich der Öffnung 165o die weitere Bearbeitung des Bauelements 100 nicht wesentlich. Andererseits kann die reduzierte Breite 155r, die 20 nm und weniger betragen kann bei einer anfänglichen Breite der Öffnung 155o von ungefähr 40 nm, zu ausgeprägten Unregelmäßigkeiten während der weiteren Bearbeitung führen, wenn das eigentliche Elektrodenmaterial in die Öffnungen 155o, 165o eingefüllt wird.
1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach dem Abscheiden eines Elektrodenmetalls 155e, etwa Aluminium und dergleichen, um die Gateelektrodenstrukturen 155, 165 fertig zu stellen. Auf Grund der reduzierten Breite 155r wird die Öffnung 155o ggf. nicht vollständig gefüllt oder die Öffnung 155o bleibt im Wesentlichen ungefüllt, wodurch eine nicht funktionierende Gateelektrodenstruktur für den Transistor 150 geschaffen wird. Andererseits kann die Öffnung 165o auf Grund der weniger kritischen Breite der Öffnung 165o zuverlässig gefüllt werden. Beim Entfernen von überschüssigem Material werden somit die Gateelektrodenstrukturen 155, 165 fertiggestellt, jedoch mit einer sehr ausgeprägten Wahrscheinlichkeit des Erzeugens nicht funktionsfähiger Gateelektrodenstrukturen für kritische Transistorelemente, etwa dem Transistor 150. Obwohl somit im Prinzip die Einstellung der Austrittsarbeit der Gateelektrodenstruktur 150 in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase vorteilhaft ist im Hinblick auf eine Verringerung der Variabilität der Transistoreigenschaften bezüglich der Schwellwertspannung neigen insbesondere stark größenreduzierte Transistorelemente zu erhöhten Ausbeuteverlusten auf Grund unvollständig gefüllter Gateelektrodenstrukturen oder nicht funktionierender Gateelektrodenstrukturen.
Die US 2008/0185637 A1 betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Gateelektrodenstruktur auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens, wobei erkannt wurde, dass insbesondere bei der Herstellung von Kontaktelementen zu den Drain- und Sourcegebieten sowie zu der Gateelektrodenstruktur Prozessunregelmäßigkeiten auftreten, die zu Bauteilausfällen führen können. Der Grund für die Bauteilausfälle wird auf das Freilegen des empfindlichen dielektrischen Materials an den Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur beim Erzeugen der Öffnungen für die Kontaktelemente zurückgeführt. Um dies zu vermeiden, wird nach dem vollständigen Entfernen eines Platzhaltermaterials unter Freilegung des Kanalgebiets ein weiteres Material vorgesehen, um damit dann in gezielter Weise eine gewünschte Höhe des empfindlichen dielektrischen Materials einzustellen. Eine 2-stufige Entfernung des Platzhaltermaterials, also ein erster Ätzschritt unter Verwendung eines zweiten Teils des Platzhaltermaterials als Maske, ist in dieser Druckschrift weder beschrieben noch wird dies in irgendeiner Weise nahe gelegt. Vielmehr erfolgt in der Prozessstrategie dieser Druckschrift die Erzeugung einer Gateöffnung, die sich bis zum Kanalgebiet, also bis zum Halbleitergebiet erstreckt, auf dem das dielektrische Material und ein Elektrodenmaterial vorgesehen werden.
Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterauelemente und Fertigungstechniken, in denen eine Austrittsarbeitssorte in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase bereitgestellt wird, während eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
Überblick über die Erfindung
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch Verfahren gemäß Anspruch 1 und 12.
Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen ein Gateplatzhaltermaterial, etwa ein Polysiliziummaterial und dergleichen, in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase effizient entfernt wird, während gleichzeitig ein hoher Grad an Materialerosion und somit eine Vergrößerung einer Gateöffnung erreicht wird. Zu diesem Zweck wird ein Teil des Platzhaltermaterials beibehalten und wird als eine Subschutzschicht verwendet, um empfindliche Materialien abzudecken, etwa ein dielektrisches Material mit großem ε, eine sehr dünnes „konventionelles” Dielektrikumsmaterial, eine leitende Deckmaterialschicht und dergleichen, wenn ein oberer Bereich der Gateöffnung einem Materialabtragungsprozess unterzogen wird, um damit eine gewisse Eckenverrundung zu erreichen, die die Prozessbedingungen während der nachfolgenden Abscheidung weiterer Materialien deutlich verbessert, etwa das Abscheiden einer austrittsarbeitseinstellenden Sorte, der Abscheidung von dielektrischen Materialien und insbesondere beim Abscheiden des eigentlichen Elektrodenmaterials. Nach dem Materialabtragungsprozess bzw. Erosionsprozess wird der verbleibende Teil des Platzhaltermaterials effizient auf der Grundlage eines weiteren Ätzschrittes entfernt, der auf der Basis weniger kritischer Prozessbedingungen ausgeführt werden kann, wodurch insgesamt zu einer besseren Prozessgleichmäßigkeit für das nachfolgende Abscheiden weiterer Materialien beigetragen wird.
Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden eines ersten Teils einer Öffnung in einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors durch Entfernen eines ersten Bereichs eines Platzhalterelektrodenmaterials der Gateelektrodenstruktur. Das Verfahren umfasst ferner das Vergrößern einer Breite des ersten Teils der Öffnung an dem oberen Bereich in Anwesenheit eines zweiten Platzhalterelektrodenmaterials. Ferner umfasst das Verfahren das Entfernen des zweiten Bereichs des Platzhalterelektrodenmaterials, um die Öffnung zu bilden, die die größere Breite an deren oberen Bereich aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Materialschicht in der Öffnung, die eine austrittsarbeitseinstellende Sorte enthält, und das Einfüllen eines leitenden Elektrodenmaterials in die Öffnung.
Ein noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Entfernen eines ersten Teils eines Platzhalterelektrodenmaterials einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors, wobei das Platzhalterelektrodenmaterial lateral von einem isolierenden Material eingeschlossen ist. Das Verfahren umfasst ferner das Verrunden von Eckenbereichen des isolierenden Materials in Anwesenheit eines zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials. Des weiteren umfasst das Verfahren das Entfernen des zweiten Teils durch Ausführen eines nasschemischen Ätzprozesses, um eine Öffnung nach dem Verrunden der Eckenbereiche zu bilden. Schließlich wird eine Gateelektrode in der Öffnung hergestellt.
Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine Gateelektrodenstruktur eines Transistors, die über einem Halbleitergebiet gebildet ist. Die Gateelektrodenstruktur umfasst eine Gateisolastionsschicht mit einem dielektrischen Material mit großem ε und weist ein Elektrodenmaterial auf, das auf der Gateisolationsschicht gebildet ist und eine nach oben breiter werdende Querschnittsanordnung besitzt. Die Gateelektrodenstruktur umfasst ferner eine austrittsarbeitseinstellende Materialschicht, die an Seitenwänden des Elektrodenmaterials gebildet ist, wobei eine Dicke der austrittsarbeitseinstellenden Materialschicht eine Schwankung von weniger als 10% entlang den Seitenwänden 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 bis 1c schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements mit einem Transistor mit kritischen Abmessungen von ungefähr 40 nm und weniger in Verbindung mit anderen Schaltungselementen während diverser Fertigungsphasen in einem Austauschgateverfahren zeigen, das zu sehr anspruchsvollen Bedingungen während des Abscheidens des Austauschelektrodenmaterials gemäß konventioneller Strategien führt; und
2a bis 2g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn ein Austauschgateverfahren auf der Grundlage einen aufgeteilten Platzhaltermaterialentfernungsprozesses mit einem dazwischenliegenden Eckenverrundungsprozess gemäß anschaulicher Ausführungsformen angewendet 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 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.
Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen das Wederauffüllen einer Öffnung in Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage einer verbesserten Querschnittsform der Öffnung ausgeführt wird, wodurch durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, etwa Hohlräume, in dem endgültigen Elektrodenmaterial im Wesentlichen vermieden oder zumindest reduziert werden, wie sie ansonsten häufig in komplexen Halbleiterbauelementen angetroffen werden, in denen Metallgateelektroden in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase bereitgestellt werden. Die verbesserte Querschnittsform der Gateöffnung kann erreicht werden, indem ein Materialerosionsprozess bzw. Materialabtragungsprozess, etwa ein plasmaunterstützter Ätzprozess, ein Teilchenbeschuss, beispielsweise ein Ionensputter-Prozess, und dergleichen angewendet wird. Der Materialabtragungsprozess kann in einer Zwischenphase des Entfernens des Platzhaltermaterials ausgeführt werden, so dass eine Unterseite der Gateöffnung während des Materialabtragungsprozesses zuverlässig abgedeckt ist. Folglich können empfindliche Materialien, die an der Unterseite der Gateöffnung angeordnet sind, etwa ein sehr dünnes konventionelles dielektrisches Material, ein dielektrisches Material mit großem ε, ein empfindliches leitendes Deckmaterial und dergleichen, vor der Prozessumgebung geschützt werden, die für die Materialerosion erforderlich ist. Das Entfernen des verbleibenden Teils des Platzhalterelektrodenmaterials kann auf der Grundlage besserer Prozessbedingungen erfolgen, etwa einer Querschnittsform des ersten Teils der Gateöffnung, so dass eine bessere Gleichmäßigkeit während einer abschließenden Phase des Ätzprozesses zum Freilegen der darunter liegenden empfindlichen Materialien erreicht wird. Folglich kann die Menge der Materialreste des Platzhaltermaterials bei einer vorgegebenen Nachätzzeit während des vorhergehenden Entfernens des zweiten Teils des Platzhaltermaterials verringert werden, was zu einer besseren Abscheidung und somit Bauteilgleichmäßigkeit beim Erzeugen weiterer Materialien in der Gateöffnung führt. Auf Grund der Anwesenheit zumindest eines Teils des Platzhalterelektrodenmaterials beim Ausführen des Materialerosionsprozesses können auch zusätzliche effiziente Reinigungsprozesse ausgeführt werden, um bessere Oberflächenbedingungen für das nachfolgende Entfernen des verbleibenden Teils des Platzhaltermaterials zu schaffen, wodurch ein hohes Maß an Flexibilität bei der Auswahl geeigneter Prozesstechniken erreicht wird, um die gewünschte verbesserte Querschnittsform der Gateöffnung zu schaffen. D. h., es können plasmaunterstützte Ätzprozesse auf der Grundlage geeigneter Chemikalien angewendet werden, wobei Ätznebenprodukte effizient entfernt werden, indem effiziente Reinigungsrezepte angewendet werden, ohne dass die empfindlichen Materialien diesen reaktiven Prozessbedingungen ausgesetzt werden. In anderen Fällen kann ein Materialabtrag, der durch einen Teilchenbeschuss hervorgerufen wird, effizient eingesetzt werden, wobei Nebenprodukte ebenfalls vor dem Entfernen des verbleibenden Teils des Platzhaltermaterials entfernt werden. In einigen Fällen können Materialerosionsprozesse auf der Grundlage eines Polierprozesses effizient eingesetzt werden, um einen gewissen Grad an Eckenverrundung zu erreichen, wobei auch in diesem Falle Nebenprodukte des vorhergehenden Polierprozesses effizient vor dem Fortsetzen des Entfernens des Platzhaltermaterials entfernt werden können. Folglich kann durch das Beibehalten eines Teils des Platzhaltermaterials in der Gateöffnung die Prozessgleichmäßigkeit und somit die Gleichmäßigkeit der Bauteileigenschaften komplexer Transistorelemente verbessert werden, ohne dass die Eigenschaften zuvor abgeschiedener Materialien oder Materialsysteme in der Gateelektrodenstruktur unerwünscht beeinflusst werden.
Mit Bezug zu den 2a bis 2g werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1c verwiesen wird.
2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201, über welchem eine Halbleiterschicht 202 gebildet ist. Das Substrat 201 und die Halbleiterschicht 202 können in Form eines beliebigen geeigneten Materialsystems vorgesehen werden, etwa wie es beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Z. B. repräsentieren die Schicht 202 und das Substrat 201 eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration, wenn ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) unter und angrenzend zu der Halbleiterschicht 202 ausgebildet ist. Die Schicht 202 besitzt einen beliebigen geeigneten Aufbau, um darin und darüber Schaltungselemente, etwa Transistoren, Kondensatoren, Widerstände und dergleichen herzustellen. In der gezeigten Ausführungsform ist ein Transistor 250 in und über einem Teil der Halbleiterschicht 202 auf der Grundlage von Entwurfsabmessungen hergestellt, in denen kritische Abmessungen von ungefähr 40 nm und weniger erforderlich sind, wenn komplexe Anwendungen betrachtet werden. Es sollte beachtet werden, dass andere Schaltungselemente, etwa Transistoren mit weniger kritischen Abmessungen, Kondensatoren und dergleichen, ebenfalls in und über der Halbleiterschicht 202 vorgesehen sind, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. Wie ferner zuvor beschrieben ist, kann ein Austauschgateverfahren für Transistoren kritisch sein, die minimale laterale Abmessungen besitzen, während die entsprechende Prozesssequenz für Schaltungselemente mit größeren kritischen Abmessungen weniger kritisch ist, so dass der Transistor 250 als ein Schaltungselement betrachtet werden kann, das minimale kritische Abmessungen für den betrachteten Technologiestandard besitzt. Der Transistor 250 umfasst Drain- und Sourcegebiete 251, möglicherweise in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 252, wenn die Halbleiterschicht 202 einen wesentlichen Anteil an Silizium aufweist. Ferner ist eine Gateelektrodenstruktur 255 in dieser Fertigungsphase vorgesehen und enthält ein Materialsystem 255a, das ein Gatedielektrikumsmaterial und andere zusätzliche Materialien aufweisen kann, wie dies durch die Prozessstrategie erforderlich ist, die zur Herstellung des Transistors 250 angewendet wird. Beispielsweise enthält, wie zuvor erläutert ist, das Materialsystem 255a ein dielektrisches Material mit großem ε (mit einer Dielektrizitätskonstante von größer 10,0), etwa in Form eines für mehrere der oben spezifizierten Materialien, etwa in Form von Hafniumoxid und dergleichen, möglicherweise in Verbindung mit einem konventionellen” dielektrischen Material, etwa Siliziumoxid, stickstoffenthaltendem Siliziumoxid und dergleichen. Z. B. ist, wie in 2a gezeigt ist, eine siliziumoxidbasierte Materialschicht 210 mit einer Dicke von ungefähr 0,8 nm vorgesehen, woran sich ein dielektrisches Material mit großem ε 211 anschließt, das von einer leitenden Deckschicht 212 abgedeckt sein kann, etwa in Form eines Titannitridmaterials und dergleichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das Materialsystem 255a einen beliebigen anderen geeigneten Aufbau besitzen kann, so dass die Herstellung einer effizienten Gateelektrodenstruktur auf der Grundlage der Struktur 255, wie sie in 2a gezeigt ist, ermöglich wird. Ferner umfasst die Gateelektrodenstruktur 255 ein Platzhalterelektrodenmaterial 255b, das als ein beliebiges Material oder eine Zusammensetzung von Materialien verstanden wird, das erforderlich ist, um die Struktur 255 in 2a zu schaffen. Beispielsweise ist das Platzhaltermaterial 255b aus einem Polysiliziummaterial, einem Polysilizium/Germanium-Material und dergleichen, abhängig von der gesamten Prozessstrategie, aufgebaut. Des weiteren sind das Platzhaltermaterial 255b und das Materialsystem 255a lateral von einer Seitenwandabstandshalterstruktur 255c eingeschlossen, die einen beliebigen geeigneten Aufbau besitzt, etwa in Form von siliziumdioxidbasierten Ätzstoppbeschichtungsmaterialien in Verbindung mit einem oder mehreren Siliziumnitridabstandshalterelementen. Z. B. sorgen die Abstandshalterstruktur 255c oder zumindest ein Teil davon und die Deckschicht 212 für den Einschluss empfindlicher Materialien, etwa eines dielektrischen Materials mit großem ε, das etwa in Form der Materialschicht 211 und dergleichen vorgesehen ist. In der gezeigten Fertigungsphase ist ferner die Gateelektrodenstruktur 255 lateral von einem dielektrischen Material 203 umgeben, das zwei oder mehr unterschiedliche Materialien enthalten kann, wobei dies von dem gesamten Aufbau des Bauelements 200 abhängt. Z. B. enthält das dielektrische Material 203, das auch als dielektrisches Zwischenschichtmaterial bezeichnet wird, eine erste dielektrische Schicht 203a, etwa ein Siliziumnitridmaterial, das möglicherweise eine hohe innere Verspannung besitzt, und es kann eine zweite dielektrische Schicht 203b vorgesehen sein, beispielsweise in Form eines Siliziumoxidmaterials. Es sollte jedoch beachtet werden, dass das dielektrische Material 203 auch einem einzelnen kontinuierlichen Material oder aus drei oder mehr einzelnen Materialschichten aufgebaut sein kann, falls dies erforderlich ist.
Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bilden geeigneter Halbleiterbereiche in der Schicht 202, beispielsweise durch Herstellung von Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) wird die grundlegende Dotierstoffkonzentration in den jeweiligen Halbleitergebieten erzeugt, wodurch ebenfalls die Leitfähigkeitsart des Transistors 250 eingestellt wird. Daraufhin wird die Gateelektrodenstruktur 255 hergestellt, indem Materialien für das System 255a in Verbindung mit dem Platzhaltermaterial 255b vorgesehen werden, das auf der Grundlage beliebiger geeigneter Prozesstechniken bewerkstelligt werden kann, etwa durch Oxidation, thermisch aktivierte CVD (chemische Dampfabscheidung), plasmaunterstützte CVD, Atomlagenabscheidung (ALD) und dergleichen. Beispielsweise wird eine siliziumoxidbasierte Materialschicht durch Oxidation und/oder durch Abscheidung hergestellt, woran sich weitere Behandlungen bei Bedarf anschließen können, um damit ein gewünschtes Basismaterial zu schaffen. Daraufhin wird ein dielektrisches Material mit großem ε, etwa Hafniumoxid und dergleichen, mit einer gewünschten Dicke aufgebracht, etwa mit einem bis mehreren Nanometern, woran sich das Abscheiden eines Deckmaterials, etwa der Schicht 212 bei Bedarf anschließt. Daraufhin wird das Platzhalterelektrodenmaterial 255, etwa in Form von amorphen oder polykristallinem Silizium, Germanium und dergleichen, aufgebracht, woran sich das Abscheiden weiterer Materialien, etwa dielektrischer Deckmaterialien, Hartmaskenmaterialien und dergleichen anschließt. Der resultierende Materialschichtstapel wird dann unter Anwendung komplexer Lithographie- und Ätztechniken strukturiert, woran sich das Herstellen eines Teils der Seitenwandabstandshalterstruktur 255c anschließt, um beispielsweise ein Siliziumnitridabstandselement (nicht gezeigt) und dergleichen zu bilden. Nach der komplexen Prozesssequenz zur Herstellung des Materialsystems 255a und des Platzhaltermaterials 255b ist folglich eine Länge der Gateelektrodenstruktur 255 im Wesentlichen durch die horizontale Abmessung des Platzhaltermaterials 255b festgelegt, wobei Abmessungen von 50 nm und weniger erforderlich sein können, wie dies zuvor erläutert ist. Daraufhin werden die Drain- und Sourcegebiete 251 in Verbindung mit einem verbleibenden Teil der Abstandshalterstruktur 255c auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik hergestellt. Die Metallsilizidgebiete 252, falls erforderlich, werden durch einen geeigneten Silizidierungsprozess hergestellt, wobei bei Bedarf das Material 255b effizient mittels eines geeigneten dielektrischen Deckmaterials geschützt werden kann. In anderen Fällen, wenn ein entsprechendes Metallsilizid für die weitere Bearbeitung des Bauelements 200 als geeignet erachtet wird, wird auch Metallsilizid in dem Material 255b erzeugt. Durch die Herstellung der Metallsilizidgebiete 252 ist die grundlegende Transistorstruktur fertiggestellt und somit sind jegliche Hochtemperaturprozesse, die zum Aktivieren von Dotierstoffsorten in den Drain- und Sourcegebieten 251 und zum Erhalten der Metallsilizidgebiete 252 abgeschlossen und somit kann eine endgültige Einstellung empfindlicher Transistoreigenschaften, etwa der Schwellwertspannung, bewerkstelligt werden, indem das Platzhaltermaterial 255b entfernt wird und indem eine geeignete austrittsarbeitseinstellende Sorte abgeschieden wird, wie dies zuvor erläutert ist. Zu diesem Zweck wird das dielektrische Material 203 abgeschieden auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik mit einer gewünschten Zusammensetzung und die resultierende Oberflächentopographie wird eingeebnet, um eine Oberfläche 255s des Elektrodenmaterials 255b freizulegen. Beispielsweise wird ein chemisch-mechanischer Polierprozess (CMP) angewendet, um die in 2a gezeigte Struktur zu erhalten.
2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines selektiven Ätzprozesses 204, in welchem ein erster Teil 255g des Platzhaltermaterials 255b entfernt wird, wodurch ein erster Teil einer Öffnung 255o gebildet wird. Der Ätzprozess 204 kann in einer anschaulichen Ausführungsform auf der Grundlage eines nasschemischen Ätzrezepts ausgeführt werden, beispielsweise unter Anwendung geeigneter reaktiver Komponenten, um das Material 255b selektiv zu den umgebenden dielektrischen Materialien abzutragen. Beispielsweise kann eine Vielzahl basischer Materialien verwendet werden, um effizient Siliziummaterial mit einer ausgeprägten Selektivität in Bezug auf Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen abzutragen. In anderen Fällen wird TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid) eingesetzt, das eine gut bekannte Chemikalie zum Entfernen von Lackmaterial ist, das jedoch auch bei höheren Temperaturen und mit höherer Konzentration angewendet werden kann, wodurch effizient Siliziummaterial mit hohem Grade an Selektivität zu Siliziumdioxid und Siliziumnitrid entfernt werden kann.
Folglich wird während des Ätzprozesses 204 der erste Teil 255g effizient abgetragen, wobei dennoch eine ausgeprägte Menge des Materials 255b beibehalten wird, wodurch das Materialsystem 255a zuverlässig abgedeckt bleibt. Eine entsprechende Steuerung des Ätzprozesses 204 kann bewerkstelligt werden, indem Experimente ausgeführt werden und indem eine Ätzrate für die jeweilige geometrische Konfiguration des Bauelements 200 bestimmt wird, um damit eine ausreichende Dicke des Materials 255b beizubehalten. In einer anschaulichen Ausführungsform beträgt die Dicke des Materials 255 ungefähr 30 nm.
2c zeigt schematisch das Bauelement 200, wenn es einem Materialerosionsprozess bzw. Abtragungsprozess 205 unterliegt, in welchem eine anfängliche Breite 255w, die im Wesentlichen einer anfänglichen Gatelänge der Gateelektrodenstruktur 255 entspricht, vergrößert wird, um damit eine größere Breite 255x an dem oberen Bereich 255t der Gateelektrodenstruktur 255 zu erhalten. Zu diesem Zweck wird der Materialabtragungsprozess, der auch als Eckenverrundungsprozess bezeichnet werden kann, geeignet so gestaltet, dass vorzugsweise Material an Ecken der Öffnung 255o an dem oberen Bereich 255t abgetragen wird, was in einigen anschaulichen Ausführungsformen bewerkstelligt wird auf der Grundlage eines plasamunterstützten Ätzprozesses, in welchem geeignete reaktive Komponenten, etwa Fluor, Chlor und dergleichen angewendet werden. Ferner wird ein Ätzprozess ausgewählt, der eine moderat reduzierte Ätzrate für das dielektrische Material 203 besitzt, wobei dennoch an dem oberen Bereich 255d ein ausgeprägter Materialabtrag an den Ecken hervorgerufen wird, wodurch die größere Breite 255x erzeugt wird, deren Größe auf der Grundlage entsprechender Prozessbedingungen während des Prozesses 205 und durch die Dauer der Einwirkung des Prozesses 205 gesteuert wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl an plasmaunterstützten Ätzrezepten im Stand der Technik zum Entfernen von Materialien, etwa Silizium, verfügbar, wobei lediglich eine moderat geringe Selektivität in Bezug zu Siliziumdioxid und Siliziumnitrid besteht, wodurch der gewünschte Eckenverrundungseffekt erreicht wird, während der verbleibende Teil, der auch als Teil 255b bezeichnet wird, zuverlässig das Materialsystem 255a bedeckt, wodurch eine Wechselwirkung zwischen der reaktiven Umgebung des Prozesses 205 und den empfindlichen Materialien vermieden wird. Es sollte beachtet werden, dass geeignete Prozessparameter, etwa die Plasmaleistung, die Zusammensetzung der Gasumgebung, der Druck, die Temperatur und dergleichen effizient auf der Grundlage von Experimenten ermittelt werden können, wobei im Allgemeinen eine sehr geringe Gesamtätzrate eine verbesserte Prozesssteuerung auf der Grundlage der Ätzzeit während des Prozesses 205 ermöglicht.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Materialabtragungsprozess ausgeführt, indem ein Teilchenbeschuss eingesetzt wird, etwa ein Ionenbeschuss in Form eines Ionensputter-Prozesses. In einem Ionen-Prozess werden Teilchen in Richtung eines Ziels beschleunigt, etwa die Oberfläche des Bauelements 200, wobei eine geeignete Beschleunigungsspannung verwendet wird, wodurch den Teilchen eine ausreichende kinetische Energie vermittelt wird, um damit physikalisch Atome und Moleküle aus der Sputter-Oberfläche herauszulösen. Wobei im Allgemeinen eine Anzahl an eintreffenden Teilchen an den Ecken des oberen Bereichs 255t größer ist, wird auch in diesem Falle eine ausgeprägte Eckenverrundung erreicht. Auch in diesem Falle können geeignete Prozessparameter effizient ermittelt werden, indem Experimente ausgeführt werden, um eine Abtragsrate und einen Grad an Eckenverrundung für diverse unterschiedliche Prozessparametereinstellungen zu bestimmen.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Materialabtragungsprozess 205 einen selektiven plasmaunterstützten Ätzprozess zum Entfernen eines Teils des Materials 255b ohne Ausführen des Ätzprozesses 204 (siehe 2b), so dass während des Fortschreitens des Ätzprozesses 205 ein zunehmender Grad an Eckenverrundung erreicht wird, wobei auch ein Teil des Platzhaltermaterials 255b effizient abgetragen wird. Beispielsweise sind selektive plasmaunterstützte Ätzrezepte zum Entfernen von Siliziummaterial gut bekannt und diese werden auch beim Strukturieren der Gateelektrodenstruktur 255 in einer frühen Fertigungsphase eingesetzt, wie dies zuvor beschrieben ist.
2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein nasschemischer Prozess ausgeführt wird. In einer anschaulichen Ausführungsform umfasst der Prozess 206 einen Reinigungsprozess zum Entfernen von Nebenprodukten des zuvor ausgeführten Materialabtragungsprozesses 205 aus 2c, wodurch Kontaminationsstoffe, etwa Polymerreste und dergleichen, entfernt werden, wie sie typischer Weise während eines plasmaunterstützten Ätzprozesses anfallen. Während des entsprechenden nasschemischen Reinigungsprozesses kann somit die Oberfläche 255s des verbleibenden Teils des Materials 255b effizient für einen nachfolgenden Ätzprozess zum Entfernen des Materials 255b vorbereitet werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen repräsentiert der Prozess 206 einen nasschemischen Ätzprozess ohne eine spezielle Reinigungsphase, um den verbleibenden Teil des Materials 255b zu entfernen. Z. B. wird TMAH, möglicherweise in Verbindung mit einem vorhergehenden nasschemischen Reinigungsprozess, angewendet, um effizient das Material 255b abzutragen, wie dies auch zuvor erläutert ist. In anderen Fällen wird ein anderes geeignetes nasschemischen Ätzrezept angewendet, um das Material 255b zu entfernen, wodurch im Wesentlichen eine unerwünschte Wechselwirkung des Materialsystems 255a mit einer entsprechenden Prozessumgebung vermieden oder zumindest reduziert wird. D. h., nasschemische Ätzrezepte weisen einen hohen Grad an Selektivität in Bezug auf gewisse Materialien auf, etwa Titannitrid, Dielektrika mit großem ε und dergleichen, so dass der Ätzprozess 206 zuverlässig auf dem Materialsystem 255a ohne unerwünschte Materialerosion gestoppt werden kann. Nach dem Ende des Ätzprozesses 206 erstreck sich somit die Öffnung 255o bis hinab zu dem Materialsystem 255a und die Öffnung besitzt eine größere Breite oder eine größere Gatelänge 255x an dem oberen Bereich 255t, wie dies zuvor erläutert ist. Somit kann die weitere Bearbeitung, d. h. das Abscheiden von Materialien in die Öffnung 255o, auf der Grundlage einer verbesserten Querschnittsform der Öffnung 255o bewerkstelligt werden.
2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, werden eine oder mehrere Materialschichten 255d so abgeschieden, dass das Innere der Öffnung 255o und somit das Materialsystem 255a zuverlässig abgedeckt sind, wenn das System 255a die erforderlichen Eigenschaften im Hinblick auf die Materialzusammensetzung und dergleichen besitzt. Es sollte beachtet werden, dass in anderen Fällen die Materialschicht 255d mehrere einzelne Materialschichten enthält, um damit ebenfalls die dielektrischen Eigenschaften des Materialsystems 255a einzustellen, das vollständig oder zumindest teilweise nach dem Ätzprozess 206 (siehe 2d) bei Bedarf entfernt werden kann. Beispielsweise enthalten die Materialschichten 255d ein dielektrisches Material mit großem ε, wenn ein derartiges Material in dem Materialsystem 255a noch nicht vorhanden ist. In diesem Falle kann ein Teil eines konventionellen dielektrischen Materials durch dielektrisches Material mit großem ε ersetzt werden. In anderen Fällen umfasst die Schicht 255d zumindest ein metallenthaltendes Material, beispielsweise in Form von Titannitrid, Tantralnitrid und dergleichen in Verbindung mit einer austrittsarbeitseinstellenden Sorte, die an dem Materialsystem 255a angeordnet wird oder in dieses eingebaut wird, beispielsweise auf der Grundlage einer Wärmebehandlung und dergleichen. Abhängig von der Zusammensetzung der einen oder der mehreren Materialschichten 255d wird somit eine beliebig geeignete Abscheidetechnik angewendet, wobei die verbesserte Querschnittsform der Form 255o für eine bessere Gleichmäßigkeit der Dicke der Schicht 255d enthang von Seitenwandbereichen 255h der Öffnung 255o sorgt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen variiert eine Dicke der Schicht 255d, die eine austrittsarbeitseinstellende Sorte, etwa Lanthanum, Aluminium und dergleichen, aufweist, mit ungefähr weniger 10% entlang der vertikalen Seitenwandbereiche 255h. Beispielsweise ist eine Zunahme der Dicke an dem oberen Bereich 255t ebenfalls weniger ausgeprägt im Vergleich zu konventionellen Strategien, wobei eine entsprechende Zunahme der Dicke die weitere Bearbeitung zum Einfüllen eines Elektrodenmaterials 255e nicht negativ beeinflusst. Folglich kann die Öffnung 255o zuverlässig mit dem Elektrodenmaterial 255e gefüllt werden, wobei auch die Materialschicht 255d, die die austrittsarbeitseinstellende Sorte enthält, mit besserer Dickengleichmäßigkeit zumindest an den vertikalen Seitenwandflächen 255h abgeschieden werden kann, wodurch ebenfalls eine bessere Gleichmäßigkeit in der Dicke auf dem Materialsystem 255a erreich wird. Es sollte beachtet werden, dass das Elektrodenmaterial 255e, beispielsweise in Form von Aluminium oder anderen metallenthaltenden Materialien oder gut leitenden Halbleitermaterialien und dergleichen, auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht werden kann, etwa durch Sputter-Abscheidung, CVD, elektrochemische Abscheidung oder einer Kombination davon. Des weiteren ist zu beachten, dass andere Schaltungselemente das Materialsystem 255d und 255e erhalten, jedoch auf der Grundlage weniger kritischer Prozessbedingungen, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. In anderen Fällen müssen unterschiedliche Materialien in Transistoren mit unterschiedlicher Leitfähigkeitsart bereitgestellt werden, wodurch möglicherweise ein entsprechendes Maskierungs- und Abtragungsschema erforderlich ist, um damit eine gewünschte Austrittsarbeitssorte für n-Kanaltransistoren bzw. p-Kanaltransistoren bereitzustellen. Auch in diesem Falle sorgt die verbesserte Querschnittsform der Gateöffnung 255o für diese unterschiedlichen Transistoren für eine verbesserte Prozessgleichmäßigkeit.
2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Materialabtragungsprozesses 207, in welchem überschüssiges Material der Schichten 255e, 255d (siehe 2e) entfernt wird. Beispielsweise wird der Prozess 207 als ein CMP-Prozess ausgeführt, möglicherweise auf der Grundlage unterschiedlicher Prozessparameter und Bedingungen, um damit leitende Materialien von dem dielektrischen Material 203 zu entfernen. Folglich wird die Gateelektrodenstruktur 255 als eine elektrisch isolierte Komponente bereitgestellt, wobei die Breite 255x an dem oberen Bereich 255t und somit die entsprechende Gatelänge an der Oberseite der Gateelektrodenstruktur 255 auf der Grundlage von Prozessparametern des Prozesses 207 festgelegt ist. Wenn beispielsweise eine ausgeprägte größere Gatelänge 255x als ungeeignet erachtet wird, beispielsweise im Hinblick auf das Vermeiden von Leckstrompfaden bei der Herstellung von Kontaktelementen in einer späteren Fertigungsphase, wird ein erhöhter Grad an Materialabtrag, wie dies durch 203r angegeben ist, angewendet, um die resultierende Gatehöhe und damit die Länge der Gateelektrodenstruktur 255 an dem oberen Bereich 255t zu verringern. Wie gezeigt kann durch Einstellen eines gewünschten Grades an Materialabtrag 203r eine deutlich geringere Länge 255y an dem oberen Bereich 255t erreicht werden, wodurch eine zuverlässige elektrische Isolierung insbesondere in dicht gepackten Bauteilgebieten gelingt, in denen ein Abstand zwischen benachbarten Gateelektrodenstrukturen 100 nm und weniger beträgt.
Nach dem Ende des Abtragungsprozesses 207 umfasst somit der Transistor 250 die Gateelektrodenstruktur 255 mit dem gewünschten besseren elektrischen Eigenschaften, beispielsweise im Hinblick auf die Leitfähigkeit und die kapazitive Kopplung, wobei eine erhöhte Gleichmäßigkeit der Bauteileigenschaften, etwa im Hinblick auf die Schwellwertspannungsvariabilität und dergleichen, auf Grund einer besseren Gleichmäßigkeit der Schicht 255d und auf Grund eines zuverlässigen Einfüllens des Elektrodenmaterials 255e erreicht wird.
2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen, in denen der Materialabtrag und somit die Eckenverrundung an dem oberen Bereich 255t einen Polierprozess 205a umfasst. Zu diesem Zweck wird das Bauelement 200 so bearbeitet, wie dies zuvor beschrieben ist, und eine Öffnung 255o wird auf der Grundlage eines Ätzprozesses, etwa eines plasmaunterstützten Prozesses, eines nasschemischen Ätzprozesses und dergleichen hergestellt. in diesem Falle wird der Grad an Absenkung, wie dies durch 255r der Öffnung 255o angegeben ist, kleiner gewählt im Vergleich zu den zuvor beschriebenen Ausführungsformen, um damit einen höheren Grad an mechanischer Stabilität während des Polierprozesses 205a zu erreichen. Während des Polierprozesses 205a wird somit die mechanische Integrität der Gateelektrodenstruktur 255 bewahrt, während gleichzeitig ein größerer Grad an Materialabtrag an den Ecken der Öffnungen 255o erreicht wird, wodurch eine gewünschte Eckenverrundung geschaffen wird. Nach dem Polierprozess 205a kann ein weiterer Reinigungsprozess ausgeführt werden, um Nebenprodukte des Polierprozesses 205a zu entfernen und danach wird ein weiterer Ätzprozess ausgeführt, etwa ein nasschemischer Ätzprozess, um das Material 255b vollständig zu entfernen. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird nach dem Bilden der Öffnung 255o mit der gewünschten Tiefe 255r ein Einebnungsmaterial vorgesehen, beispielsweise in Form eines Polymermaterials, und dieses wird nachfolgend während des Prozesses 205a mit einer deutlich höheren Abtragsrate im Vergleich zu dem dielektrischen Material 203 entfernt. Auf diese Weise wird während des Prozesses 205a das Einebnungsmaterial in der Öffnung 255o abgesenkt, wodurch auch ein gewisser Grad an Eckenverrundung ermöglicht wird, wobei dennoch eine bessere Integrität der gesamten Gateelektrodenstruktur 255 erreicht wird. Nach einem gewissen Grad an Eckenverrundung werden Materialreste effizient durch nasschemische Prozesse entfernt und der verbleibende Teil des Materials 255b wird sodann abgetragen. Daraufhin wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, wie dies zuvor beschrieben ist. Folglich kann durch das Anwenden des Einebnungsprozesses 205 die Einwirkung von reaktiven Teilchen auf das Bauelement 200 vermieden oder zumindest reduziert werden, wodurch ein höherer Grad an Integrität des dielektrischen Materials 203 erreicht wird.
Es gilt also: die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen eine gewünschte Eckenverrundung oder Verjüngung bzw. eine nach oben hin gerichtete Verbreiterung einer Gateöffnung in einer Zwischenphase des Entfernens des Platzhalterelektrodenmaterials erreicht wird, so dass nach dem Entfernen eines ersten Teils der zweite Teil zuverlässig empfindliche darunter liegende Materialien abdeckt und somit schützt, wodurch ein gewünschter Grad an Vergrößerung einer anfänglichen Breite der Öffnung möglich ist. Daher werden bessere Prozessbedingungen beim Einfüllen weiterer Materialien, etwa einer austrittsarbeitseinstellenden Sorte und eines Elektrodenmaterials geschaffen. Der Materialabtrag in dem Zwischenzustand des Entfernens des Platzhaltermaterials kann auf der Grundlage eines plasmaunterstützten Ätzprozesses, eines Teilchenbeschusses, eines Polierprozesses und dergleichen erreicht werden.

Claims

Verfahren mit: Bilden eines ersten Teils einer Öffnung in einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors durch Entfernen eines ersten Teils eines Platzhalterelektrodenmaterials der Gateelektrodenstruktur unter Beibehaltung eines zweiten Teils des Platzhaltermaterials zur Abdeckung eines Materialsystems der Gateelektrodenstruktur, wobei der erste Teil der Öffnung eine anfängliche Breite im oberen Bereich der Öffnung besitzt; Vergrößern der Breite des ersten Teils der Öffnung am oberen Bereich in Anwesenheit des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials; Entfernen des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials; Bilden einer Materialschicht in der Öffnung, die die größere Breite an dem oberen Bereich besitzt, wobei die Materialschicht eine austrittsarbeitseinstellende Sorte aufweist; und Füllen der Öffnung mit einem leitenden Elektrodenmaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Vergrößern einer Breite eines ersten Teils der Öffnung Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Bilden eines ersten Teils der Öffnung umfasst: Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses, um den ersten Teil des Platzhalterelektrodenmaterials zu entfernen und um Ecken der Öffnung zu verrunden.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei Entfernen des ersten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials Ausführen eines ersten nasschemischen Ätzprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Entfernen des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials Ausführen eines nasschemischen Ätzprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei Ausführen des nasschemischen Ätzprozesses umfasst: Verwenden einer leitenden Deckschicht, die über einem Gatedielektrikumsmaterial gebildet ist, als ein Ätzstoppmaterial.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei Einfüllen eines leitenden Elektrodenmaterials in die Öffnung umfasst: Abscheiden des leitenden Elektrodenmaterials, um die Öffnung zu Überfüllen und Entfernen von überschüssigem Material durch Ausführen eines Ätzprozesses und/oder eines Polierprozesses.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei Entfernen von überschüssigem Material umfasst: Entfernen von Material des leitenden Elektrodenmaterials und eines Teils eines dielektrischen Materials, das die Öffnung lateral begrenzt, um eine Höhe der Gateelektrodenstruktur einzustellen.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden eines dielektrischen Materials mit großem ε zumindest an der Unterseite der Öffnung vor dem Einfüllen des leitenden Elektrodenmaterials in die Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Bilden eines dielektrischen Materials mit großem ε der Gateelektrodenstruktur vor dem Bilden der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 1, das ferner umfasst: Ausführen eines Reinigungsprozesses an dem zweiten Teil des Platzhalterelektrodenmaterials nach der Vergrößerung der Breite.
Verfahren mit: Entfernen eines ersten Teils eines Platzhalterelektrodenmaterials einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors unter Beibehaltung eines zweiten Teils des Platzhaltermaterials zur Abdeckung eines Materialsystems der Gateelektrodenstruktur, wobei das Platzhalterelektrodenmaterial lateral von einem isolierenden Material eingeschlossen ist; Verrunden von Eckenbereichen des isolierenden Materials durch Ausführen eines Materialabtragungsprozesses in Anwesenheit des zweiten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials; Entfernen des zweiten Teils nach dem Verrunden der Eckenbereiche durch Ausführen eines nasschemischen Ätzprozesses, um eine Öffnung zu bilden; und Bilden einer Gateelektrode in der Öffnung.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Verrunden der Eckenbereiche Ausführen eines plasmaunterstützten Ätzprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Verrunden der Eckenbereiche Ausführen eines Teilchenbeschusses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 14, wobei Ausführen des Teilchenbeschusses Ausführen eines Ionensputter-Prozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner umfasst: Ausführen eines Reinigungsprozesses an einer freiliegenden Oberfläche des zweiten Teils vor dem Ausführen des nasschemischen Ätzprozesses.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Entfernen des ersten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials umfasst: Ausführen eines ersten nasschemischen Ätzprozesses.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei Entfernen des ersten Teils des Platzhalterelektrodenmaterials Ausführen eines plasmabasierten Ätzprozesses umfasst.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei Ausführen des plasmabasierten Ätzprozesses umfasst: Anpassen mindestens eines Prozessparameters des plasmabasierten Ätzprozesses derart, dass ein Grad an Materialabtrag an den Eckenbereichen gesteuert wird.