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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere die Herstellung sehr komplexer Feldeffekttransistoren, etwa von MOS-Transistorstrukturen, die Kontaktbereiche erfordern, die nach dem Vorsehen des dielektrischen Zwischenschichtmaterials einer Kontaktebene hergestellt werden.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Der Fertigungsprozess für integrierte Schaltungen wird auf diverse Arten verbessert auf Grund der ständigen Bestrebungen, die Strukturgrößen der einzelnen Schaltungselemente zu verringern. Gegenwärtig und in der absehbaren Zukunft wird der Großteil der integrierten Schaltungen auf Basis von Siliziumbauelementen auf Grund der guten Verfügbarkeit von Siliziumsubstraten und auf Grund der gut verstandenen Prozesstechnologie, die über die letzten Jahrzehnte entwickelt wurde, hergestellt. Ein wesentlicher Aspekt der Entwicklung integrierter Schaltungen mit erhöhter Packungsdichte und besserem Leistungsverhalten ist die Größenreduzierung der Transistorelemente, etwa von MOS-Transistoren, um die sehr große Anzahl an Transistorelementen bereitzustellen, die zum Erzeugen komplexer integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, Mischsignalbauelementen, und dergleichen erforderlich ist. Ein wichtiger Aspekt bei der Herstellung von Feldeffekttransistoren mit reduzierten Abmessungen ist die Verringerung der Länge der Gateelektrode, die den Stromfluss in einem leitenden Kanal steuert, der zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet des Transistors angeordnet ist. Die Source- und Draingebiete des Transistorelements sind leitende Halbeleitergebiete mit einem Dotiermittel mit inverser Leitfähigkeitsart im Vergleich zu den Dotiermitteln in dem umgebenden kristallinen aktiven Gebiet, etwa einem Substrat oder einem Wannengebiet.
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Obwohl die Verringerung der Gatelänge zu kleineren und schnelleren Transistoren führt, zeigt sich dennoch, dass eine Vielzahl von Problemen zusätzlich auftreten, um ein geeignetes Transistorverhalten bei einer reduzierten Gatelänge aufrecht zu erhalten. Eine herausfordernde Aufgabe in dieser Hinsicht ist das Vorsehen flacher Übergangsgebiete, d. h. Source- und Drainerweiterungsgebiete und Drain- und Sourcegebiete, die damit in Verbindung stehen, die aber dennoch eine hohe Leitfähigkeit besitzen, um damit den Widerstand bei der Leitung von Ladungsträgern von dem Source über das Kanalgebiet in das Draingebiet zu minimieren.
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Durch das Bereitstellen anspruchsvoller Dotierstoffprofile in den Drain- und Sourcegebieten in Verbindung mit einer geringeren Kanallänge kann daher insgesamt ein geringerer Reihenwiderstand der Transistoren erreicht werden. In anspruchsvollen Anwendungen ist jedoch der Gesamtwiderstand der Transistoren nicht mehr durch die Drain- und Sourcegebiete und das Kanalgebiet bestimmt, sondern der Kontaktwiderstand kann zunehmend ein bedeutender Faktor werden, da bei einer Verringerung der Größe der Transistoren auch entsprechende Kontaktelemente, die zu verstehen sind, als Elemente, die sich durch ein dielektrisches Material einer Kontaktebene des Halbleiterbauelements erstrecken, entsprechend angepasst werden müssen. Insbesondere der Kontaktwiderstand, d. h. der Widerstand des Übergangsbereichs von dem Kontaktelement zu den stark dotierten Drain- und Sourcebereichen wird typischerweise verringert, indem eine Metall/Silizium-Verbindung in den stark dotierten Drain- und Sourcegebieten erzeugt wird, die typischerweise einen geringeren Widerstand im Vergleich zu sogar sehr stark dotierten Siliziummaterialien bietet. Dazu wurden geeignete Silizidierungsprozesse entwickelt, in denen ein hoch schmelzendes Metall, etwa Kobalt, Titan, und dergleichen abgeschieden und nachfolgend geeigneten erhöhten Temperaturen im Bereich von 350 Grad C bis 600 Grad C ausgesetzt wird, um damit eine chemische Reaktion zwischen dem Siliziummaterial und dem hoch schmelzenden Metall in Gang zu setzen. Der resultierende Widerstandswert der Silizium/Metallverbindung hängt wesentlich von der Metallsorte und den Prozessbedingungen ab. In jüngsten Entwicklungen wird Nickel als bevorzugter Kandidat für ein Metallsilizidmaterial auf Grund seines geringeren Widerstands im Vergleich zu beispielsweise Kobaltsilizid und dergleichen verwendet. Wenn Nickelsilizid in einem stark dotierten Siliziumgebiet hergestellt wird, wird typischerweise eine Nickelschicht, etwa durch Sputter-Abscheidung, aufgebracht und nachfolgend wird eine Wärmebehandlung auf der Grundlage von Temperaturen im Bereich von ungefähr 400 Grad C angewendet, wobei eine Einwirkung erhöhter Temperaturen in der weiteren Bearbeitung unterdrückt wird, da in diesem Falle das Nickelsilizid, das zuvor auf der Grundlage von oben spezifizierten Temperaturen thermisch stabilisiert wurde, ansonsten eine geringere Stabilität und/oder einen erhöhten Widerstand zeigt.
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In einem typischen Prozessablauf wird die grundlegende Transistorkonfiguration nach dem Ausführen jeglicher Hochtemperaturprozesse fertig gestellt und danach wird das Nickelsilizid auf der Basis einer Prozessstrategie erzeugt, wie dies zuvor dargestellt ist, wobei jegliches nicht reagiertes Nickelmaterial auf dielektrischen Oberflächenbereichen effizient auf der Grundlage nasschemischer selektiver Ätzrezepte entfernt wird. Daraufhin wird das dielektrische Zwischenschichtmaterialsystem der Kontaktebene vorgesehen, beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD-Techniken, in denen typischerweise Prozesstemperaturen auf einem Pegel eingestellt werden, der das zuvor hergestellte Metallsilizid nicht negativ beeinflusst. Daraufhin werden Kontaktöffnungen in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial hergestellt und diese werden nachfolgend mit einem geeigneten Kontaktmaterial, etwa Wolfram, aufgefüllt, das typischerweise in Verbindung mit geeigneten Barrierenmaterialien, etwa Titan, Titannitrid auf der Grundlage eines thermisch aktivierten CVD-(chemische Dampfabscheide-)Prozess vorgesehen wird, wobei auch in diesem Falle die angewendeten Prozesstemperaturen mit dem zuvor hergestellten Nickelsilizidmaterial verträglich sind.
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In jüngerer Zeit wurden komplexe Prozessstrategien entwickelt, in denen höhere Temperaturen in einer sehr späten Fertigungsphase anzuwenden sind, d. h. nach der Herstellung zumindest eines Teils der Kontaktebene, wobei diese Temperaturen nicht mehr mit dem Metallsilizid verträglich sind, was in den dotierten Halbleiterbereichen hergestellt ist. Beispielsweise werden in komplexen Halbleiterbauelementen Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε häufig vorgesehen, um die Beschränkungen zu umgehen, die durch konventionelle silizium/polysiliziumbasierte Gateelektrodenstrukturen auferlegt werden. Zu diesem Zweck werden dielektrische Materialien mit großem ε, etwa Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid, Zirkonoxid, und dergleichen als ein Gatedielektrikumsmaterial möglicherweise in Verbindung mit einem sehr dünnen konventionellen siliziumoxidbasierten Material vorgesehen, um die Gateleckströme bei einer erforderlichen kapazitiven Kopplung zwischen der Gateelektrode und dem Kanalgebiet zu verringern. Ferner werden metallenthaltende Elektrodenmaterialien in Verbindung mit dem dielektrischen Material mit großem ε vorgesehen, um damit diesen komplexen Gateelektrodenstrukturen eine bessere Leitfähigkeit zu verleihen und um eine geeignete Austrittsarbeit einzustellen. Da im Allgemeinen die Herstellung komplexer Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε eine Vielzahl an sehr komplexen Prozessstrategien erforderlich macht, werden in einigen anschaulichen Vorgehensweisen kritische Prozessschritte, etwa der Einbau verbesserter Elektrodenmaterialien, in einer sehr späten Fertigungsphase ausgeführt, wobei die eigentliche Strukturierung und somit die Einstellung der kritischen Abmessungen der Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage etablierter Gatematerialien, etwa in Form von Siliziumdioxid und Polysilizium, bewerkstelligt wird. Nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration wird in diesen Vorgehensweisen das dielektrische Zwischenschichtmaterial oder zumindest ein Teil davon typischerweise vorgesehen und das Polysilizium der Gateelektrodenstrukturen wird dann auf Grundlage eines Abtragungsprozesses freigelegt, um das Entfernen des Polysiliziummaterials und dessen Ersetzen durch geeignete metallenthaltende Elektrodenmaterialien zu ermöglichen. In einigen dieser sogenannten Austauschgateverfahren ist der Einbau geeigneter metallenthaltender Materialien mit Hochtemperaturprozessen verknüpft, beispielsweise um in geeigneter Weise Austrittsmetallsorten und dergleichen einzubauen, wobei die angewendeten Prozesstemperaturen häufig nicht mit der Herstellung eines Nickelsilizids in einer frühen Fertigungsphase verträglich sind.
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Folglich wurden Prozessstrategie entwickelt, in denen der Kontaktwiderstand in einer späteren Fertigungsphase reduziert wird, beispielsweise nach Ersetzen des Polysiliziummaterials durch metallenthaltende Elektrodenmaterialien in Austauschgateverfahren, wobei ein Nickelsilizid lokal in den Kontaktöffnungen hergestellt wird, indem eine Nickelschicht in der Kontaktöffnung erzeugt wird und indem die Silizidierung gemäß gut etablierter Nickelsilizidrezepte initiiert wird, woran sich das Entfernen von überschüssigem Metall anschließt. Daraufhin wird das Kontaktmetall durch gut etablierte Prozessstrategien hergestellt, wie sie zuvor erläutert sind.
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Wie zuvor beschrieben ist, hängt das gesamte Transistorleistungsverhalten wesentlich von dem Gesamtwiderstand und insbesondere von dem Kontaktwiderstand und dem Widerstand der Kontaktelemente ab. Durch Herstellen des Nickelsilizidbereichs auf der Grundlage der Kontaktöffnungen kann die Herstellung des Metallsilizids im Wesentlichen in den dotierten Halbleitergebieten auf einen Bereich beschränkt werden, wie er durch die entsprechenden Kontaktelemente definiert ist, was zu einer insgesamt geringeren Leitfähigkeit der stark dotierten Halbleitergebiete im Vergleich zu Prozessstrategien führt, in denen die Nickelsilizidbereiche in einer frühen Fertigungsphase erzeugt werden. In einigen Vorgehensweisen wird die Verringerung der Größe der Metallsilizidgebiete zumindest teilweise kompensiert, indem geeignet dimensionierte Kontaktelemente, beispielsweise in Form von Gräben, vorgesehen werden, was jedoch nicht notwendigerweise mit den Entwurfserfordernissen für gewisse Transistoren verträglich ist. Beispielsweise beeinflusst das Vorsehen von Kontaktgräben die gesamten Verspannungsbedingungen, wenn stark verspannte dielektrische Zwischenschichtmaterialien vorzusehen sind. Wie ferner zuvor erläutert ist, weisen Kontaktöffnungen mit einer im Wesentlichen quadratischen Abmessung einen erhöhten Widerstand auf, da typischerweise komplexe Barrierenmaterialien erforderlich sind, etwa Titan und Titannitrid, in Verbindung mit komplexen Wolfram-CVD-Techniken, wobei die Dicke der leitenden Barrierenmaterialien nicht in der gleichen Weise verringert werden kann, wie die lateralen Abmessungen der Kontaktelemente, wenn diese im Hinblick auf die gesamten Entwurfserfordernisse größer zu reduzieren sind. Da der Widerstand des leitenden Barrierenmaterials typischerweise deutlich höher ist im Vergleich zu dem eigentlichen Wolframmaterial, wird bei einer weiteren Verringerung der lateralen Größe von Kontaktelementen, die nicht in Form von Kontaktgräben auf Grund der Entwurfserfordernisse vorgesehen werden können, eine überproportionale Zunahme des Kontaktwiderstands beobachtet. In Verbindung mit der späten Herstellung des Nickelsilizids, was zu einer deutlich geringeren Nickelsilizidfläche in den stark dotierten Siliziumgebieten führt, kann somit der Gesamtwiderstand komplexer Transistorelemente nicht nach Bedarf verringert werden, selbst wenn sehr komplexe Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε vorgesehen werden.
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Prozesstechniken und Halbleiterbauelemente, in denen ein 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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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen ein besserer Kontaktwiderstand auf der Grundlage eines sehr effizienten Prozessablaufes erreicht wird, wobei dennoch das empfindliche Metallsilizid in einer späten Fertigungsphase bereitgestellt wird. Dazu wird das hoch schmelzende Metall zur Herstellung der Metallsilizidflächen in stark dotierten Halbleitergebieten, etwa in Form eines Nickelmaterials, in den Kontaktöffnungen hergestellt, die eine geeignete laterale Größe gemäß den Entwurfserfordernissen besitzen. Daraufhin wird das Kontaktmaterial abgeschieden und wird bei erhöhten Temperaturen behandelt, die wiederum die Silizidausbildung in den stark dotierten Halbleitergebieten in Gang setzen. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird das Abscheiden des Kontaktmaterials, beispielsweise in Form von Wolfram, auf der Grundlage eines thermisch aktivierten Abscheideprozesses bewerkstelligt, wobei die Prozesstemperatur gleichzeitig für geeignete thermische Bedingungen zum Initiieren des Silizidierungsprozesses sorgt. Folglich kann ein sehr effizienter Gesamtprozessablauf erreicht werden, wobei in einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen das hoch schmelzende Metall, das zur Herstellung des Metallsilizidmaterials verwendet wird, auch als ein effizientes Barrierenmaterial dient, wenn beispielsweise ein direkter Kontakt einer Abscheideatmosphäre zur Herstellung des Kontaktmaterials mit dem dielektrischen Material als ungeeignet erachtet wird. Da typischerweise das hoch schmelzende Metall eine höhere elektrische Leitfähigkeit im Vergleich zu konventioneller Weise verwendeten Barrierematerialien, etwa Titan und Titannitrid aufweist, kann insgesamt ein besseres Leistungsverhalten der Kontaktelemente erreicht werden.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Kontaktöffnung in einem dielektrischen Material einer Kontaktebene eines Halbleiterbauelements, wobei die Kontaktöffnung mit einem dotierten Halbleitergebiet in Verbindung steht. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer hoch schmelzenden Metallschicht auf inneren Oberflächenbereichen der Kontaktöffnung und auf einem Teil des dotierten Halbleitergebiets, der durch die Kontaktöffnung freigelegt ist. Ferner wird ein Kontaktmaterial auf der hoch schmelzenden Metallschicht gebildet und es wird eine Wärmebehandlung ausgeführt, um ein Metallsilizid in den dotierten Halbleitergebieten in Anwesenheit zumindest eines Teils des Kontaktmaterials zu bilden.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Kontaktöffnung in einem dielektrischen Material eines Halbleiterbauelements, wobei die Kontaktöffnung einen Teil eines dotierten Halbleitergebiets freilegt. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer ersten Metallschicht in einer Kontaktöffnung. Das Verfahren umfasst des weiteren das Ausführen eines thermisch aktivierten Abscheideprozesses derart, dass eine zweite Metallschicht in der Kontaktöffnung gebildet wird und eine Halbleiter/Metallverbindung aus der ersten Metallschicht in dem Bereich des dotierten Halbelitergebiets gebildet wird.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst ein dotiertes Halbleitergebiet, das in einer Halbleiterschicht des Halbleiterbauelements ausgebildet ist. Das Halbleiterbauelement umfasst eine Kontaktebene, die über der Halbleiterschicht gebildet ist und ein dielektrisches Material und ein in dem dielektrischen Material gebildetes Kontaktelement aufweist. Das Kontaktelement besitzt einen unteren Endbereich, der mit dem dotierten Halbleitergebiet in Kontakt ist, und umfasst eine erste Metallsorte, die eine Metall/Halbleiterverbindung bildet. Das Kontaktelement umfasst ferner eine zweite Metallsorte, die in einem zentralen Bereich des Kontaktelements vorgesehen ist und von dem dielektrischen Material durch die erste Metallsorte getrennt ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a bis 1d schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung eines Metallsilizids und eines Kontaktelements in einer späten Fertigungsphase auf der Grundlage einer gemeinsamen Prozesssequenz gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen anschaulichen offenbarten Ausführungsformen einzuschränken, sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
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Im Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen der Kontaktwiderstand dotierter Halbleitergebiete, etwa von Drain- und Sourcegebieten von Feldeffekttransistoren und dergleichen, verringert wird, indem ein Metallsilizid, etwa ein Nickelsilizidmaterial, in einer späten Fertigungsphase hergestellt wird, d. h. nach dem Vorsehen zumindest eines Teils eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials einer Kontaktebene, wobei jedoch im Gegensatz zu konventionellen Vorgehensweisen die Metallsorte für das Metallsilizid und die Metallsorte für Kontaktelemente in einer gemeinsamen Wärmebehandlung thermisch aktiviert werden, beispielsweise in einigen anschaulichen Ausführungsformen unter Anwendung geeigneter Prozesstemperaturen während eines thermisch aktivierten Abscheideprozesses zum Bereitstellen der Metallsorte für die Kontaktelemente, um die Ausbildung eines Metallsilizids in einem Teil des stark dotierten Halbleitergebiets zu initiieren, der durch die Kontaktöffnungen freigelegt ist. Folglich dient in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Metallsorte, etwa das Nickelmaterial, als eine Komponente für eine Metallsilizidverbindung und bietet zusätzlich eine Barrierenfunktion, wodurch es möglich ist, ein oder mehrere Barrierenmaterialien wegzulassen, die typischerweise in konventionellen Strategien eingesetzt werden, oder um zumindest derartige Barrierenmaterialien mit einer deutlich geringeren Dicke vorzusehen, wodurch zu einer besseren Leitfähigkeit des resultierenden Kontaktelements beigetragen wird.
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Somit können die hierin offenbarten Prinzipien vorteilhaft im Zusammenhang mit komplexen Prozessstrategien angewendet werden, beispielsweise in Austauschgateverfahren, in denen erhöhte Temperaturen zum Einstellen der endgültigen Eigenschaften komplexer Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε erforderlich sind.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101 und eine Halbleiterschicht 102, die typischerweise einen hohen Anteil an Siliziummaterial aufweist, dessen Leitfähigkeit lokal auf der Grundlage eines Metallsilizidmaterials, das noch herzustellen ist, erhöht werden soll. Die Halbleiterschicht 102 und das Substrat 101 können eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Architektur oder eine Vollsubstratkonfiguration sein, wobei die Schicht 102 einen oberen Teil eines kristallinen siliziumbasierten Halbleitermaterials des Substrats 101 darstellt. Des weiteren ist eine Vielzahl an Schaltungselementen 150 in und über der Halbleiterschicht 102 gemäß den Entwurfserfordernissen ausgebildet. Dazu umfasst typischerweise die Halbleiterschicht 102 mehrere „aktive” Gebiete in Verbindung mit Isolationsgebieten, etwa flachen Grabenisolationen und dergleichen, die somit entsprechende aktive Gebiete lateral begrenzen. Der Einfachheit halber sind derartige Isolationsstrukturen in 1a nicht gezeigt. Ferner ist der Bereich der Halbleiterschicht 102, der in 1a gezeigt ist, so zu verstehen, dass dieser ein aktives Gebiet darstellt, das allgemein ein Halbleitergebiet repräsentiert, in welchem stark dotierte Bereiche vorzusehen sind, beispielsweise in Form von Drain- und Sourcegebieten 152, wenn die Schaltungselemente 150 Feldeffekttransistoren darstellen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Gebiete 152 auch andere dotierte Halbleitergebiete in der Schicht 102 sein können, die lokal ein Metallsilid in einer späteren Fertigungsphase erhalten, um damit den gesamten Reihenwiderstand zu reduzieren und den Kontaktwiderstand zu verbessern.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfassen die Schaltungselemente 150, wenn sie komplexe Feldeffekttransistoren darstellen, eine Gateelektrodenstruktur 130, die den Stromfluss in einem Kanalgebiet 151 steuert, wie dies auch zuvor erläutert ist. In der gezeigten Ausführungsform sind die Gateelektrodenstrukturen 130 komplexe Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε, die ein Gatedielektrikumsmaterial 131 aufweisen, das eine dielektrische Komponente mit großem ε, etwa Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid, Zirkonoxid und dergleichen aufweist, möglicherweise in Verbindung mit einem dünnen konventionellen dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumoxinitrid und dergleichen. Ferner ist ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial 133, etwa Aluminium, eine Aluminiumlegierung und dergleichen vorgesehen, möglicherweise in Verbindung mit einer oder mehreren zusätzlichen metallenthaltenden Materialschichten 132, die beispielsweise in Form von Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und dergleichen bereitgestellt sind, wobei auch spezielle Metallsorten für die Austrittsarbeiteinstellung, etwa Lanthanum, Aluminium, und dergleichen in der Schicht 132 und/oder in der Schicht 131 abhängig von der gesamten Prozessstrategie vorgesehen sind. Es sollte beachtet werden, dass eine dielektrische Komponente mit großem ε der Schicht 131 lediglich an der Rückseite der Gateelektrodenstruktur 130 ausgebildet sein kann, während in anderen Fällen das dielektrische Material mit großem ε auch an Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur 130 abhängig von der speziellen Prozessstrategie ausgebildet ist. Typischerweise besitzen die Gateelektrodenstrukturen 130 eine Gatelänge, d. h. in 1a eine horizontale Erstreckung der Materialien 131 und 133, von 50 nm und deutlich weniger. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere Transistorarchitekturen, etwa dreidimensionale Feldeffekttransistoren und dergleichen, in Verbindung mit komplexen Metallgateelektrodenstrukturen vorgesehen werden können, wobei dies von dem gesamten Aufbau des Halbleiterbauelements 100 abhängt. Bei Bedarf kann auch eine Seitenwandabstandshalterstruktur 153 an den Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur 130 vorgesehen sein.
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Wie gezeigt ist ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 120 so vorgesehen, dass zumindest die Gateelektrodenstrukturen 130 lateral umschlossen werden, während in der gezeigten Ausführungsform ein Teil des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 120 auch über den Gateelektrodenstruktur 130 ausgebildet ist. Das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120 ist ein beliebiges geeignetes Material oder ein Materialsystem, um die erforderlichen passivierenden Eigenschaften zu erreichen. Beispielsweise werden häufig mindestens zwei unterschiedliche Materialien vorgesehen, beispielsweise in Form eines Siliziumnitridmaterials 121 und eines Siliziumdioxidmaterials 132. Es sollte jedoch beachtet werden, dass auch andere dielektrische Materialien angewendet werden können, wobei dies von den gesamten Erfordernissen im Hinblick auf eine Kontaktebene des Halbleiterbauelements 100 abhängt. In der gezeigten Fertigungsphase sind ferner Kontaktöffnungen 123a in dem dielektrischen Material 120 gebildet und erstrecken sich somit in der gezeigten Ausführungsform durch die Schichten 122 und 121, so dass eine Verbindung zu den stark dotierten Halbleitergebieten 152 hergestellt wird, etwa zu DRain- und Sourcegebieten von Transistoren. Die Kontaktöffnungen 123a besitzen eine laterale Form gemäß den gesamten Entwurfserfordernissen. Beispielsweise können die Kontaktöffnungen 123a in Form von Gräben bereitgestellt werden, die sich entlang einer Breitenrichtung erstrecken, d. h. in 1a in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1a gemäß den Erfordernissen im Hinblick auf den gesamten Kontaktwiderstand und dergleichen, wie dies auch zuvor erläutert ist. Wenn beispielsweise die Öffnungen 123a in Form von Gräben vorgesehen sind, können sich diese entlang der gesamten Breite des stark dotierten Gebiets 152 erstrecken, wodurch für eine maximale Oberfläche in dem dotierten Gebiet 152 gesorgt wird, die durch die Kontaktöffnungen 123a freigelegt ist und die somit für eine nachfolgende Herstellung eines Metallsilizids verfügbar ist. In anderen Fällen besitzen die Kontaktöffnungen 123a eine andere geeignete Form, beispielsweise besitzen diese Öffnungen eine beschränkte Ausdehnung in der Breitenrichtung, d. h. senkrecht zur Zeichenebene der 1a, falls dies erforderlich ist, beispielsweise um nicht in Konflikt mit anderen Konzepten zu sein, wenn beispielsweise eines oder beide Materialien 121, 122 mit einer hohen inneren Verspannung vorgesehen werden, um damit die Ladungsträgerbeweglichkeit beispielsweise in dem Kanalgebiet 151 zu erhöhen. Beispielsweise kann in diesem Falle die laterale Erstreckung der Öffnung 123a in einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1a von vergleichbarer Größe sein wie die Erstreckung der Richtung der Gatelänge, d. h. entlang der horizontalen Richtung in 1a. Beispielsweise besitzen in dieser Richtung die Kontaktöffnungen 123a eine Größe von 50 nm und weniger.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden. Beispielsweise werden aktive Gebiete, etwa der Teil der Schicht 102, der in 1a gezeigt ist, in der Schicht 102 auf der Grundlage von Isolationsgebieten (nicht gezeigt) festgelegt, die auf Basis gut etablierter Grabenisolationstechniken hergestellt werden. Daraufhin werden die Gateelektrodenstrukturen 130 auf der Grundlage konventioneller Materialien, etwa mit Siliziumdioxid und Polysilizium hergestellt und werden gemäß komplexer Lithographie- und Ätztechniken strukturiert. In einigen Vorgehensweisen wird ein dielektrisches Material mit großem ε, möglicherweise in Verbindung mit einem metallenthaltenden Deckmaterial, bereits in den Gateelektrodenstrukturen 130 in einer frühen Fertigungsphase eingerichtet. Daraufhin werden die stark dotierten Gebiete 152 hergestellt, beispielsweise durch Implantation in Verbindung mit komplexen Maskierungsschemata, wobei die Gateelektrodenstrukturen 130 und die Seitenwandabstandshalterstruktur 153 als effiziente Implantationsmaske dienen. Nach jeglichen Hochtemperaturprozessen zum Ausheizen der dotieren Gebiete 152 und somit zum Einstellen des endgültigen Dotierstoffprofils wird das dielektrische Zwischenschichtmaterial 120, beispielsweise in Form der Materialschichten 121 und 122 auf der Grundlage einer geeigneten Abscheidetechnik aufgebracht. Als nächstes wird das Material 120 eingeebnet durch Ausführen eines Abtragungsprozesses, etwa eines CMP-Prozesses und dergleichen, und schließlich wird eine obere Fläche des Polysiliziummaterials freigelegt. In einem nachfolgenden sehr selektiven Ätzprozess wird das Polysiliziummaterial abgetragen, möglicherweise in Verbindung einem dielektrischen Material oder einem Teil davon, wodurch dies von der gesamten Prozessstrategie abhängt. Daraufhin wird ein dielektrisches Material mit großem ε aufgebracht, woran sich ein oder mehrere metallenthaltende Elektrodenmaterialien, etwa die Schichten 132 und 133 anschließen, wobei in einigen Vorgehensweisen Hochtemperaturprozesse angewendet werden, die Prozesstemperaturen von ungefähr 500 Grad C und mehr beinhalten, um damit die gewünschten elektronischen Eigenschaften der Gateelektrodenstrukturen 130 einzurichten, beispielsweise im Hinblick auf die Austrittsarbeit und somit Schwellwertspannung und dergleichen. Bei Bedarf wird eine weitere Materialschicht aufgebracht, beispielsweise in Form von Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, nachdem überschüssiges Material der komplexen Gatematerialien entfernt wurde. Danach werden aufwendige Lithographie- und Strukturierungsstrategien angewendet, um die Kontaktöffnungen 123a herzustellen, indem gut etablierte Prozessstrategien eingesetzt werden, wodurch die Kontaktöffnungen 123a so hergestellt werden, dass diese sich zu und in die stark dotierten Halbleitergebiete 152 erstrecken.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 während eines Abscheideprozesses 103, um eine Schicht aus hoch schmelzendem Metall 124 in den Kontaktöffnungen 123a insbesondere an einer Unterseite 123b der Kontaktöffnungen 123 zu erzeugen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen umfasst das hoch schmelzende Metall 124 Nickel, um ein sehr gut leitendes Metallsilizid in den dotierten Gebieten 152 bereitzustellen. Der Abscheideprozess 103 kann als ein Sputter-Abscheideprozess ausgeführt werden, der an sich eine gute Steuerung der Filmdicke ermöglicht, wobei auch eine effiziente Vorreinigung der freiliegenden Oberflächenbereiche mittels einer Sputter-Vorreinigungsphase während des Prozesses 103 möglich ist. Während des Sputter-Abscheideprozesses wird eine geeignete DC-(Gleichspannung) oder RF-(Hochfrequenz)Vorspannung eingerichtet, um ein besseres Richtungsverhalten der sich bewegenden ionisierten herausgeschlagenen Atome zu erhalten, die somit in effizienter Weise sich auf der Unterseite 123b der Öffnung 123 ablagern. Gleichzeitig werden die Seitenwandoberflächenbereiche 123s in der Öffnung 123a durch das Material der Schicht 124 abgedeckt, wobei bei Bedarf der Abscheideprozess 103 auch einen Rück-Sputter-Prozess beinhalten kann, um damit zu einem gewissen Grade Material, das an der Unterseite 123b ausgebildet ist, zu oberen Seitenwandbereichen umzuverteilen, um damit eine zuverlässige Abdeckung jeglicher Oberflächenbereiche 123s zu gewährleisten. In diesem Falle kann folglich das hoch schmelzende Metall 124 freiliegende Oberflächenbereiche des Materials 120 vor dem Abscheiden eines eigentlichen Kontaktmaterials, etwa Wolfram, zuverlässig abdecken, wenn ein direkter Kontakt dieses Materials oder Prozessatmosphäre, die zum Abscheiden dieses Materials erforderlich ist, als ungeeignet erachtet wird. Folglich kann eine Dicke des Materials 124 in den Kontaktöffnungen 123a effizient so gesteuert werden, dass ausreichend Material an der Unterseite 123b im Hinblick auf die Herstellung eines Metallsilizids in den dotierten Halbleitergebieten 152 mit einer gewünschten Dicke vorhanden ist, während gleichzeitig eine zuverlässige Abdeckung der Seitenwandoberflächenbereiche 123s sichergestellt ist. Auf diese Weise kann das hoch schmelzende Metall 124 auch als ein effizientes „Barrierenmaterial” dienen.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine Schicht eines Kontaktmaterials 126, das in einigen anschaulichen Ausführungsformen in Form von Wolfram vorgesehen wird, über dem dielektrischen Material 120 und in den Kontaktöffnungen 123a ausgebildet. In der gezeigten Ausführungsform ist das Material 126 direkt auf der hoch schmelzenden Metallschicht 124 ausgebildet, während in anderen Fällen ein zusätzliches leitendes Barrierenmaterial (nicht gezeigt) vorgesehen wird, wenn die Barrierenwirkung des Materials 134 in den Öffnungen 123a als nicht ausreichend erachtet wird. In diesem Falle kann jedoch die optionale Barrierenmaterialschicht mit einer geringeren Schichtdicke im Vergleich zu konventionellen Strategien vorgesehen werden, das selbst mit einer geringeren Dicke die optionale Barrierenmaterialschicht in Verbindung mit dem Material 124 eine ausreichende Integrität des Materials 121 und 122 sicherstellt.
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Die Materialschicht 126 wird auf der Grundlage eines Abscheideprozesses 104a bereitgestellt, der in einigen anschaulichen Ausführungsformen einen thermisch aktivierten Abscheideprozess darstellt. In diesem Falle werden geeignete Prozesstemperaturen während einer Wärmebehandlung eingerichtet, etwa eine Wärmebehandlung 104b, die in diesem Falle ein Teil der Abscheidesequenz ist. Beispielsweise wird Wolfram häufig auf der Grundlage einer chemischen Dampfabscheidung unter Anwendung von Hexafluorid (WF6) aufgebracht, das thermisch in einem ersten Schritt auf Grundlage von Silan (SiH4) aktiviert wird, wobei erhöhte Temperaturen im Bereich von 380 Grad C bis 450 Grad C angewendet werden.
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Das Wolframhexafluorid wird dann in Wolfram auf der Grundlage von Wasserstoff umgewandelt, wobei das hoch schmelzende Metall 124 möglicherweise in Verbindung mit einem optionalen Barrierenmaterial einen direkten Kontakt der reaktiven Komponente mit empfindlichen Materialien, etwa Siliziumdioxid, unterdrückt. Folglich kann Wolfram effizient abgeschieden werden, wobei die erhöhten Prozesstemperaturen gleichzeitig eine Diffusion von Silizium untereinander in dem stark dotierten Halbleitergebiet 152 an der Unterseite der Kontaktöffnungen 123a in Gang setzen. Folglich bildet sich Metallsilizid 124s, etwa ein Nickelsilizid, was durch die erhöhten Temperaturen während des Abscheidens des Materials 126 in Gang gehalten wird.
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Es sollte beachtet werden, dass typischerweise die Metallsilizidherstellung in dem dotierten Halbleitergebiet 152 und das Abscheiden einer gewissen Menge des Materials 126 gleichzeitig erfolgen, wobei der Silizidierungsprozess abgeschlossen ist, sobald jegliches hoch schmelzendes Metall an der Unterseite der Öffnungen 123a aufgebraucht ist und/oder sobald eine Verringerung der Prozesstemperatur, beispielsweise nach dem Abscheiden des Materials 126, stattfindet.
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In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird das Material 126 auf der Grundlage einer anderen geeigneten Abscheideprozesstechnik aufgebracht, die eine im Wesentlichen hohlraumfreie Abscheidung des Kontaktmaterials 126 in den Öffnungen 123a ermöglicht, während die Wärmebehandlung 104b unmittelbar vor oder nach dem Abscheiden des Materials 126 ausgeführt werden kann.
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1d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt wird ein Abtragungsprozess 105 angewendet, um überschüssige Anteile der Materialschichten 126 und 124 (siehe 1c) zu entfernen. Zu diesem Zweck können CMP-Prozesse, Ätzprozesse, und dergleichen angewendet werden, um elektrisch isolierte Kontaktelemente 125 zu schaffen, die einen unteren Endbereich in Form der Metallsilizidverbindung 124s besitzt, während ein zentraler Bereich 125c das hoch schmelzende Metall 124 und das Kontaktmaterial 126 aufweist. In der gezeigten Ausführungsform ist das Kontaktmaterial 126, das Wolfram, von dem dielektrischen Material oder den Materialien 120 durch das hoch schmelzende Metall 124 getrennt, während in anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ein zusätzliches optionales leitendes Barrierenmaterial zwischen der hoch schmelzenden Metallschicht 124 und dem Kontaktmaterial 126 vorgesehen ist.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbeleiterbauelemente und Fertigungstechniken bereit, in denen Kontaktelemente auf der Grundlage eines sehr effizienten Prozessablaufes bereitgestellt werden können, wobei eine Metallsorte zur Herstellung eines Metallsilizids und eine Metallsorte des Kontaktmaterials gleichzeitig in den Kontaktöffnungen beim Ausführen eines Silizidierungsprozesses vorhanden sind, während in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Silizidierung auf der Grundlage eines thermisch aktivierten Abscheideprozesses in Gang gesetzt wird, um das Kontaktmaterial abzuscheiden. Folglich kann ein Metallsilizid in einer späten Fertigungsphase hergestellt werden, während gleichzeitig der Gesamtwiderstand der Kontaktelemente verringert wird, indem ein hoch schmelzendes Metall als ein effizientes Barrierenmaterial verwendet wird. Die Prozesssequenz kann effizient auf das Herstellen komplexer Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage an Austauschgateverfahren angewendet werden.
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Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher ist dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Prinzipien vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
