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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung anspruchsvolle integrierte Schaltungen mit modernen Transistoren, die hochkapazitive Gateelektrodenstrukturen aufweisen, die eine metallenthaltende Elektrode und ein Gatedielektrikum mit großem ε enthalten.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASICS (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen macht es notwendig, eine große Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten geometrischen Schaltungsaufbau herzustellen, wobei Feldeffekttransistoren eine wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die das Leistungsvermögen der integrierten Schaltungen ganz wesentlich bestimmen. Generell wird eine Vielzahl an Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei für viele Arten komplexer Schaltungen Feldeffekttransistoren die MOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen ist auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder die Leistungsaufnahme und/oder die Kosteneffizienz. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung von beispielsweise der MOS-Technologie werden Millionen an Transistoren, beispielsweise n-Kanaltransistoren und/oder p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche aus stark dotierten Gebieten, die als Drain- und Sourcegebiete bezeichnet werden, und einen leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet, etwa einem Kanalgebiet, gebildet sind, das benachbart zu den stark dotierten Gebieten angeordnet ist. In einem Feldeffekttransistor ist die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, durch eine Gateelektrode gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet ausgebildet und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger 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 in Verbindung mit der Fähigkeit, rasch einen leitenden Kanal unter der isolierenden Schicht zum Anlegen der Steuerspannung an die Gateelektrode aufzubauen, die Leitfähigkeit des Kanalgebiets wesentlich das Leistungsvermögen der MOS-Transistoren. Da somit die Geschwindigkeit des Erzeugens des Kanals, die von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und der Kanalwiderstand die Transistoreigenschaften ganz wesentlich bestimmen, ist die Skalierung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung des Kanalwiderstands und eine Verringerung des Gatewiderstands ein wesentliches Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter Schaltungen zu erreichen.
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Gegenwärtig wird der größte Teil der 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 absehbaren Zukunft für Schaltungsgenerationen, die für Massenprodukte vorgesehen sind. Ein Grund für die große Bedeutung des Siliziums bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische Isolation unterschiedlicher Gebiete voneinander ermöglicht. Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei höheren Temperaturen stabil und ermöglicht damit das Ausführen nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sie etwa für Ausheizprozesse 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 eine Gateisolationsschicht in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die häufig aus Silizium oder anderen metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Bauteilleistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets stetig verringert, um damit die Schaltgeschwindigkeit und den Durchlassstrom zu erhöhen. Da das Transistorverhalten durch die Spannung gesteuert ist, die der Gateelektrode zugeführt wird, um die Oberfläche des Kanalgebiets in eine ausreichend hohe Ladungsträgerdichte zu invertieren, so dass der gewünschte Durchlassstrom bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung bereitsteht, ist ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung erforderlich, die durch den Kondensator vermittelt wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es zeigt sich, dass eine Verringerung der Kanallänge eine höhere kapazitive Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu erhöhten Leckströmen und zu einer ausgeprägten Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer reduzierten Schwellwertspannung zeigen einen exponentiellen Anstieg der Leckströme auf Grund der erforderlichen erhöhten kapazitiven Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet, wobei die Kopplung durch Verringern der Dicke der Siliziumdioxidschicht erreicht wird. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl generell die Verwendung von Transistoren mit hoher Geschwindigkeit mit einem äußerst kurzen Kanal auf Hochgeschwindigkeitssignalwege beschränkt wird, wohingegen Transistoren mit einem längeren Kanal für weniger kritische Signalpfade eingesetzt werden, erreichen die relativ hohen Leckströme, die durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch eine sehr dünne Siliziumdioxid-Gateisolationsschicht hervorgerufen werden, Werte bei einer Oxiddicke im Bereich von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit den Anforderungen für viele Arten integrierter Schaltungen verträglich sind.
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Daher wurde das Ersetzen des Siliziumdioxids zumindest teilweise als Material für Gateisolationsschichten in Betracht gezogen. Mögliche alternative Dielektrika sind solche Materialien, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen, so dass eine physikalisch größere Dicke eine entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht dennoch eine kapazitive Kopplung nach sich zieht, die ansonsten durch eine extrem dünne Siliziumdioxidschicht erreicht würde. Es wurde daher vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien mit hoher Permittivität zu ersetzen, etwa durch Tantaloxid (Ta2O5) mit einem ε von ungefähr 25, durch Strontiumtitanoxid (SrTiO3) mit einem ε von ungefähr 150, durch Hafniumoxid (HfO2), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO2) und dergleichen.
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Beim Übergang zu komplexen Gatearchitekturen auf der Grundlage von Dielekrika mit großem ε kann das Transistorleistungsverhalten ferner verbessert werden, indem ein geeignetes leitendes Material für die Gateelektrode so vorgesehen werden, dass das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial ersetzt wird, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zum Gatedielektrikum zeigt, 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 höhere Kapazität selbst bei einer deutlich geringeren kritischen Dicke im Vergleich zu einer Siliziumdioxidschicht sorgt, während zusätzlich die Leckströme auf einem akzeptablen Niveau gehalten werden. Andererseits wird das metallenthaltende nicht-Polysiliziummaterial, etwa in Form von Titannitrid und dergleichen so hergestellt, dass es direkt mit dem dieektrischen Material mit großem ε in Verbindung steht, wodurch das Auftreten einer Verarmungszone im Wesentlichen vermieden wird. Daher wird die Schwellwertspannung der Transistoren wesentlich durch die Austrittsarbeit des Gatematerials beeinflusst, das mit dem Gatedielektrikum in Kontakt ist, und es muss eine geeignete Einstellung der wirksamen Austrittsarbeit in Bezug auf die Leitfähigkeitsart des betrachteten Transistors sichergestellt sein. Beispielsweise werden geeignete metallenthaltende Gateelektrodenmaterialien, etwa Titannitrid, und dergleichen, häufig in Verbindung mit einer geeigneten Metallsorte, etwa Lanthan, Aluminium und dergleichen, eingesetzt, um damit die Austrittsarbeit so einzustellen, dass sie für jede Art von Transistor, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren geeignet ist, wobei die p-Kanaltransistoren ggf. eine zusätzliche Verschiebung der Bandlücke erfordern. Aus diesem Grunde wurde auch vorgeschlagen, die Schwellwertspannung der Transistorbauelement in geeigneter Weise einzustellen, indem ein speziell gestaltetes Halbleitermaterial an der Grenzfläche zwischen dem dielektrischen Material mit großem ε und dem Kanalgebiet des Transistors vorgesehen wird, um in geeigneter Weise die Bandlücke des speziell gestalteten Halbleitermaterials an die Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gateelektrodenmaterials „anzupassen”, um somit die gewünschte niedrige Schwellwertspannung des betrachteten Transistors zu erreichen. Typischerweise wird ein entsprechendes speziell gestaltetes Halbleitermaterial, etwa ein Silizium(Germanium-Material und dergleichen, durch eine epitaktische Aufwachstechnik in der Fertigungsphase bereitgestellt, wobei dies ebenfalls einen zusätzlichen komplexen Prozessschritt bedeutet, der jedoch komplexe Prozesse in eine sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase zum Einstellen der Austrittsarbeit und somit der Schwellwertspannung in einer sehr fortgeschrittenen Prozessphase vermeidet.
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Grundsätzlich ist das Konzept des Herstellens komplexer Gateelektrodenstrukturen in einer Fertigungsphase auf der Grundlage einer schwellwertspannungseinstellenden Halbleiterlegierung eine sehr vielversprechende Prozesssequenz, da sehr komplexe Prozessschritte zum Ersetzen konventioneller Gatematerialien in einer sehr späten Fertigungsphase, wie sie typischerweise in sogenannten Austauschgateverfahren Anwendung finden, ausgeprägte Modifizierungen des gesamten Prozessablaufes in einer abschließenden Phase der Herstellung der halbleiterbasierten Schaltungselemente erfordern. Es wurden daher viele Prozessstrategien vorgeschlagen, in denen eine Silizium/Germanium-Legierung selektiv als ein Teil einer Art an aktiven Gebieten hergestellt wird, während andere aktive Gebiete, etwa die aktiven Gebiete von n-Kanaltransistoren oder anderen Transistoren, die den Einbau einer schwellwertspannungseinstellenden Materialschicht nicht erfordern, in geeigneter Weise maskiert werden. Zu diesem Zweck werden geeignete Hartmaskenmaterialien vorgesehen und so strukturiert, dass die betrachteten aktiven Gebiete freigelegt sind, die dann der Einwirkung einer Abscheideatmosphäre ausgesetzt werden, um somit das gewünschte schwellwertspannungseinstellenden Material auf der Grundlage selektiver epitaktischer Aufwachstechniken herzustellen. Während dieses Abscheideprozesses werden die Materialzusammensetzung und die Schichtdicke in präziser Weise gesteuert, so dass die gesamte Fluktuation der Transistoreigenschaften, etwa der Schwellwertspannung, reduziert wird. Beispielsweise werden in einer Silizium/Germanium-Legierung eine Germaniumkonzentration bis zu 25 Atomprozent und eine Schichtdicke auf ungefähr 8 bis 50 nm festgelegt, um damit die gewünschten Schwellwertspannungen komplexer p-Kanaltransistoren mit einer Gatelänge von 50 nm und weniger zu erreichen. Es zeigt sich jedoch, dass selbst geringste Schwankungen dieser Parameter die schließlich erreichten Transistoreigenschaften wesentlich beeinflussen, wobei insbesondere eine ausgeprägte Streuung der Schwellwertspannung im Hinblick auf ein Abweichen in der Transistorbreite für ansonsten gleiche Transistorbauelemente beobachtet wird. Da angenommen wird, dass insbesondere Randeffekte beim selektiven Aufwachsen der Halbleiterlegierung in dem aktiven Gebiet einen ausgeprägten Einfluss auf die schließlich erreichten Materialeigenschaften ausüben, wurde vorgeschlagen, bessere Abscheidebedingungen zu schaffen, indem das aktive Gebiet vor dem eigentlichen Aufwachsen der Halbleiterlegierung abgesenkt bzw. vertieft wird. Auf diese Weise können sehr gleichmäßige Aufwachsbedingungen über das gesamte aktive Gebiet hinweg erreicht werden, da das dielektrische Material der Isolationsgebiete, die das aktive Gebiet lateral begrenzen, ein laterales Wachstum unterdrücken und somit gut definierte Aufwachsbedingungen an den Rändern der aktiven Gebiete schaffen. Zu diesem Zweck wurden sehr effiziente Ätzstrategien entwickelt, bei denen in einigen sehr vielversprechenden Vorgehensweisen der entsprechende Ätzprozess in-situ im Hinblick auf den eigentlichen selektiven Aufwachsprozess ausgeführt wird, d. h. es wird eine geeignete Ätzatmosphäre innerhalb des Abscheidereaktors erzeugt, wobei das Material des aktiven Gebiets in einer sehr selektiver Weise in Bezug auf das Grabenisolationsgebiet abgetragen wird. Beispielsweise kann eine Ätzatmosphäre auf der Grundlage von Salzsäure (HCl) effizient in der Abscheidekammer eingerichtet werden, indem ähnliche Vorstufengase verwendet werden, mit Ausnahme etwa einer reduzierenden Gaskomponente, so dass ein sehr effizienter Ätzprozess eingerichtet wird, um eine Vertiefung bzw. Aussparung mit einer gewünschten Tiefe zu schaffen, so dass die verbesserten Abscheidebedingungen erreicht werden. Gleichzeitig wird die Vertiefung so gesteuert, dass eine sehr ebene Oberflächentopographie in Bezug zu anderen aktiven Gebieten erreicht wird, die während des selektiven Abscheideprozesses maskiert sind. Auf diese Weise kann der nachfolgende Strukturierungsprozess zur Herstellung der komplexen Gateelektrodenstrukturen auf der Grundlage ähnlicher Höhen jeglicher aktiver Gebiete ausgeführt werden.
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Obwohl die zuvor beschriebene Prozesssequenz prinzipiell ein sehr effizienter Mechanismus ist, um die schwellwertspannungseinstellende Halbleiterlegierung einzurichten, zeigt sich dennoch, dass ausgeprägte Bauteilausfälle beobachtet werden, wie dies nachfolgend detaillierter mit Bezug zu den 1a und 1b beschrieben ist.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer frühen Fertigungsphase. Wie gezeigt umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101, etwa ein Siliziumsubstrat oder ein anderes geeignetes Trägermaterial, das darauf ausgebildet eine Halbleiterschicht 102 typischerweise ein siliziumbasiertes Halbleitermaterial aufweist. Ferner ist einigen Fällen eine SOI (Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration für das Bauelement 100 vorgesehen, in welchem Falle ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) direkt unter der Halbleiterschicht 102 ausgebildet ist. in anderen Fällen wird eine Vollsubstratkonfiguration durch die Schicht 102 und das Substrat 101 gebildet, in welchem Falle das Halbleitermaterial 102 anfänglich ein Teil eines kristallinen Materials des Substrats 101 ist oder direkt mit diesem in Verbindung steht. Ferner sind in der gezeigten Fertigungsphase mehrere aktive Gebiete, die als Halbleitergebiete zu verstehen sind, in und über welchem ein oder mehrere Transistoren herzustellen sind, lateral durch eine Grabenisolationsstruktur 102c begrenzt. Der Einfachheit halber sind aktive Gebiete 102a, 102b gezeigt, wobei das aktive Gebiet 102a eine Halbleiterlegierung 103a erhält, während das aktive Gebiet 102b mittels eines geeigneten Hartmaskenmaterials 104 abgedeckt ist.
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Das Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesstechniken hergestellt werden. Das Grabenisolationsgebiet wird typischerweise hergestellt, indem komplexe Lithographietechniken angewendet werden, in denen geeignete Hartmaskenmaterialien so strukturiert werden, dass die Position, die laterale Größe und die Form der aktiven Gebieten 102a, 102b festgelegt werden. Daraufhin werden komplexe Ätztechniken angewendet, um Gräben in der Halbleiterschicht 102 zu erzeugen, die nachfolgend mit einem dielektrischen Material, etwa Siliziumdioxid, gefüllt werden. Zu diesem Zweck haben sich Abscheidetechniken mit hochdichtem Plasma als geeignete Prozesstechniken erwiesen, um in zuverlässiger Weise die Gräben ohne die Erzeugung von Hohlräumen zu bilden. Häufig wird der Abscheideprozess mit hochdichtem Plasma tatsächlich als eine Sequenz aus Abscheide- und Ätzprozessen ausgeführt, wobei eine zuvor hergestellte Teilschicht geätzt wird, beispielsweise auf der Grundlage einer stickstofffluoridenthaltenden Prozessatmosphäre, um vorzugsweise Material an den Rändern der jeweiligen Gräben abzutragen. Daraufhin wird ein weiterer Abscheideprozess ausgeführt, woran sich ein weiterer Ätzprozess anschließt, wodurch zunehmend die Gräben von unten nach oben gefüllt werden, ohne dass im Wesentlichen Hohlräume in dem Grabenisolationsgebiet 102c erzeugt werden, Daraufhin werden Ausheizprozesse angewendet und überschüssiges Material wird durch Einebnungstechniken abgetragen. Vor oder nach der Herstellung der Grabenisolationsgebiete 102c kann ein grundlegendes Dotierstoffprofil in den aktiven Gebieten 102a, 102b entsprechend den gesamten Transistoranforderungen eingerichtet werden. Dazu werden gut etablierte Implantationstechniken und Maskierungsschemata angewendet. Daraufhin wird ein Hartmaskenmaterial, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen, hergestellt, beispielsweise durch Oxidation, Abscheidung und dergleichen, und die resultierende Schicht wird unter Anwendung von Lithographietechniken strukturiert, um jegliche aktive Gebiete zu maskieren, die eine Schwellwertspannungsanpassung auf der Grundlage eines zusätzlichen Halbleitermaterials nicht erfordern. Beispielsweise ist das aktive Gebiet 102b als ein entsprechendes Gebiet dargestellt, das etwa einen n-Kanaltransistor während der weiteren Bearbeitung erhält. Daraufhin werden Reinigungsprozesse angewendet, beispielsweise auf der Grundlage von Flusssäure (HF), um Kontaminationsstoffe, natürliche Oxide und dergleichen zu entfernen. Als nächstes wird das Bauelement 100 in eine Prozessumgebung 130 eingebracht, beispielsweise in Form einer Abscheidekammer, in der anfänglich eine reaktive Ätzatmosphäre eingerichtet wird, wie dies durch 131 angegeben ist, um damit freiliegende aktive Gebiete, etwa die Gebiete 102a, abzusenken bzw. zu vertiefen, was auf der Grundlage von Salzsäure (HCL) erfolgen kann, wie dies zuvor erläutert ist. Auf diese Weise werden Vertiefungen 102r in einer gut steuerbaren Weise erzeugt, ohne dass freiliegende Oberflächenbereiche des Bauelements 100 kontaminiert werden. Wie zuvor erläutert ist, kann der Grad der Absenkung 102r so eingestellt werden, dass nach dem Abscheiden der Halbleiterlegierung 103a auf der Grundlage eines selektiven Abscheideprozesses 132 eine gewünschte Gesamtoberflächentopographie erreicht wird. Es ist gut bekannt, dass ein selektiver epitaktischer Aufwachsprozess auf der Grundlage geeigneter Vorstufenmaterialien und Prozessparameter so ausgeführt wird, dass das Aufwachsen des Halbleitermaterials 103a auf freiliegenden kristallinen Oberflächenbereichen, etwa auf (100) Kristallebenen der aktiven Gebiete 102a in Gang gesetzt wird, während eine ausgeprägte Materialabscheidung auf jeglichen dielektrischen Oberflächenbereichen deutlich unterdrückt ist. Folglich führen die Vertiefungen 102r zu im Wesentlichen gleichmäßigen Aufwachsbedingungen über die gesamten aktiven Gebiete 102a hinweg und auch an den Rändern des Grabenisolationsgebiets 102c.
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1b zeigt schematisch das Bauelement 100 nach dem Ende der zuvor beschriebenen Prozesssequenz in der Prozessumgebung 120 (siehe 1a), wobei häufig ausgeprägte Unregelmäßigkeiten beobachtet werden. Beispielsweise ist in einem der aktiven Gebiete 102a eine ausgeprägte Menge des Basismaterials während der vorhergehenden Prozesssequenz entfernt worden und das Material 103a wird folglich in einer nicht-steuerbaren Weise erzeugt, oder ein entsprechendes aktives Gebiet 102a enthält überhaupt kein Halbleitermaterial mehr. Unabhängig von der Menge des verbleibenden Halbleitermaterials, wie dies durch 102d angegeben ist, wird die weitere Bearbeitung für das entsprechende aktive Gebiet 102a somit zu einem ausgeprägten Bauteilfehler führen, etwa einem fehlenden Transistor einer Speicherzelle und dergleichen.
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Obwohl grundsätzlich ein sehr effizienter gesamter Prozessablauf auf der Grundlage der Sequenz bereitgestellt wird, wie sie zuvor beschrieben ist, in welchem im Prinzip sehr gleichmäßige Abscheidebedingungen geschaffen werden, ist die Anwendung des zuvor beschriebenen Prozessablaufs in einer Fertigungsumgebung wenig wünschenswert auf Grund der zuvor beschriebenen ausgeprägten Unregelmäßigkeiten nach der Herstellung der schwellwertspannungseinstellenden Halbleiterlegierung 103a.
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente, in denen eine Halbleiterlegierung auf aktiven Gebieten auf der Grundlage einer abgesenkten Oberflächenkonfiguration hergestellt wird, wobei diese Absenkung auf Basis eines in-situ-Prozesses erzeugt wird, wobei eines oder mehrere der oben genannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Die vorliegende Erfindung stellt allgemein eine Fertigungstechnik und ein Halbleiterbauelement bereit, in denen eine Halbleiterlegierung, etwa eine Silizium/Germanium-Legierung und dergleichen, auf speziellen aktiven Gebieten so hergestellt wird, dass die Legierung ein Teil des aktiven Gebiets ist, beispielsweise um die gesamten elektronischen Eigenschaften einzustellen, wobei ein in-situ-Prozess angewendet wird, in welchem ein gewünschter Grad an Absenkung erreicht wird und zusätzlich die gewünschte Halbleiterlegierung erzeugt wird. Andererseits wird das Auftreten von Unregelmäßigkeiten deutlich verringert, indem der Grad an Aluminiumkontamination bei und vor der Verarbeitung des Halbleiterbauelements in einer Prozessumgebung reduziert wird, die zur Herstellung der Halbleiterlegierung verwendet wird. Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass die Anwesenheit von Aluminium insbesondere während des Prozesses zum Absenken der aktiven Gebiete zu einer sehr hohen Ätzrate führt, da die Aluminiumsorte als ein „Katalysatormaterial” während des Ätzprozesses fungiert, wodurch ein ausgeprägter Teil des anfänglichen Basismaterials des betrachteten aktiven Gebiets entfernt wird. Auf der Grundlage dieser Erkenntnis stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen die Wahrscheinlichkeit der Aluminiumkontamination des Halbleiterbauelements deutlich reduziert wird. in einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird insbesondere der Vorgang des Erzeugens des Grabenisolationsgebiets auf der Grundlage einer Prozessumgebung ausgeführt, in der die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von Aluminiumkontaminationsstoffen deutlich verringert ist.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer Grabenisolationsstruktur in einer Halbleiterschicht eines Halbleiterbauelements in einer Abscheideprozessumgebung, indem eine mögliche Aluminiumkontamination der Halbleiterschicht in der Abscheideprozessumgebung reduziert wird. Die Grabenisolationsstruktur begrenzt lateral ein aktives Gebiet in der Halbleiterschicht. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen von Material des aktiven Gebiets selektiv zu der Grabenisolationsstruktur, so dass eine Vertiefung erzeugt wird. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Schicht aus einer Halbleiterlegierung in der Vertiefung und das Herstellen einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors auf der Schicht aus Halbleiterlegierungsmaterial.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Einrichten einer ersten Prozessatmosphäre in einer ersten Prozessumgebung durch Steuern einer Aluminiumkontamination der ersten Prozessatmosphäre. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines Grabenisolationsgebiets in einer Hableiterschicht eines Halbleiterbauelements in der ersten Prozessatmosphäre, so dass ein aktives Gebiet in der Halbleiterschicht lateral begrenzt wird. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Vertiefung in dem aktiven Gebiet durch Einrichten einer Ätzatmosphäre in einer zweiten Prozessumgebung. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden eines schwellwertspannungseinstellenden Halbleitermaterials in der Vertiefung durch Einrichten einer Abscheideatmosphäre in der zweiten Prozessumgebung. Das Verfahren umfasst ferner das Füllen einer Gateelektrodenstruktur eines Transistors auf dem schwellwertspannungseinstellenden Halbleitermaterials.
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Ein anschauliches offenbartes Halbleiterbauelement umfasst eine Grabenisolationsstruktur, die in einer Halbleiterschicht ausgebildet ist und ein im Wesentlichen gleichmäßiges Aluminiumkonzentrationsprofil entlang einer Tiefe besitzt. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner ein aktives Gebiet, das in der Halbleiterschicht ausgebildet ist und lateral durch die Grabenisolationsstruktur begrenzt ist, so dass eine erste Länge und eine Breite des aktiven Gebiets festgelegt sind. Das Halbleiterbauelement umfasst ferner eine schwellwertspannungseinstellende Halbleiterlegierung, die auf dem aktiven Gebiet ausgebildet ist und sich entlang der Breite des aktiven Gebiets so erstreckt, dass im Wesentlichen keine Überlappung mit der Grabenisolationsstruktur erfolgt. Ferner umfasst das Halbleiterbauelement eine Gateelektrodenstruktur, die auf der schwellwertspannungseinstellenden Halbleiterlegierung ausgebildet ist, wobei die Gateelektrodenstruktur ein dielektrisches Material mit großem ε und ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial, das über dem dielektrischen Material mit großem ε ausgebildet ist, aufweist.
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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 schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements in einer Prozessumgebung zeigt, in der eine Vertiefung und ein schwellwertspannungseinstellendes Halbleiterlegierungsmaterial in einem in-situ-Prozess gemäß konventioneller Strategien erzeugt werden;
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1b schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements zeigt, wobei ausgeprägte Bauteilausfälle nach der zuvor beschriebenen Prozesssequenz auf Grund eines „fehlenden” Materials in den aktiven Gebieten beobachtet werden;
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1c schematisch einen Graphen zeigt, der den Einbau von Aluminium und Fluor in Grabenisolationsgebieten zeigt, wenn diese auf der Grundlage einer Abscheide/Ätzstrategie mit hochdichtem Plasma mit nicht gesteuerter Aluminiumkontamination gemäß konventioneller Prozessstrategien hergestellt werden;
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2a schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements in einem Fertigungsprozess zeigt, um Grabenisolationsgebiete auf der Grundlage einer Prozessumgebung zu erzeugen, in der eine Aluminiumkontamination einer Prozessatmosphäre so gesteuert ist, dass eine reduzierte Aluminiumkontamination für die weitere Bearbeitung des Bauelements gemäß anschaulichen Ausführungsformen erreicht wird;
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2b schematisch eine Querschnittsansicht einer Prozessumgebung in Form einer Abscheidekammer zeigt, in der zumindest einige Gerätekomponenten als nicht-Aluminiumkomponenten gemäß anschaulichen Ausführungsformen vorgesehen sind;
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2c schematisch das Halbleiterbauelement gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigt, in denen die Prozessumgebung mit gesteuerter Aluminiumkontamination auf der Grundlage unterschiedlicher Materialien und/oder Abscheidestrategien eingerichtet wird, um den Einbau von Aluminium in die Grabenisolationsgebiete gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen zu verringern;
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2d schematisch einen Graphen mit einer schematischen im Wesentlichen gleichmäßigen Aluminiumkontamination in Grabenisolationsgebieten im Vergleich zu der Situation zeigt, wie sie in 1c dargestellt ist, wenn die Prozessatmosphäre zur Herstellung flacher Grabenisolationsgebiete gemäß anschaulichen Ausführungsformen gesteuert ist;
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2e schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements zeigt, wenn es in einer Prozessumgebung zur Erzeugung der Vertiefung und einer Halbleiterlegierung in einem in-situ-Prozess gemäß anschaulichen Ausführungsformen bearbeitet wird; und
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2f schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements in einer werter fortgeschrittenen Fertigungsphase gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigt.
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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 anschaulich speziellen 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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Die vorliegende Erfindung stellt allgemein Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen eine Halbleiterlegierung, etwa eine Silizium/Germanium-Legierung und dergleichen, auf speziellen aktiven Gebieten so ausgebildet wird, die Legierung einen Teil davon bildet, beispielsweise um die Schwellwertspannung komplexer Transistoren einzustellen. Zu diesem Zweck wird eine effiziente in-situ-Prozesstechnik angewendet, um das aktive Gebiet vor dem eigentlichen Abscheiden der Halbleiterlegierung abzusenken. Um die Bauteilausfälle, die durch einen „fehlenden” Bereich des Halbleitermaterials in den aktiven Gebieten hervorgerufen werden, deutlich zu reduzieren, wird die Aluminiumkontamination vor und während der Bearbeitung des Bauelements in einer sehr effizienten Weise so gesteuert, dass die gesamte Aluminiumkontamination im Vergleich zu konventionellen Strategien deutlich verringert wird, in denen eine spezielle Steuerung des Aluminiumeinbaus und der Kontamination nicht berücksichtigt wird. Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, wird dennoch angenommen, dass die Anwesenheit einer Aluminiumsorte einen wesentlichen Einfluss auf die schließlich erreichte Ätzrate während des Absenkens der aktiven Gebiete ausübt. D. h., die reaktive Ätzkomponente, etwa die Salzsäure (HF) erhält eine deutlich höhere Ätzrate in Anwesenheit selbst sehr geringer Aluminiummengen, was zu ausgeprägten ätzabhängigen Regelmäßigkeiten führt, beispielsweise derart, dass im Wesentlichen das gesamte Halbleitermaterial in dem aktiven Gebiet entfernt wird, das dann auf Grund des selektiven Abscheideverhaltens während des nachfolgenden Abscheideprozesses nicht wieder hergestellt wird. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wird davon ausgegangen, dass ein wichtiger Beeinträchtigungsmechanismus des in-situ-Prozesses in der Anwesenheit einer Aluminiumsorte in einem Halbleiterbauelement oder Bereichen davon oder auch in einer Prozessatmosphäre einer Prozessumgebung, die zum Ausführen des in-situ-Prozesses verwendet wird, zu sehen ist. In dieser Hinsicht wurde insbesondere der Vorgang des Herstellens von Grabenisolationsgebieten als ein potentieller Draht für eine ausgeprägte Aluminiumkontamination erkannt, wie dies nachfolgend mit Bezug zu 1c erläutert ist.
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1c zeigt schematisch einen Graphen, der die Ergebnisse einer Analyse einer Sekundärionenmassenspektroskopie (SIMS) zeigt, in der das Tiefenprofil von Aluminium und Fluor bestimmt wurde. Die horizontale Achse stellt die Tiefe in willkürlichen Einheiten dar, während die linke vertikale Achse die Fluorintensität in Form von Zählereignissen darstellt, während die rechte vertikale Achse andererseits die Aluminiumintensität zeigt. Somit zeigt die Kurve A die Aluminiumintensität mit variierender Tiefe, wobei deutlich erkennbar ist, dass an einer gewissen Tiefe eine signifikante Zunahme der Aluminiumintensität gegeben ist. In ähnlicher Weise nehmen in etwas verschobener Form im Hinblick auf die Aluminiumspitzenwerte die entsprechenden Fluorkonzentrationswerte periodisch zu, wie dies durch die Kurve F angegeben ist. Ohne die vorliegende Anmeldung auf die folgende Erläuterung einschränken zu wollen, so wird dennoch angenommen, dass insbesondere die Abscheide/Ätzsequenz, die in komplexen Abscheidetechniken mit hochdichtem Plasma angewendet wird, periodisch zu einem entsprechenden Herausschlagen von Aluminium führt, was durch die Anwesenheit von Aluminiumgerätekomponenten in der Abscheidekammer hervorgerufen wird, wodurch ebenfalls zum Einbau einer entsprechenden erhöhten Aluminiumkonzentration während der entsprechenden Ätzphase beigetragen wird, die typischerweise in Anwesenheit einer Fluorsorte ausgeführt. Durch Anwenden derartiger Abscheide/Ätzstrategien wird also Aluminium in der entsprechenden Prozessatmosphäre und auch innerhalb des Halbleiterbauelements freigesetzt, wobei dies zu einer Aluminiumkontamination während der weiteren Bearbeitung beiträgt, was wiederum zu diesen ausgeprägten Bauteilausfällen führt, wie dies zuvor erläutert ist. Gemäß den hierin offenbarten Prinzipien wird folglich die Aluminiumkontamination, d. h. die Anwesenheit einer Aluminiumsorte in Prozessatmosphären und/oder innerhalb von Bauteilgebieten, etwa Grabenisolationsgebieten, gesteuert und somit reduziert, um damit das Implementieren der sehr effizienten in-situ-Prozesstechnik, wie sie zuvor beschrieben ist, in Massenproduktionsumgebungen zu ermöglichen.
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Mit Bezug zu 2a bis 2f werden weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1c verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in einer Fertigungsphase, in der Grabenisolationsgebiete in einer Prozessumgebung herzustellen sind, die eine reduzierte Aluminiumkontamination aufweist. Das Bauelement 200 umfasst ein Substrat 201 in Verbindung mit einer Halbleiterschicht 202, wobei diese Komponenten ähnliche Eigenschaften aufweisen können, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. Beispielsweise stellen die Halbleiterschicht 202 und das Substrat 201 eine SOI-Konfiguration oder eine Vollsubstratkonfiguration dar, wobei dies von den gesamten Bauteilerfordernissen abhängt. In der gezeigten Fertigungsphase sind ferner mehrere aktive Gebiete 202a, 202b lateral durch Isolationsgräben 202t begrenzt, die in der Halbleiterschicht 202 gebildet sind. Wie gezeigt ist die Halbleiterschicht 202 durch eine Hartmaskenschicht 206 abgedeckt, die beispielsweise in Form einer ersten Schicht 206a, etwa als ein Siliziumdioxidmaterial, bereitgestellt ist, woran sich eine zweite Schicht 206b anschließt, etwa in Form eines Siliziumnitridmaterials.
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Wie zuvor erläutert ist, können die Isolationsgräben 202t auf der Grundlage komplexer Lithographie- und Ätztechniken hergestellt werden, wobei die Maskenschicht 206 als eine effiziente Ätzmaske dient. Nach jeglichen Reinigungsprozessen wird das Bauelement 200 in einer Prozessumgebung 210 bearbeitet, in der entsprechende Prozessatmosphären, etwa die Atmosphären 212, 211 auf der Grundlage einer gesteuerten Aluminiumkontamination eingerichtet werden. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Umgebung mit hoch dichtem Plasma in der Umgebung 210 eingerichtet, was auf der Grundlage gut etablierter Abscheideprozessanlagen bewerkstelligt werden können, die geeignet ausgebildet sind, so dass ein hochdichtes Plasma und die entsprechenden Vorstufengase und andere Prozessbedingungen geschaffen werden können, beispielsweise im Hinblick auf den Druck, die Temperatur und dergleichen. Dazu ist eine Vielzahl an Abscheideanlagen kommerziell verfügbar. Wenn folglich die Abscheideatmosphäre 211 eingerichtet wird, wird ein gewünschtes Material, etwa Siliziumoxid so hergestellt, dass dieses einen gewissen Bereich der Gräben 202t auffüllt, wie dies durch 211a angegeben ist. Wie zuvor erläutert ist, wird typischerweise sodann die Ätzatmosphäre 212 eingerichtet, um eine gewisse Menge des Materials 211a wieder zu ätzen, vorzugsweise an Rändern der aktiven Gebiete 202a, 202b, um damit ein verbessertes Füllverhalten von unten nach oben zu erreichen, selbst wenn sehr anspruchsvolle Bauteilgeometrien betrachtet werden. Es sollte beachtet werden, dass eine Breite der Gräben 202t 100 nm oder weniger in komplexen Prozesstechnologien betragen kann. Daraufhin wird ein weiterer Abscheideprozess unter Anwendung der Atmosphäre 211 so ausgeführt, dass ein weiterer Teil des Materials 211a aufgebracht wird, woran sich ein weiterer Ätzprozess auf der Grundlage der Ätzatmosphäre 212 anschließt. Im Gegensatz zu konventionellen Strategien werden jedoch die Prozessatmosphären 211, 212 dadurch eingerichtet, dass eine mögliche Aluminiumkontamination berücksichtigt wird, indem beispielsweise die Wahrscheinlichkeit verringert wird, das Aluminium in die Prozessumgebung 210 freigesetzt wird.
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2b zeigt schematisch das Bauelement 200, wenn es in der Umgebung 210, die in Form einer Abscheideprozesskammer bereitgestellt ist, bearbeitet wird, wobei die Prozesskammer mehrere Gerätekomponenten aufweist, etwa eine Plasma- oder Gasverteilleitung 215, Kammerwände 216 und eine Substrathalterung 217. Es sollte beachtet werden, dass andere Gerätekomponenten, die typischerweise in einer Abscheidekammer vorgesehen sind, nicht gezeigt sind, um die Prinzipien der vorliegenden Erfindung nicht unnötig zu verschleiern. Derartige zusätzliche Gerätekomponenten sind im Stand der Technik gut bekannt. Beim Bearbeiten des Bauelements 200 wird folglich das Substrat 201 auf der Substrathalterung 217 angeordnet und es wird die geeignete Prozessatmosphäre, etwa die Prozessatmosphären 211, 212 (siehe 2a) eingerichtet, in einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Steuern der Aluminiumkontamination bewerkstelligt, indem zumindest einige der Gerätekomponenten 215, 216 und 217 in Form von nicht-Aluminiumkomponenten bereitgestellt werden, wodurch die Wahrscheinlichkeit deutlich verringert wird, dass Aluminium während der Bearbeitung des Bauelements 200 freigesetzt wird. Es sollte beachtet werden, dass eine „nicht-Aluminiumkomponente” als eine beliebige Gerätekomponente zu verstehen ist, die zumindest an ihrer Oberfläche ein Material aufweist, das einen Aluminiumanteil von einem Volumenprozent oder weniger besitzt. Beispielsweise können Gerätekomponenten aus rostfreiem Stahl, Kunststoff und dergleichen typischerweise als nicht-Aluminiumkomponenten betrachtet werden, da derartige Komponenten ohne absichtlichen Einbau einer Aluminiumsorte hergestellt werden. Es sollte jedoch beachtet werden, dass geringe Mengen an Aluminium dennoch in derartigen Komponenten oder Materialien auf Grund von Toleranzen des Fertigungsprozesses und auf Grund einer Aluminiumkontamination beim Zusammenbau derartiger Komponenten oder deren Betrieb vorhanden sein können. Es sollte beachtet werden, dass die Anwesenheit geringer Mengen an Aluminium oder zumindest an freiliegenden Oberflächenbereichen in der Prozessumgebung 210 dennoch zu einer deutlich geringeren Aluminiumkontamination im Vergleich zu konventionellen Abscheideanlagen führt, in denen moderat große Oberflächenbereiche auf der Grundlage von Aluminiummaterial vorhanden sind. Beispielsweise kann das Ersetzen der Substrathalterung einer konventionellen Prozessanlage und das Verwenden einer nicht-Aluminiumsubstrathalterung 217 die Wahrscheinlichkeit des Herauslösens von Aluminium insbesondere während der Ätzphase 212 (siehe 2a) deutlich die Aluminiumkontamination der jeweiligen Prozessatmosphären verringern und kann damit den Einbau von Aluminium in das Material 211 (siehe 2a) reduzieren,
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2c zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen, in denen die Isolationsgräben 202t in der Prozessumgebung 210 gefüllt werden, in der die Steuerung und damit die Verringerung der Aluminiumkontamination unter Anwendung unterschiedlicher Materialien und/oder Abscheidetechniken bewerkstelligt wird. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Abscheideatmosphäre 211b ohne hochenergetische Ionen eingerichtet, um die Wahrscheinlichkeit des Freisetzens von Aluminiumatomen aus Oberflächenbereichen des Bauelements 200 oder anderer Gerätekomponenten zu verringern, die in der Umgebung 210 vorhanden sein können. Beispielsweise wird zumindest ein Teil des Materials 211a in Abwesenheit eines hochdichten Plasmas hergestellt, beispielsweise unter Anwendung von Aufschleudertechniken in Verbindung mit geeigneten Ausheizprozessen, um jegliche Komponenten des Materials 211a zu entfernen, die dem Material 211a beim Auftragen eines Materials auf das Bauelement 200 eine niedrige Viskosität verleihen. Beispielsweise kann eine Vielzahl dielektrischer Materialien, etwa Siliziumdioxid und dergleichen, auf der Grundlage von Aufschleudertechniken in Verbindung mit Ausheizprozessen hergestellt werden, so dass ebenfalls eine effiziente Auffüllung kritischer Gräben, der Isolationsgräben 202t möglich ist. Bei Bedarf kann eine weitere Abscheideatmosphäre 213 eingerichtet werden, beispielsweise auf der Grundlage von Vorstufengasen möglicherweise in Verbindung mit einem Plasma, wobei jedoch eine deutlich geringere Ionenenergie angewendet wird, wobei bei Bedarf weitere Materialschichten 213 zu erzeugen.
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Generell ist der Begriff „in Abwesenheit eines hoch-dichten Plasmas” als eine Prozessatmosphäre zu verstehen, in der die Dichte ionisierter Teilchen nicht um mehr als eine Größenordnung größer ist in Vergleich zu der Dichte an ionisierten Teilchen in standardmäßigen Reinraumatmosphären außerhalb jeglicher Prozesskammern.
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In der Prozessumgebung 210 werden dann die Gräben 202t vollständig gefüllt und es wird überschüssiges Material sodann abgetragen, beispielsweise in einer weiteren Prozessumgebung, indem aufwendige Einebnungstechniken angewendet werden, beispielsweise unter Anwendung von CMP (chemisch-mechanisches Polieren) und dergleichen. Vor oder nach dem Entfernen von überschüssigem Material kann ein Ausheizprozess angewendet werden, um das zuvor hergestellte dielektrische Material thermisch zu stabilisieren und zu verdichten. Während dieses Prozesses kann die Maskenschicht 206 im Hinblick auf eine bessere Prozesssteuerung verwendet werden. Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen andere dielektrische Materialien abgeschieden werden, so dass die Gräben 202t im Wesentlichen vollständig gefüllt werden, wenn derartige dielektrische Materialien mit der weiteren Bearbeitung und mit den Erfordernissen des Bauelements 200 verträglich sind. Die Steuerung der Aluminiumkontamination kann in derartigen Fällen bewerkstelligt werden, indem entsprechende Strategien, wie sie zuvor beschrieben sind, verwendet werden, während in anderen Fallen die erforderliche Steuerung der Aluminiumkontamination eingerichtet wird, indem das dielektrische Material abgeschieden wird, ohne dass eine Atmosphäre mit hochdichtem Plasma erforderlich ist, wenn derartige Materialien ein Abscheiden in einer zuverlässigen und hohlraumfreien Weise ohne ein hochdichtes Plasma ermöglichen.
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2d zeigt schematische eine typische Verteilung des Aluminiums in dem dielektrischen Material 211a (siehe 2b, 2c), wenn die Aluminiumkontamination beispielsweise in der zuvor beschriebenen Weise gesteuert ist. Die horizontale und vertikale Achse sind in der gleichen Weise dargestellt, wie dies bereits zuvor mit Bezug zu 1c beschrieben ist, während zusätzlich die Kurve C in einer sehr schematischen Weise eine im Wesentlichen gleichmäßige und deutlich geringere Aluminiumintensität in dem dielektrischen Material der Isolationsgräben im Vergleich zu den ausgeprägten Aluminiumspitzenwerte der Kurve A darstellt, selbst wenn eine Abscheide/Ätz-Prozesssequenz angewendet wird. Es sollte beachtet werden, dass die Kurve C ein typisches Verhalten der Aluminiumkonzentration entlang der Tiefe des entsprechenden dielektrischen Materials angibt, wobei jedoch auch andere Tiefenprofile erzeugt werden können, wobei jedoch zumindest eine Verringerung von ungefähr 50 Prozent im Hinblick auf die maximalen Spitzenwerte der Kurve für ansonsten gleiche Prozessbedingungen auf der Grundlage der Steuerung der Aluminiumkontaminationen der oben beschriebenen Weise erreicht wird.
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2e zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, enthalten die Grabenisolationsgebiete 202c das dielektrische Material 211a mit einer besseren Aluminiumkontamination, die somit die aktiven Gebiete 202a, 202b lateral begrenzen. Ferner ist eine Maskenschicht 204, etwa ein Siliziumdioxidmaterial, ein Siliziumnitridmaterial und dergleichen, so vorgesehen, dass das aktive Gebiet 202b abgedeckt ist. Zu diesem Zweck können ähnliche Prozessstrategien und Materialien angewendet werden, wie dies bereits zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. In der gezeigten Fertigungsphase wird ferner eine Prozessumgebung 230c eingesetzt, um das Bauelement 200 zu bearbeiten, so dass ein in-situ-Prozess ausgeführt wird, der Prozessschritte 231 umfasst, um eine Vertiefung 202r in dem freiliegenden aktiven Gebieten 202a in einer gut steuerbaren Weise zu erzeugen, woran sich das Abscheiden einer Halbeiterlegierung 203a während eines selektiven epitaktischen Aufwachsprozesses 232 anschließt. Die Prozesse 231, 232 werden auf der Grundlage von Prozesstechniken ausgeführt, wie sie auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind. Im Gegensatz zu konventionellen Strategien ist jedoch die Anwesenheit von Aluminium in der Umgebung 230 und insbesondere in dem Bauelement 200 deutlich reduziert, so dass auch die Wahrscheinlichkeit verringert wird, dass Ätzunregelmäßigkeiten erzeugt werden, etwa das unerwünschte Abtragen von Material der aktiven Gebiete 202a während des Ätzprozesses 231. Folglich können die elektronischen Eigenschaften der resultierenden aktiven Gebiete 202a, die die Halbleiterlegierung 230a enthalten, mit besserer Gleichmäßigkeit eingestellt werden, da die Schichtdicke, die Materialzusammensetzung und dergleichen mit verbesserter Gleichmäßigkeit auf Grund der gleichmäßigen Absenkung der aktiven Gebiete 202a einstellbar sind. Ferner kann ein nicht vorhersagbares Entfernen von Material in den aktiven Gebieten 202a deutlich verringert werden auf Grund einer Steuerung der Aluminiumkontamination, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Somit wird der Grad der Vertiefung 202r geeignet in Bezug auf die gewünschte endgültige Oberflächentopagraphie eingestellt, beispielsweise im Hinblick darauf, dass im Wesentlichen ähnliche Höheniveaus für die aktiven Gebiete 202a, die das Material 203a enthalten, und das aktive Gebiet 202b nach dem Entfernen des Hartmaskenmaterials 204 erreicht werden.
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2f zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des Bauelements 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind Transistoren 250a in und über dem aktiven Gebieten 202a ausgebildet, die zumindest in einem Teil davon die Halbleiterlegierung 203a enthalten, wodurch Kanalgebieten 252 der Transistoren 250a die gewünschten elektronischen Eigenschaften verliehen werden. Andererseits ist das Kanalgebiet 252 eines Transistors 250b ohne eine zusätzliche Halbleiterlegierung vorgesehen. In dieser Fertigungsphase sind ferner Drain- und Sourcegebiete 251 in den aktiven Gebieten 202a, 202b möglicherweise in Verbindung mit geeigneten Kontaktgebieten 253, die etwa in Form eines Metallsilizids und dergleichen vorgesehen sind, bereitgestellt. Wie zuvor erläutert ist, sind in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Höhenniveaus 252h der Kanalgebiete 252 ähnlich zu den Höhen in den Transistoren 250a, 250b auf Grund der geeigneten Anpassung der Vertiefung 202r (siehe 2e) und der Dicke des Materials 203a in Bezug auf das aktive Gebiet 202b. Beispielsweise beträgt eine Abweichung der Höhenniveaus 252h der Transistoren 250a, 250b 10 nm oder weniger.
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In der gezeigten Fertigungsphase umfassen die Transistoren 250a, 250b ferner Gateelektrodenstrukturen 260, die grundsätzlich den gleichen Aufbau besitzen und ein Gatedielektrikumsmaterial 261 aufweisen, woran sich ein Elektrodenmaterial 262 möglicherweise in Verbindung mit einem weiteren Elektrodenmaterial 263 anschließt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen ist ein metallenthaltendes Material 264, etwa in Form eines Metallsilizids, vorgesehen und die Materialien 261, 262, 263 und 264 sind lateral durch eine Abstandshalterstruktur 265 eingeschlossen. Wie zuvor erläutert ist, wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Gatedielektrikumsmaterial 261 in Form eines dielektrischen Materials mit großem ε mit einer Dielektriztitätskonstante von 10,0 oder höher bereitgestellt. Beispielsweise enthält die Schicht 261 ein Metall, Hafnium, Zirkon und dergleichen in Verbindung mit Silizium, Sauerstoff, Stickstoff und dergleichen, etwa in Form separater dielektrischer Schichten oder in Form einer im Wesentlichen gleichmäßigen Materialzusammensetzung, wobei dies von der gesamten Prozessstrategie abhängt, die zur Herstellung des dielektrischen Materials 261 angewendet wird. In diesem Falle wird das Elektrodenmaterial 262 in Form eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials bereitgestellt, das ein Material enthält mit Titan, Tantal und dergleichen, um damit eine höhere Leitfähigkeit zu schaffen und auch um eine Einstellung einer Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen 260 zu bewerkstelligen. Es sollte beachtet werden, dass grundsätzliche die Materialien 261, 262 eine andere Zusammensetzung im Hinblick auf Grenzflächenzustände, eingebaute Metallsorten und dergleichen aufweisen können, wie dies zum Einstellen einer geeigneten Austrittsarbeit für unterschiedliche Transistortypen erforderlich ist. Ferner kann das Material 263 in Form eines Halbleitermaterials, etwa als Polysilizium und dergleichen, vorgesehen sein.
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Das in 2f gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Prozessstrategie hergestellt werden. D. h., nach der Erzeugung der Halbleiterlegierung 203 selektiv in den aktiven Gebieten 202a werden geeignete Materialien für die Gateelektrodenstrukturen 260 vorgesehen und nachfolgend auf der Grundlage komplexer Lithographie- und Ätzstrategien strukturiert. Folglich können komplexe Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε in einer frühen Fertigungsphase hergestellt werden, wobei die gesamten elektronischen Eigenschaften und insbesondere die Schwellwertspannung der Transistoren 250a, 250b auf der Grundlage der Materialien 261, 262 und in Verbindung mit dem Material 203a eingestellt werden. Daraufhin werden die Drain- und Sourcegebiete 251 hergestellt, beispielsweise durch Implantationstechniken und dergleichen, woran sich ein oder mehrere Ausheizrezepte anschließen, um das endgültige laterale und vertikale Dotierstoffprofil einzustellen. Zu beachten ist, dass weitere leistungssteigernde Mechanismen eingerichtet werden können, beispielsweise in Form einer Halbleiterlegierung, die in die aktiven Gebiete zumindest einer Transistorart eingebaut wird, beispielsweise in Form einer Silizium/Germanium-Legierung und dergleichen, was bewerkstelligt werden kann, indem Aussparungen (nicht gezeigt) erzeugt und diese Aussparungen mit einem geeigneten Halbleitermaterial in Anwesenheit der Gateelektrodenstrukturen 260 wieder aufgefüllt werden, die eine geeignete Konfiguration für die Abstandshalterstruktur 265 besitzen, so dass ein lateraler Abstand des entsprechenden verformungsinduzierenden Halbleitermaterials in geeigneter Weise festgelegt wird.
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Es sollte beachtet werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen die Gateelektrodenstrukturen 260 nicht-fertiggestellte Strukturen darstellen, wobei eine oder mehrere der Materialien der Gateelektrodenstrukturen 260 durch komplexe Materialien ersetzt werden, etwa durch gut leitende Elektrodenmetalle, durch ein dielektrisches Material mit großem ε und dergleichen, wobei dies in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase erfolgt.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente bereit, in denen ein sehr effizienter in-situ-Prozess zum Absenken spezieller aktiver Gebiete und zur Herstellung eines Halbleitermaterials darauf auf der Grundlage selektiver Aufwachstechniken angewendet wird, wobei die Anwesenheit einer Aluminiumsorte insbesondere während des in-situ-Ätzprozesses reduziert wird, indem die Aluminiumkontamination von Prozessatmosphären und der Halbleiterprodukte während der vorhergehenden Bearbeitung insbesondere während der Herstellung von Grabenisolationsgebieten gesteuert wird.
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Weitere Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden für den Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin offenbarten Lehre vermitteln. Selbstverständlich sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der vorliegenden Erfindung als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen zu betrachten.
