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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung komplexe integrierte Schaltungen mit Transistoren, die Gatestrukturen aufweisen, die auf der Grundlage eines Gatedielektrikumsmaterials mit großem ε und eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials hergestellt sind.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASIC's (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen macht es notwendig, dass eine große Anzahl an Schaltungselementen auf einer gegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau hergestellt wird, wobei Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die das Leistungsverhalten der integrierten Schaltungen wesentlich bestimmen. Im Allgemeinen wird eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei viele Arten komplexer Schaltungen mit Feldeffekttransistoren, wie 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 Anwendung von beispielsweise der CMOS-Technologie werden Millionen Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche aus stark dotierten Gebieten, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, und einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet gebildet sind, etwa einem Kanalgebiet, das zwischen den stark dotierten Gebieten angeordnet ist. In einem Feldeffekttransistor ist die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, durch eine Gateelektrode gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet angeordnet und durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets zum Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt u. a. von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet wird. Somit beeinflusst die Leitfähigkeit des Kanalgebiets das Leistungsverhalten der MOS-Transaistoren ganz wesentlich. Da die Geschwindigkeit des Aufbaus des Kanals, die von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und der Kanalwiderstand wesentlich die Transistoreigenschaften festlegen, ist die Skalierung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung des Kanalwiderstands – ein wesentliches Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit der integrierten Schaltung zu erreichen.
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Gegenwärtig wird der Hauptanteil 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 in der nahen Zukunft für Schaltungen, 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 Isolation unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen stabil und ermöglicht somit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie beispielsweise für Ausheizzyklen erforderlich sind, um Dotierstoffe zu aktivieren und um Kristallschäden auszuheilen, ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
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Aus den zuvor dargelegten Gründen wird Siliziumdioxid vorzugsweise als ein Basismaterial für die Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium oder metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Verhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets kontinuierlich verringert, um damit die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu verbessern. Da das Transistorverhalten im Hinblick auf die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom 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 erforderlich, die durch den Kondensator erzeugt wird, der durch die Gateelektode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid hergestellt 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 geringen Schwellwertspannung weisen eine exponentielle Zunahme des Leckstromes auf, wobei auch eine erhöhte kapazitive Kopplung der Gateelektrode des Kanalgebiets erforderlich ist. Daher muss die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert werden, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erzeugen. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von 1,2 nm. Obwohl im Allgemeinen die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistoren mit einem extrem kurzen Kanal im Wesentlichen auf Hochgeschwindigkeitssignalpfade beschränkt wird, während Transistoren mit einem längeren Kanal für weniger kritische Signalpfade eingesetzt werden, etwa als 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 Entwurfsleistungserfordernissen für leistungsfähige Schaltungen verträglich sind.
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Daher wurde das Ersetzen von siliziumdioxidbasierten Dielektrika als Material für Gateisolationsschichten in Betracht gezogen, insbesondere für extrem dünne siliziumdioxidbasierte Gateschichten. Mögliche alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalisch größere Dicke an einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung ergibt, die ansonsten mittels einer extrem dünnen Siliziumdioxidschicht erreicht würde.
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Zusätzlich kann das Transistorleistungsvermögen verbessert werden, indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode vorgesehen wird, um damit das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial zu ersetzen, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zum Gatedielektrikum aufweist, wodurch die wirksame Kapazität zwischen dem Kanalgebiet und der Gateelektrode verringert wird. Es wurde daher ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material mit großem ε für eine erhöhte Kapazität auf der Grundlage der gleichen Dicke wie eine siliziumdixoidbasierte Dicke sorgt, während zusätzlich die Leckströme auf einem akzeptablen Niveau bleibt. Anderseits kann das Nicht-Polysiliziummaterial, etwa in Form von Titannitrid, und dergleichen, in Verbindung mit anderen Metallen so hergestellt werden, das es in Verbindung mit dem elektrischen Material mit großem ε steht, 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.
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Das Bereitstellen unterschiedlicher Metallsorten zum Einstellen der Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren in einer frühen Fertigungsphase ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft, die sich aus der Tatsache ergibt, dass eine komplexe Strukturierungssequenz während der Herstellung des komplexen Metallgatestapels mit großem ε erforderlich ist, was zu einer ausgeprägten Variabilität der resultierenden Austrittsarbeit und somit der Schwellwertspannung der fertig gestellten Transistorstrukturen führen kann. Während einer entsprechenden Fertigungssequenz kann beispielsweise das Material mit großem ε der Einwirkung von Sauerstoff unterliegen, was zu einer Zunahme der Schichtdicke und somit zu einer Verringerung der kapazitiven Kopplung führen kann. Ferner kann auch eine Verschiebung der Austrittsarbeit beobachtet werden, wenn geeignete Austrittsarbeitsmetalle in einer frühen Fertigungsphase vorgesehen werden, wobei man annimmt, dass dies durch eine moderat hohe Sauerstoffaffinität der Metallsorten hervorgerufen wird, insbesondere während der Hochtemperaturprozesse, die typischerweise zum Fertigstellen der Transistorstrukturen erforderlich sind, beispielsweise um Drain- und Sourcegebiete und dergleichen herzustellen.
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Aus diesem Grunde wird in einigen Vorgehensweisen der anfängliche Gateelektrodenstapel mit einem hohen Grad an Kompatibilität zu konventionellen polysiliziumbasierten Prozessstrategien bereitgestellt und das eigentliche Elektrodenmetall, möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε und die endgültige Einstellung der Austrittsarbeit der Transistoren werden in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase erreicht, d. h. nach dem Fertigstellen der grundlegenden Transistorstruktur. In einem entsprechenden Austauschgateverfahren wird das dielektrische Material mit großem ε, falls es in dieser Phase bereits vorgesehen wird, mittels eines geeigneten metallenthaltenden Materials, etwa durch Titannitrid und dergleichen abgedeckt, woran sich ein standardmäßiges Polysiliziummaterial oder ein amorphes Siliziummaterial anschließt, das dann auf der Grundlage etablierter moderner Lithographie- und Ätztechniken strukturiert wird. Während der Prozesssequenz zur Strukturierung der Gateelektrodenstruktur wird somit das empfindliche dielektrische Material mit großem ε durch das metallenthaltende Material geschützt, wobei dies möglicherweise in Verbindung mit komplexen Seitenwandabstandshalterstrukturen erfolgt, wodurch eine unerwünschte Materialmodifizierung der weiteren Bearbeitung im Wesentlichen vermieden wird. Nach dem Strukturieren der Gateelektrodenstruktur werden typischerweise konventionelle und gut etablierte Prozesstechniken angewendet, um die Drain- und Sourcegebiete mit dem gewünschten komplexen Dotierstoffprofil herzustellen. Nach jeglichen Hochtemperaturprozessen wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem beispielsweise ein Metallsilizid hergestellt wird, woran sich das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials anschließt, etwa in Form von Siliziumdioxid und dergleichen. In dieser Fertigungsphase wird eine obere Fläche der Gateelektrodenstruktur, die in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial eingebettet ist, freigelegt, was bewerkstelligt wird durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren). Das Polysiliziummaterial, das während des CMP-Prozesses freigelegt wird, wird anschließend entfernt und daraufhin wird ein geeignetes Maskierungsschema angewendet, um ein geeignetes Metall für eine entsprechende Art an Transistoren selektiv einzufüllen.
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Obwohl im Allgemeinen diese Vorgehensweise viele Vorteile im Hinblick auf das Verringern von prozessabhängigen Ungleichmäßigkeiten in der Schwellwertspannung der Transistoren bietet, da das dielektrische Material mit großem ε, falls es in einer frühen Fertigungsphase vorgesehen wird, zuverlässig während der gesamten Prozesssequenz eingekapselt, ohne dass eine Einstellung der Austrittsarbeit und somit der Schwellwertspannung in einer frühen Fertigungsphase erforderlich ist, kann die komplexe Prozessfrequenz zum Freilegen und zum anschließenden Entfernen des Platzhaltermaterials und zum Bereitstellen geeigneter Austrittsarbeitsmaterialien für die unterschiedlichen Transistorarten ebenfalls zu einem gewissen Grad an Variabilität der Transistoreigenschaften führen, wodurch somit zumindest einige der Vorteile aufgehoben werden, die durch die gemeinsame Bearbeitung der Gateelektrodenstrukturen bis zur Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration gewonnen werden.
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Beispielsweise kann ein effizientes Entfernen des Polysiliziummaterials einen wesentlichen Einfluss auf die Gesamteigenschaften des Austauschgate ausüben, d. h. auf das Bereitstellen geeigneter Austrittsarbeitsmetalle für den n-Kanaltransistor und den p-Kanaltransistor und das nachfolgende Abscheiden des eigentlichen metallenthaltenden Elektrodenmaterials. Zu diesem Zweck wird typischerweise eine dielektrische Deckschicht in Form eines Siliziumnitridmaterials während der gesamten Fertigstellung der Elektrodenstrukturen auf der grundlegenden Transistorstruktur beibehalten, wobei diese Schicht als eine Silizidierungsmaske während des kritischen Schrittes zum Herstellen von Metallsilizidgebieten in den Drain- und Sourcebereichen dienen kann, um damit die Herstellung eines Metallsilizids in dem Polysiliziummaterial zu vermeiden, da jegliche Silizidreste nicht effizient entfernt werden können. Andererseits muss die Deckschicht durch den CMP-Prozess entfernt werden, was zu Prozessungleichmäßigkeiten führen kann, wie dies mit Bezug zu den 1a bis 1e erläutert ist.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer frühen Fertigungsphase, in der ein erstes Halbleitergebiet 102a und ein zweites Halbleitergebiet 102b in einer Halbleiterschicht 102 ausgebildet sind, wiederum über einem Substrat 101 angeordnet ist. Das Substrat 101 ist typischerweise ein siliziumbasiertes Trägermaterial, über welchem die Halbleiterschicht 102 etwa in Form eines siliziumbasierten kristallinen Materials vorgesehen ist. In der gezeigten Fertigungsphase ist eine erste Gateelektrodenstruktur 110a über dem ersten Halbleitergebiet 102a ausgebildet und eine zweite Gateelektrodenstruktur 110b ist über dem zweiten Halbleitergebiet 102b ausgebildet. Des weiteren sind die Gebiete 102a, 102b und die Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b durch eine Abstandshalterschicht 103 abgedeckt, etwa durch ein Siliziumnitridmaterial. Die Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b können einen komplexen Schichtstapel, beispielsweise mit einem komplexen Gatedielektrikumsmaterial 111 mit einem dielektrischen Material mit großem ε, wie dies zuvor angegeben ist, aufweisen in Verbindung mit einer Titannitriddeckschicht 114. Ferner ist typischerweise ein Siliziummaterial 112 über der Deckschicht 114 vorgesehen, woran sich eine dielektrische Deckschicht 113 in Form eines Siliziumnitridmaterials anschließt.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden gut etablierten Prozesstechniken hergestellt werden. Zunächst werden die Halbleitergebiete 102a, 102b hergestellt, indem geeignete Isolationsstrukturen in der Halbleiterschicht 102 erzeugt werden, beispielsweise in Form von flachen Grabenisolationen und dergleichen, die der Einfachheit halber in 1a nicht gezeigt sind. Zu diesem Zweck wird eine beliebige geeignete Prozesstechnik angewendet. Daraufhin wird der komplexe Gatematerialstapel hergestellt durch Oxidation und Abscheidetechniken unter Anwendung von geeigneten Prozessrezepten, so dass die gewünschten Materialien und die entsprechenden Schichtdickewerte, etwa für das Gatedielektrikummaterial 111 und die Deckschicht 114, erreicht werden. Daraufhin wir das Siliziummaterial 112 auf der Grundlage gut etablierter CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken mit geringem Druck aufgebracht, woran sich das Abscheiden des Siliziumnitriddeckmaterials 113 anschließt. Bei Bedarf können auch weitere Materialien, etwa Hartmaskenmaterialien und ARC-Materialien(antireflektierende Beschichtungs-)Materialien gemäß den Erfordernissen für die nachfolgenden Lithographie- und Strukturierungsstrategien aufgebracht werden. Folglich werden die Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b mit einer gewünschten kritischen Länge erhalten, d. h. in 1a der horizontalen Abmessung des Materials 112, die ungefähr 50 nm und weniger in komplexen Anwendungen betragen kann. Daraufhin wird die Abstandsschicht 103 in Form eines Siliziumnitridmaterials aufgebracht unter Anwendung thermischer aktiver CVD-Techniken oder plasmaunterstützter Abscheiderezepte, um damit eine gewünschte Schichtdicke und Materialeigenschaften nach Bedarf für die weitere Bearbeitung zu erhalten. D. h., die Abstandshalterschicht 103 wird verwendet, um in geeigneter Weise die Seitenwände der Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b und insbesondere die Seitenwände der empfindlichen Materialien 111 und 114 während der weiteren Bearbeitung zu nutzen. Ferner kann die Abstandshalterschicht 103 verwendet werden, um Seitenwandabstandshalter zu schaffen, die zusätzlich einen entsprechenden lateralen Abstand während des Einbaus von Dotierstoffsorten für die Herstellung von Drain- und Sourceerweiterungsgebieten während der weiteren Bearbeitung des Bauelements 100 ergeben. Ferner können entsprechende Seitenwandabstandshalterelemente als Ätz- und Aufwachsmaske zum Einbau eines verformungsinduzierenden Halbleitermaterials etwa eines Halbleitergebiets 102a verwendet werden, um damit eine gewünschte Verformungskomponente darin zu erzeugen. Es ist gut bekannt, dass eine Verformung in dem Kanalgebiet eines Feldeffekttransistors einen wesentlichen Einfluss auf die Beweglichkeit der Ladungsträger ausübt und damit zu einer ausgeprägten Modifizierung des Durchlassstromes und des Leistungsverhaltens des Transistors nach sich zieht. Beispielsweise führt das Erzeugen einer kompressiven Verformung in dem Kanalgebiet von p-Kanaltransistoren, die auf der Grundlage einer standardmäßigen Kristallkonfiguration einer Siliziumschicht hergestellt sind, zu einem besseren Leistungsverhalten, was bewerkstelligt werden kann, indem eine Silizium/Germanium-Legierung in das Siliziummaterial eingebaut wird, woraus sich ein entsprechend verformter Zustand ergibt, der wiederum eine entsprechende Verformung in dem benachbarten Kanalgebiet hervorruft. Der Einbau der Silizium/Germanium-Legierung wird typischerweise erreicht, indem Aussparungen in dem Halbleitergebiet, das dem p-Kanaltransistor entspricht, hergestellt werden, beispielsweise in dem Halbleitergebiet 102a, und nachfolgend werden die Aussparungen unter Anwendung einer selektiven Aufwachstechnik wieder aufgefüllt werden, während eine Materialabscheidung aus dem Halbleitergebiet 102b und der entsprechenden Gateelektrodenstruktur 110b im Wesentlichen unterdrückt wird, wenn diese Strukturen einen n-Kanaltransistor repräsentieren.
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1b zeigt das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt ist, ist ein Abstandshalterelement 103a an Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur 110a ausgebildet und repräsentiert einen verbleibenden Teil der Abstandshalterschicht 103, die im Wesentlichen vollständig über dem Halbleitergebiet 102b und der Gateelektrodenstruktur 110b erhalten bleibt. Des weiteren kann die Dicke der Siliziumnitriddeckschicht 113 deutlich verringert werden, wie dies durch das Bezugszeichen 113a angegeben ist. Ferner ist eine Silizium/Germanium-Legierung 104 in dem Halbleitergebiet 102a mit lateralem Abstand zur Gateelektrodenstruktur 110a ausgebildet, d. h. zu dem Material 112, wobei der Abstand durch die Dicke des Seitenwandabstandshalters 103a bedingt ist.
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Das in 1b gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann typischerweise auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach dem Bereitstellen der Abstandshalterschicht 103 werden das Gebiet 102b und die Gateelektrodenstruktur 110b maskiert, beispielsweise mittels eines Lackmaterials, und der freiliegende Teil der Abstandshalterschicht 103 wird geätzt, um die Abstandshalterelemente 103a zu erzeugen, was auf der Grundlage eines beliebigen gut etablierten Ätzrezepts erfolgen kann. Daraufhin wird eine geeignete Ätzchemie ausgewählt, um in das Halbleitergebiet 102a hineinzuätzen, wodurch entsprechende Aussparungen erzeugt werden, deren Abstand auf der Grundlage der Abstandshalterelemente 103a und den Eigenschaften des entsprechenden Ätzrezepts definiert ist. Es sollte beachtet werden, dass während des Ätzprozesses auch eine gewisse Menge der Siliziumnitridschicht 113 entfernt wird. Daraufhin wird das verbleibende Lackmaterial abgetragen und das Bauelement 100 wird auf der Grundlage geeigneter Reinigungsrezepte unter Anwendung nasschemischer Chemien behandelt, um damit die freiliegenden Oberflächenbereiche für das nachfolgende selektive epitaktische Abscheiden der Silizium/Germanium-Legierung vorzubereiten. Daraufhin wird die Silizium/Germanium-Legierung 104 mittels Anwendung gut etablierter Abscheiderezepte aufgebracht, um damit die zuvor hergestellten Aussparungen wieder aufzufüllen und bei Bedarf zu überfüllen. Während des selektiven epitaktischen Aufwachsprozesses dient die Siliziumnitriddeckschicht 113a in Verbindung mit dem Abstandshalterelement 103a als eine Implantationsmaske, während das Gebiet 102b und die Gateelektrodenstruktur 110b weiterhin zuverlässig von der Abstandshalterschicht 103 bedeckt sind. Wie zuvor erläutert ist, kann das Abstandshalterelement 103a als ein Versatzabstandshalter während eines nachfolgenden Implantationsprozesses dienen, und folglich ein entsprechendes Abstandshalterelement auch an Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur 110b hergestellt werden. Folglich werden das Halbleitergebiet 102a und die Gateelektrodenstruktur 110a mit Lackmaterial abgedeckt, während die Abstandshalterschicht 103 der Einwirkung einer anisotropen Ätzumgebung ausgesetzt wird, um entsprechende Abstandshalterelemente zu erzeugen, wie dies auch zuvor für den Abstandshalter 103a beschrieben ist.
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1c zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements 100 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind Transistoren 150a, 150b in und über den aktiven Gebieten 102a, 102b in Verbindung mit den Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b gebildet. Die Transistoren 150a, 150b umfassen Drain- und Sourcegebiete 152 in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 154. Die Drain- und Sourcegebiete 152 können lateral ein Kanalgebiet 153 einschließen, das in dem Transistor 150a eine gewisse kompressive Verformung auf Grund der Anwesenheit des Silizium/Germanium-Materials 104 hervorruft. Ferner ist eine Abstandshalterstruktur 151 an Seitenwänden der Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b ausgebildet, d. h. an den Abstandshaltern 103a und den Abstandshalterelementen 103b, die gemäß der zuvor spezifizierten Prozesssequenz hergestellt sind. Zu beachten ist, dass typischerweise die dielektrische Deckschicht 113 der Gateelektrodenstruktur 110b eine größere Dicke im Vergleich zu der dielektrischen Deckschicht 113a besitzt auf Grund des unterschiedlichen Prozessablaufs.
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Die Transistoren 150a, 150b können auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik hergestellt werden, indem beispielsweise Dotierstoffsorten eingebaut werden, wobei auch die Abstandshalterstruktur 151 vorgesehen wird, wodurch das gewünschte laterale und vertikale Dotierstoffprofil der Drain- und Sourcegebiete 152 erreicht wird. Nach dem Aktivieren der Dotierstoffsorte und dem Vorbereiten freiliegender Bereiche des Bauelements 100 für die nachfolgende Abscheidung eines hochschmelzenden Metalls, etwa von Nickel, Platin und dergleichen, werden die Metallsilizidgebiete 154 durch gut etablierte Prozesstechniken hergestellt, wobei die dielektrischen Deckschichten 113a, 113 als ein Maskenmaterial dienen, um die Ausbildung eines Metallsilizids in dem Polysiliziummaterial 112 zu unterdrücken. Als nächstes wird ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 160 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden einer ersten dielektrischen Schicht 161, etwa in Form eines Siliziumnitridmaterials und dergleichen, das als ein Ätzstoppmaterial dient, um ein weiteres dielektrisches Material 162 zu strukturieren, möglicherweise in Verbindung mit weiteren dielektrischen Materialien, die noch herzustellen sind, wenn Kontaktöffnungen in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 160 hergestellt werden. In einigen Fallen wird das Material 161 in Form eines stark verspannten dielektrischen Materials bereitgestellt, um damit eine gewünschte Art an Verformung in dem Kanalgebiet 153 oder zumindest einen der Transistoren 150a, 150b zu erzeugen. In komplexen Anwendungen wird das Material 161 mit unterschiedlichen Arten innerer Verspannung in den Transistoren 150a, 150b bereitgestellt, um damit individuell das Leistungsverhalten dieser Bauelemente zu erhöhen. Aus diesem Grunde werden beliebige geeignete Fertigungsstrategien angewendet, um ein gewünschtes Material mit der inneren Verspannungskomponente abzuscheiden und um Bereiche davon über einem der Transistoren 150a, 150b abzutragen, für den der entsprechende Verspannungspegel zu einer Beeinträchtigung des Transistorleistungsverhaltens führt.
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1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Polierprozesses 105, der so angewendet wird, dass die Oberfläche des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 160 abgetragen wird, so dass schließlich das Material 112 freigelegt wird. Im Allgemeinen beruht ein Polierprozess, beispielsweise ein chemisch-mechanischer Polierprozesses (CMP), auf der physikalischen Wechselwirkung von abreibenden Teilchen, die durch ein Schleifmaterial zugeführt werden, und/oder in einem Polierkissen vorhanden sind, das mit dem Material 160 auf der Grundlage gut definierter Prozessparameter in Kontakt ist, etwa der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Material 160 und dem Polierkissen, der Andruckskraft und dergleichen. Ferner kann häufig eine chemische Reaktion an der zu polierenden Oberfläche auf der Grundlage geeigneter chemischer Mittel initiiert werden, die im Schleifmaterial enthalten sind. Obwohl CMP eine sehr effiziente Prozessmethode repräsentiert, um Materialien zu entfernen und gleichzeitig eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie zu schaffen, repräsentiert folglich das Entfemen unterschiedlicher Materialien, etwa von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, möglicherweise in unterschiedlich verspannten Zuständen, einen sehr komplexen Prozess, wobei auch ein ausgeprägter Materialabtrag zwischen Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b zu vermeiden ist, da ein metallenthaltendes Material in der nachfolgenden Fertigungsphase abzuscheiden ist. Es erweist sich, dass während des Polierprozesses 105 insbesondere das Abtragen der Deckschichten 113a, 113 zu ausgeprägten Prozessungleichmäßigkeiten führt, etwa zu Materialresten der Deckschicht, die in einer Oberfläche 112s des Polysiliziummaterials 112 weiterhin vorhanden sind. Beispielsweise besitzt die Deckschicht 113 (siehe 1c) typischerweise eine größere Dicke, die einen gewissen Anteil an Nachpolierzeit erforderlich macht, was andererseits zum Erzeugen und zum Einbau von Resten 160r in dem Material 112 der Gateelektrodenstruktur 110a führen kann, da das Material 112 auf Grund der geringeren Dicke der dielektrischen Deckschicht 113a (siehe 1c) ggf. früher freigelegt wird. Die zusätzliche Polierzeit kann auch zu einem unerwünschten Entfernen von Material der Gateelektrodenstruktur 110a beitragen, wodurch möglicherweise in unerwünschter Weise deren Höhe verringert wird, was ebenfalls zu Prozess- und Bauteilunregelmäßigkeiten beim Fertigstellen des Halbleiterbauelements 100 führen kann. Ferner können an Übergangsbereichen (nicht gezeigt) von Gateelektrodenstrukturen von p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren sehr anspruchsvolle Polierbedingungen auftreten, da hier typischerweise die Schichten 161 eine größere Dicke auf Grund der vorhergehenden Strukturierung besitzen, wenn unterschiedlich verspannte Materialien verwendet werden, wobei auch die unterschiedliche Dicke der Deckschicht 113, 113a (siehe 1c) zu einer sehr herausfordernden Prozesssituation während des Polierprozesses 105 führt.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es der Einwirkung eines Ätzprozesses unterliegt, der auf der Grundlage einer geeigneten Ätzchemie ausgeführt wird, um das Material 112 selektiv zu dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 160 und der Deckschicht 114 zu entfernen. Beispielsweise sind selektive Ätzchemien verfügbar, um in effizienter Weise Polysiliziummaterial zu entfernen, um im Wesentlichen die Deckschicht 114 und das darunter liegende dielektrische Material mit großer Dielektrizitätskonstante nicht zu schädigen, wobei auch die dielektrischen Materialien im Wesentlichen bewahrt werden. Auf Grund der Anwesenheit von nicht entfernten Teilen oder von anderen durch das Polieren hervorgerufenen Resten, wie dies zuvor mit Bezug zu 1d beschrieben ist, wird jedoch unter Umständen Polysiliziummaterial nicht vollständig entfernt, so dass entsprechende Reste 112r weiterhin nach dem Ätzprozess 106 vorhanden sind. Jedoch ist das Anwenden einer ausgeprägten Nachätzzeit keine wünschenswerte Option im Hinblick auf die Integrität der Schichten 114 und 111.
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Während der weiteren Bearbeitung, d. h. während des Abscheidens von metallenthaltenden Materialschichten zum Einstellen der Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen 110a, 110b und zum Bereitstellen eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials können somit die Polysiliziumreste 112r zu Ausbeuteverlusten auf Grund gravierender Fehler der Gateelektrodenstrukturen oder auf Grund einer ausgeprägten Variabilität der Transistoreigenschaften beitragen.
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Die Druckschrift
US 7 479 684 B2 zeigt ein MOSFET-Bauelement, wobei Gate-Elektroden mittels eines Platzhaltermaterials und einer dielektrischen Deckschicht hergestellt werden. Dabei wird die interne Länge der Gate-Elektrode auf der Grundlage eines Abstandshalters eingestellt.
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Die Druckschrift
WO 02/127799 A2 beschreibt die Herstellung eines Feldeffekttransistors, wobei ein Einlege-Gate-Herstellungsprozess angewendet wird. D. h., die Hochtemperaturprozesse zur Herstellung der Drain- und Sourcegebiete werden auf der Grundlage einer Platzhalter-Gateelektrodenstruktur ausgeführt und das eigentliche Elektrodenmaterial wird danach eingefüllt.
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Die Druckschrift
WO 2006/020158 A2 beschreibt ein Verfahren zur Einebnung einer Halbleiterstruktur, um den Gateelektrodenstrukturen mit Metall und einem verbesserten Dielektrikum auf der Grundlage der eingeebneten Halbleiterstruktur herzustellen.
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Die Druckschrift
WO 2006/076991 A2 beschreibt ein Verfahren zum Herstellen eines Tunnel-Feldeffekttransistors, wobei Anschlussbereiche von unterschiedlich dotierter Art mit selbstausrichtenden Implantationsverfahren erzeugt werden.
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Die
US 2005/0282341 A1 beschreibt ein Verfahren zum Abscheiden eines dielektrischen Stapels, wobei eine dielektrische Schicht auf einem Substrat hergestellt wird, wobei die dielektrische Schicht zuminderst Sauerstoff- und Siliziumsatome aufweist. Daraufhin wird eine metallenthaltende Schicht gefolgt von einer Polysiliziumschicht aufgebracht, woraufhin eine Gateelektrodenstruktur mit metallenthaltendem Elektrodenmaterial mit hoher Temperaturstabilität erzeugt wird.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung Techniken zum Austausch eines Gatematerials in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung Transistorelemente, in denen die endgültigen Eigenschaften von Gateelektrodenstrukturen, etwa die Austrittsarbeit, die endgültige Gateleitfähigkeit, und dergleichen, in der fortgeschrittenen Fertigungsphase eingestellt werden, indem ein Gatematerial durch ein metallenthaltendes Material ersetzt wird, möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε, wodurch eine geeignete Austrittsarbeit eingestellt wird und wodurch ein gut leitendes Gateelektrodenmaterial bereitgestellt wird. Dazu wird die dielektrische Deckschicht, die so vorgesehen ist, dass diese als eine Ätz- und Abscheidemaske dient, wenn eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung vorgesehen wird und/oder die als eine Maske dient, um das Ausbilden eines Metallsilizids in dem Gatematerial zu verhindern, effizient so entfernt wird, dass zuverlässig Gatematerial freigelegt wird, während extrem komplexe Polierprozesse vermieden werden, die zu ausgeprägten prozessabhängigen Unregelmäßigkeiten in konventionellen Strategien beitragen. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wird das Platzhaltermaterial der Gateelektrodenstruktur effizient auf der Grundlage eines Ätzprozesses freigelegt, der in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage besserer Prozessbedingungen ausgeführt wird, da ein einzelnes Materialsystem zu dem Platzhaltermaterial beim Freilegen von dessen Oberfläche vorgesehen wird. Folglich kann eine Vielzahl an sehr effizienten Ätzrezepten, etwa plasmaunterstützter Ätzrezepte, nasschemische Ätzrezepte, und dergleichen, angewendet werden, um in effizienter Weise das Platzhaltermaterial freizulegen, ohne dass andere Bauteilparameter, etwa Gatehöhe und dergleichen, beeinträchtigt werden, während gleichzeitig Material sehr effizient von der Oberfläche des Platzhaltermaterials vor dem Ausführen des selektiven Ätzprozesses zum Entfernen des Platzhaltermaterials entfernt werden kann.
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Die vorliegende Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a bis 1e schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen einer Fertigungssequenz gemäß einem Austauschgateverfahren auf der Grundlage konventioneller Strategien zeigen;
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2a bis 2d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn ein Austauschgateverfahren angewendet wird, indem ein dielektrisches Deckmaterial von Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage eines Opfermaskenmaterials gemäß anschaulicher Ausführungsformen abgetragen wird;
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2e bis 2g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während weiterer fortgeschrittener Fertigungsphasen zeigen, in denen ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial oder ein schützendes Material über den Gateelektrodenstrukturen vorgesehen wird und nachfolgend so geätzt wird, dass das Platzhaltermaterial mit besserer Gleichmäßigkeit gemäß anschaulicher Ausführungsformen freigelegt wird;
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2h und 2i schematisch das Halbleiterbauelement in Fertigungsphasen zeigen, in denen die Platzhaltermaterialien durch Gatematerialien gemäß anschaulicher Ausführungsformen ersetzt werden; und
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2j schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigt, wobei ein Opfermaterial verwendet wird, um Platzhaltermaterial auf der Grundlage eines oder mehrerer Ätzprozesse freizulegen und um die Integrität anderer Bauteilkomponenten zu bewahren, während das dielektrische Zwischenschichtmaterial nach dem Entfernen des Opfermaskenmaterials bereitgestellt wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken bereit, um in effizienter Weise ein Platzhaltermaterial von Gateelektrodenstrukturen in einer späten Fertigungsphase freizulegen, wobei komplexe Polierprozesse vermieden werden und wobei ein oder mehrere Ätzprozesse angewendet werden, die in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen auf der Grundlage eines vereinfachten Materialsystems angewendet werden, wodurch eine verbesserte Prozessgleichmäßigkeit erreicht wird und wodurch Unregelmäßigkeiten, etwa Schwankungen in der Gatehöhe und dergleichen vermieden werden. Gleichzeitig können Reste, etwa Oxide, Siliziumnitridreste und dergleichen effizient beim Freilegen des Platzhaltermaterials auf der Grundlage eines oder mehrerer Ätzprozesse abgetragen werden, so dass die nachfolgende Prozesse, etwa Entfernen des Platzhaltermaterials, auf der Grundlage besserer Prozessbedingungen ausgeführt werden können, wodurch ebenfalls zu besseren Transistoreigenschaften beigetragen wird.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird ein Opfermaskenmaterial so vorgesehen, dass Seitenwandabstandshalterstrukturen und andere Bauteilkomponenten geschützt werden, bevor ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial aufgebracht wird, etwa ein Siliziumdioxidmaterial, so dass das dielektrische Deckmaterial möglicherweise in Verbindung mit einem zuvor abgeschiedenen dielektrischen Material, etwa einem Ätzmaterial, von oberhalb der Gateelektrodenstrukturen entfernt werden kann. Daraufhin wird das dielektrische Zwischenschichtmaterial effizient aufgebracht und möglicherweise eingeebnet, wodurch ein Materialsystem über dem Platzhaltermaterial geschaffen wird, das nur das dielektrische Zwischenschichtmaterial enthält, wodurch für bessere Prozessbedingungen für einen Ätzprozess gesorgt wird, in welchem ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials effizient entfernt wird, um damit die Oberfläche des Platzhaltermaterials der Gateelektrodenstrukturen freizulegen. Dazu können gut etablierte plasmaunterstützte Ätzrezepte, nasschemische Ätzrezepte, und dergleichen angewendet werden, da lediglich ein einzelnes Material zu ätzen ist, um die Platzhaltermaterialien freizulegen. Folglich können Prozessparameter des Ätzprozesses geeignet im Hinblick auf die Ätzselektivität ausgewählt werden, um damit ein gewünschtes Ätzergebnis zu erhalten, beispielsweise im Hinblick auf die Steuerbarkeit des Ätzprozesses, wenn das Polysiliziumplatzhaltermaterial freigelegt wird. Somit wird ein gewünschter hoher Grad an Integrität von Schaltungskomponenten, etwa von Metallsilizidgebieten erreicht, indem die Kontaktätzstoppschicht beispielsweise in Form eines Siliziummaterials vorgesehen wird, möglicherweise in Form eines stark verspannten dielektrischen Materials, das ggf. eine unterschiedliche innere Verspannung für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren aufweist, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist, wobei die Kontaktätzstoppschicht jedoch effizient in einem früheren Prozessschritt entfernt wird, wodurch die endgültige effiziente Freilegung des Platzhaltermaterials auf der Grundlage des dielektrischen Zwischenschichtmaterials ermöglicht wird.
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Die Kontaktätzstoppschicht und die dielektrische Deckschicht können effizient auf der Grundlage eines beliebigen geeigneten Opfermaterials, etwa eines Lackmaterials, eines Polymermaterials oder eines anderen Materials, etwa amorphen Kohlenstoff und dergleichen entfernt werden, das wiederum in sehr effizienter Weise in einer späten Fertigungsphase abgetragen wird.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird ein geeignetes Maskenmaterial, etwa amorpher Kohlenstoff und dergleichen, effizient als ein schützendes Material oder Maskenmaterial angewendet, um die dielektrischen Deckschichten zu entfernen und um effizient das Platzhaltermaterial auf der Grundlage eines oder mehrerer Ätzprozesse freizulegen, wobei das Maskenmaterial effizient abgetragen wird und daraufhin das eigentliche dielektrische Zwischenschichtmaterial aufgebracht wird.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2j werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei bei Bedarf auf die 1a bis 1e verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201 und einer Halbleiterschicht 202. Die Halbleiterschicht 202 umfasst ein erstes aktives Gebiet 202a und ein zweites aktives Gebiet 202b, in und welchem entsprechende Transistoren 250a, 250b ausgebildet sind. Im Hinblick auf jegliche Eigenschaften des Substrats 201 und der Halbleiterschicht 202 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert sind. Es sollte beachtet werden, dass eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt) zwischen dem Substrat 201 und der Halbleiterschicht 202 vorgesehen sein kann, wenn eine SOI-(Silizium-auf-Isolator)Architektur betrachtet wird. In der gezeigten Fertigungsphase umfassen die Transistoren 250a, 250b jeweils Drain- und Sourcegebiete 252 in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 254 und einem Kanalgebiet 253, wobei die Eigenschaften von Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b noch eingestellt werden müssen, indem ein Teil der Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b gesetzt wird, wie dies zuvor erläutert ist. Ferner ist in einigen anschaulichen Ausführungsformen in einem oder beiden Transistoren 250a, 250b in dem entsprechenden aktiven Gebiet 202a, 202b eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung, etwa einer Silizium/Germanium-Legierung, eine Silizium/Kohlenstofflegierung, und dergleichen eingebaut. Beispielsweise ist in dem Transistor 250a eine verformungsinduzierende Halbleiterlegierung 204 eingebaut.
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Die Gateelektrodenstruktur 210a umfasst ein Gatedielektrikumsmaterial 211, das ein dielektrisches Material mit großem ε möglicherweise in Verbindung mit konventionellen Dielektrika, etwa siliziumoxidbasierten Materialien und dergleichen, aufweist. In diesem Falle wird typischerweise eine leitende Deckschicht 214 auf dem Gatedielektrikumsmaterial 211 hergestellt. In anderen Fällen repräsentiert das Dielektrikumsmaterial 211 in dieser Fertigungsphase ein konventionelles dielektrisches Material, das zumindest teilweise in einer späteren Fertigungsphase durch ein dielektrisches Material mit großem ε ersetzt wird. In diesem Falle kann die leitende Deckschicht weggelassen werden. Des weiteren ist das Platzhaltermaterial 222, beispielsweise in Form von Polysilizium, polykristallinem Silizium und Germanium, und dergleichen, über der Schicht 214 gebildet. Ferner ist eine dielektrische Deckschicht 213a in Verbindung mit Seitenwandabstandshaltern 203a vorgesehen, um die Integrität der Gateelektrodenstrukturen 210 zu bewahren, falls dies erforderlich ist. Die Gateelektrodenstruktur 210b besitzt einen ähnlichen Aufbau, wobei in einigen Fällen, wie zuvor erläutert ist, die dielektrische Deckschicht 213 eine unterschiedliche Dicke im Vergleich zu der Schicht 213a auf Grund eines anderen Prozessablaufes ersetzen kann, beispielsweise im Hinblick auf den Einbau des Materials 204 in das aktive Gebiet 202a, und dergleichen. Ferner ist eine Seitenwandabstandshalterstruktur 251 an Seitenwänden der Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b vorgesehen. In der gezeigten Ausführungsform ist eine dielektrische Schicht 261, etwa ein Siliziumnitridmaterial und dergleichen, das auch als Kontaktätzstoppschicht bezeichnet werden kann, in Form eines geeigneten Materials vorgesehen, etwa als Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid und dergleichen. Die dielektrische Schicht 261 besitzt eine geeignete Dicke, beispielsweise etwa 10 nm, 20 nm oder mehr, wodurch ein zuverlässiges und konformes Abscheiden der Schicht 261 in komplexen Bauteilgeometrien möglich ist, beispielsweise sollten die Transistoren mit einer Gatelänge von 50 nm und weniger enthalten, wobei ein Abstand zwischen benachbarten Transistoren ungefähr 100 nm oder weniger beträgt. die dielektrische Schicht 261 oder zumindest ein Teil davon kann in Form eines stark verspannten Materials vorgesehen sein, um damit das Leistungsverhalten eines oder beider Transistoren 250a, 250b zu verbessern.
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In der gezeigten Fertigungsphase ist ein Maskenmaterial 270 über den Transistoren 250a, 250b vorgesehen, wodurch die entsprechenden Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b abgedeckt werden. Das Maskenmaterial 270 kann beispielsweise in Form eines organischen Materials, etwa als Lackmaterial, oder in Form eines anderen Polymermaterials vorgesehen werden, das in einem Zustand geringer Viskosität aufgebracht wird, um eine im Wesentlichen ebene Oberflächentopographie beim Abscheiden des Materials 270 zu erreichen, ohne dass weitere Prozessschritte erforderlich sind.
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Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozesstechnik hergestellt werden, um die Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b bereitzustellen, wie dies etwa zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 beschrieben ist. Nach der Ausbildung der Metallsilizidgebiete 254 auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Fertigungsstrategie, wobei die dielektrischen Deckschichten 213a, 213 als effiziente Masken dienen können, wird die Schicht oder werden die Schichten 261 abgeschieden, woran sich das Abscheiden des Maskenmaterials 270 anschließt, das auf der Grundlage von Aufschleudertechniken und dergleichen bewerkstelligt werden kann. In anderen Fallen wird ein anderes geeignetes Material, etwa amorpher Kohlenstoff, und dergleichen vorgesehen, beispielsweise mit CVD-Techniken, möglicherweise in Verbindung mit einem geeigneten Einebnungsprozess, um bei Bedarf bessere Oberflächentopographien zu schaffen.
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2b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es einem Materialabtragungsprozess 271 unterliegt, um einen Teil des Maskenmaterials 270 zu entfernen. Beispielsweise kann der Abtragungsprozess auf der Grundlage einer plasmaunterstützten Ätzumgebung mit geeigneten reaktiven Komponenten, etwa Sauerstoff, Fluor und dergleichen ausgeführt werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Vielzahl plasmaunterstützter Ätzrezepte verfügbar ist, um Polymermaterialien, etwa Lackmaterialien und dergleichen zu ätzen. In anderen Fällen umfasst zusätzlich oder alternativ zu einem Ätzprozess der Abtragungsprozess 271 einen Polierprozess, der auf der Grundlage geeignet ausgewählter Parameter ausgeführt wird, die effizient auf der Grundlage von Experimenten und dergleichen festgelegt werden können. Während des Abtragungsprozesses 271 wird die dielektrische Schicht 261 effizient über den Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b freigelegt, während in anderen Fällen, wenn die dielektrische Deckschicht 261 in dem vorhergehenden Fertigungsablauf weggelassen wurde, die dielektrischen Deckschichten 213a, 213 zuverlässig freigelegt werden.
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2c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200, wenn es einem weiteren Materialabtragungsprozess 272 unterliegt, der in einer anschaulichen Ausführungsform als ein plasmaunterstützter Ätzprozess eingerichtet wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl an Ätzchemien verfügbar, um dielektrische Materialien, etwa Siliziumnitrid, stickstoffenthaltendes Siliziumkarbid und dergleichen, in Anwesenheit eines Maskenmaterials, etwa des Materials 270 zu ätzen, das eine deutlich geringere Ätzrate besitzt. Beispielsweise können Materialien effizient als Ätzmasken in einer Vielzahl von plasmaunterstützten Ätzprozessen eingesetzt werden, um jedes der zuvor genannten dielektrischen Materialien abzutragen. Während des Ätzprozesses 272 wird somit der freigelegte Bereich der Schicht 261 entfernt und es werden auch die Deckschichten 213a, 213 schließlich freigelegt und während des Ätzprozesses 272 abgetragen. In anderen Fällen, wenn die dielektrischen Materialien 261 und 213a, 213 ein unterschiedliches Ätzverhalten besitzen, wird eine geeignete Ätzchemie beim Freilegen der dielektrischen Schichten 213, 213a während des Ätzprozesses 272 angewendet. Beim Abtragen der Deckschichten 213a, 213 kann auch eine ausgeprägte Selektivität im Hinblick auf das Platzhaltermaterial 212 erreicht werden. D. h., der Prozess 272 kann effizient die Materialschichten 261 und 213a, 213 abtragen, während eine Ätzrate im Material 212 deutlich geringer ist. Dazu ist eine Vielzahl an sehr selektiven plasmaunterstützten Ätzrezepten verfügbar, in denen siliziumnitridbasierte Materialien selektiv in Bezug auf Siliziummaterial abgetragen werden können. Folglich kann der Ätzprozess 272 so ausgeführt werden, dass die Schichten 213a, 213 vollständig entfernt werden, selbst wenn diese Schichten eine unterschiedliche Dicke besitzen, ohne dass zu einem ausgeprägten Unterschied in der Höhe der Platzhaltermaterialien 212 beigetragen wird. Es kann die Gatehöhe der Struktur 210a, 210b im Wesentlichen gleich sein nach dem Entfernen der Schichten 213a, 213, wodurch bessere Prozessbedingungen während der weiteren Bearbeitung geschaffen werden.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen enthält der Ätzprozess 272 oder eine Sequenz aus Ätzprozessen zum Entfernen eines freigelegten Bereichs der dielektrischen Schicht 261 und der Deckschichten 213a, 213 einen nasschemischen Ätzprozess, beispielsweise auf der Grundlage heißer Phosphorsäure, wenn Siliziumnitridmaterialien betrachtet werden und dergleichen, wobei ein Opfermaskenmaterial 270 für eine hohe Integrität der Metallsilizidgebiete 254 und der siliziumnitridbasierten Seitenwandabstandshalterelemente sorgt.
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2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der die Platzhaltermaterialien 212 in den Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b auf Grund des vorhergehenden Abtragungsprozesses 272 (siehe 2c) freigelegt sind. Ferner wurde das Opfermaskenmaterial 270 entfernt, was bewerkstelligt werden kann, indem ein geeignetes Ätzrezept angewendet wird, etwa eine Lackätzung und dergleichen, während in anderen Fällen nasschemische Ätzrezepte angewendet werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden der Abtragungsprozess 272 (siehe 2c) und ein entsprechender Prozess zum Entfernen des Maskenmaterials 272 als ein in-situ-Prozess ausgeführt, d. h. diese Prozessschritte werden in der gleichen Prozesskammer ausgeführt, ohne dass irgendwelche dazwischen liegende Transportaktivitäten und dergleichen erforderlich sind. Auch das Freilegen des Teils der dielektrischen Schicht 261 (siehe 2b) kann in der gleichen Prozesskammer bewerkstelligt werden, wodurch eine sehr effiziente Prozesssequenz geschaffen wird.
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2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 260 über den Transistoren 250a, 250b vorgesehen, das ein dielektrisches Material 262, etwa ein Siliziumdioxidmaterial, aufweist, wobei auch die dielektrische Schicht 261 als ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials betrachtet werden kann. In anderen Fällen wird das Material 262 in Form eines schützenden Materials, etwa als amorpher Kohlenstoff und dergleichen vorgesehen, der eine sehr ausgeprägte Ätzselektivität während der weiteren Prozesse besitzt, wenn die Platzhaltermaterialien 212 entfernt werden. Es sollte beachtet werden, dass das Material 262, beispielsweise in Form eines permanenten dielektrischen Zwischenschichtmaterials oder in Form eines Opferschutzmaterials auf der Grundlage gut etablierter CVD-Techniken aufgebracht werden kann.
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2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß anschaulicher Ausführungsformen, in denen die Oberflächentopographie des Materials 262 verbessert wird, indem ein Einebnungsprozess 206 ausgeführt wird, etwa ein Polierprozess und dergleichen. Beispielsweise sind gut etablierte Siliziumdioxidpolierrezepte anwendbar, wie sie auch typischerweise angewendet werden, wenn das dielektrische Zwischenschichtmaterial hergestellt wird und dieses strukturiert wird, um Kontaktöffnungen in Prozessstrategien zu erzeugen, in denen das Austauschen von Gatematerialien in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase nicht erforderlich ist. In anderen Fällen wird eine bessere Oberflächentopographie bei Bedarf erreicht auf der Grundlage eines Ätzprozesses, möglicherweise in Verbindung mit einem Einebnungsmaterial, etwa mit Polymermaterialien und dergleichen, die eine ähnliche Ätzrate wie das Material 262 besitzen.
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2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines Ätzprozesses 207, in welchem ein Teil des Materials 262 entfernt wird, wodurch schließlich eine obere Fläche 213s der Platzhaltermaterialien 212 freigelegt wird. Der Ätzprozess 207 wird auf der Grundlage plasmaunterstützter Ätzrezepte, nasschemischer Ätzrezepte und dergleichen ausgeführt, wofür es eine Vielzahl sehr effizienter Ätzrezepte verfügbar ist. Beispielsweise kann Siliziummaterial effizient in Bezug auf Polysiliziummaterial auf der Grundlage plasmaunterstützter Ätztechniken geätzt werden, wobei, da andere Materialien, etwa Siliziumnitrid und dergleichen, nicht mehr über der Oberfläche 212s vorhanden sind, geeignete Prozessparameter so eingestellt werden können, dass eine gewünschte Selektivität in Bezug auf das Material 212 erreicht wird. Folglich kann ein höherer Grad an Gleichmäßigkeit in lokaler und globaler Weise in dem Bauelement 200 im Vergleich zu den extrem komplizierten Polierstrategien erreicht werden, die typischerweise in dem konventionellen Austauschgateverfahren angewendet werden, wie dies zuvor beschrieben ist. Da ferner die Oberflächenbereiche 213s der Platzhaltermaterialien 212 in einer früheren Fertigungsphase auf der Grundlage des Maskenmaterials 270 (siehe 2c) freigelegt wurden, können Materialreste effizient entfernt werden, da die Oberfläche 213s der reaktiven Ätzumgebung oder anderen geeigneten Reinigungsprozessen unterzogen werden kann, bevor der Ätzprozess 207 ausgeführt wird. Bei Bedarf kann ein zusätzlicher Reinigungsprozess angewendet werden, um den Zustand der freigelegten Oberflächenbereiche 213s weiter zu verbessern.
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2h zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 während eines selektiven Ätzprozesses 208, um die Platzhaltermaterialien 212 selektiv in Bezug auf das leitende Deckmaterial 214, falls dieses vorgesehen ist, oder selektiv zu dem dielektrischen Material 211 und auch selektiv in Bezug auf die Seitenwandabstandshalterstruktur 203a, 203b und 251 und die dielektrischen Materialien 262 und 261 zu entfernen. In diesem Falle können effiziente nasschemische Ätzrezepte verwendet werden, etwa TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid), oder andere geeignete Hydroxidlösungen und dergleichen, wobei eine bessere Effizienz auf Grund der zuverlässigen Freilegung des Materials 212 erreicht wird. Ferner können jegliche mit dem Polieren verbundene Reste, wie sie typischerweise in der konventionellen Strategie erzeugt werden, vermieden werden, wodurch ein zuverlässiges Entfernen des Platzhaltermaterials 212 möglich ist.
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2i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der die Gateelektrodenstruktur 210a eine austrittsarbeitseinstellende Sorte 216a in Verbindung mit einem geeigneten metallenthaltenden Elektrodenmaterial 212a aufweist, während die Gateelektrodenstruktur 210b eine entsprechende austrittsarbeitseinstellende Sorte 216b in Verbindung mit einem metallenthaltenden Gateelektrodenmaterial 212b aufweist. Es sollte beachtet werden, dass die Materialien 216a, 216b auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheide- und Strukturierungsstrategie in Verbindung mit geeigneten Wärmebehandlungen und dergleichen hergestellt werden können. In ähnlicher Weise können die Elektrodenmaterialien 212a, 212b, die zum Teil gleich sein können, mittels einer beliebigen geeigneten Prozesssequenz aufgebracht werden, beispielsweise durch CVD, Sputter-Abscheidung, elektrochemische Abscheidung, woran sich das nachfolgende Entfernen von überschüssigem Material auf Grundlage von CMP-Techniken und dergleichen anschließt. Somit können metallenthaltende Materialien mit besserer Gleichmäßigkeit und Zuverlässigkeit bereitgestellt werden, da das Platzhaltermaterial 212 effizient entfernt werden kann, wie dies zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass in dieser Fertigungsphase auch ein dielektrisches Material mit großem ε in die Gateelektrodenstruktur 210a, 210b eingebracht werden kann, wenn ein derartiges Material nicht von einer früheren Fertigungsphase vorgesehen wurde. Dazu können geeignete Abscheidetechniken, etwa Atomlagenabscheidung und dergleichen gemäß gut etablierter Rezepte angewendet werden, wobei auch in diesem Falle die verbesserte Abtragungseffizienz für die Platzhaltermaterialien 212 für bessere Prozessbedingungen sorgt, wenn ein dielektrisches Material mit großem ε gebildet wird.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird nach dem Vorsehen der Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b mit geeigneten Gatematerialien das dielektrische Material 262 entfernt, wenn dieses ein schützendes Opfermaterial repräsentiert. Wenn beispielsweise amorphes Kohlenstoffmaterial verwendet wird, das einen hohen Ätzwiderstand während der vorhergehenden Prozesssequenz besitzt, kann ein effizienter Abtragungsprozess ausgeführt werden auf der Grundlage von Sauerstoffplasmarezepten, wodurch nicht unnötig die Elektrodenstrukturen 210a, 210b beeinflusst werden. Daraufhin wird das eigentliche dielektrische Zwischenschichtmaterial etwa in Form von Siliziumdioxid, auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidestrategie aufgebracht. Als nächstes wird die Bearbeitung fortgesetzt, indem Kontaktelemente in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial unter Anwendung einer geeigneten Prozesstechnik erzeugt werden.
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2j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt ist auf dem Halbleiterbauelement 200 das Material 262 ausgebildet, das als ein schützendes Maskenmaterial dienen kann und das in Form von Kohlenstoffmaterial und dergleichen vorgesehen werden kann. Dazu wird das Material 262 auf der Grundlage von CVD-Techniken und dergleichen aufgebracht. Bei Bedarf wird ein Einebnungsprozess, etwa ein Ätzprozess, ein CMP-Prozess und dergleichen angewendet, um eine bessere Oberflächentopographie zu schaffen. Daraufhin wird das Bauelement 200 der Einwirkung eines Ätzprozesses 271 unterzogen, der geeignet so gestaltet ist, dass ein Teil des Materials 262, wie dies durch die gestrichelte Linie angegeben ist, entfernt wird, wodurch das Material 261 über den Gateelektrodenstrukturen 210a, 210b freigelegt wird, wie dies zuvor erläutert ist. Der Ätzprozess 271 kann auf der Grundlage von plasamunterstützten Ätzrezepten, nasschemischen Ätzrezepten und dergleichen ausgeführt werden, wobei dies von dem Ätzverhalten des Materials 262 abhängt. Beispielsweise können sauerstoffplasmabasierte Prozesse für amorphes Kohlenstoffmaterial angewendet werden. Nach dem Freilegen des Materials 261 wird der Ätzprozess 272 angewendet, um den freiliegenden Bereich des Materials 261 zu entfernen und um auch die Deckschichten 213, 213a abzutragen, wobei das schützende Material 262 die Integrität der verbleibenden Bauteilkomponenten bewahrt. Beispielsweise wird der Prozess 272 auf der Grundlage eines nasschemischen Ätzrezepts oder eines plasmaunterstützten Ätzrezepts ausgeführt, wobei die hohe Ätzwiderstandsfähigkeit des Materials 262 die Integrität der verbleibenden Bauteilkomponenten sicherstellt. Während des Ätzprozesses 272 können die Prozessparameter effizient so bestimmt werden, dass ein zuverlässiges Freilegen der Platzhaltermaterialien 212 erreicht wird. Beispielsweise besitzen die Materialien 261, 213, 213a im Wesentlichen das gleiche Ätzverhalten und können somit auf Grundlage gut etablierter Ätzrezepte abgetragen werden, während ein hoher Grad an Ätzselektivität in Bezug auf die Materialien 212 zu im Wesentlichen der gleichen Gatehöhe nach dem Ätzprozess 272 führt. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das dielektrische Material 261 in dieser Fertigungsphase nicht vorgesehen und das schützende Material 262 wird direkt auf den Metallsilizidgebieten 254 hergestellt, wodurch die Materialmenge verringert wird, die während des Ätzprozesses 272 zu entfernen ist. Andererseits kann das Material 262 zuverlässig die empfindlichen Metallsilizidgebiete 254 schützen.
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Nach dem Ätzprozeses 272 kann somit die weitere Bearbeitung fortgesetzt werden, indem die zuverlässig freigelegten Platzhaltermaterialien 212 beispielsweise auf der Grundlage einer Ätztechnik entfernt werden, wie dies zuvor beschrieben ist, und indem geeignete Elektrodenmaterialien in die Gateelektrodenstruktur 210a, 210b eingefüllt werden, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Während der entsprechenden Prozesssequenz kann das schützende Material 262 weiterhin die Integrität anderer Bauteilbereiche bewahren. Daraufhin wird das Material 262 effizient abgetragen, beispielsweise auf der Grundlage eines Sauerstoffplasmas und dergleichen, und die Bearbeitung wird fortgesetzt, indem ein oder mehrere dielektrische Materialien, etwa Siliziumnitrid, Siliziumdioxid und dergleichen abgeschieden werden.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Techniken bereit, in denen ein Platzhaltergatematerial effizient durch metallenthaltende Materialien ersetzt wird, möglicherweise in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε, wobei das Platzhaltermaterial freigelegt wird, ohne dass ein komplexer Polierprozess erforderlich ist, wodurch eine insgesamt bessere Prozessgleichmäßigkeit erreicht wird.
