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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere Transistoren mit einer Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε, die in einer frühen Fertigungsphase hergestellt wird.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung komplexer integrierter Schaltungen erfordert das Bereitstellen einer großen Anzahl an Transistoren, die das wesentliche Schaltungselement in komplexen integrierten Schaltungen darstellen. Beispielsweise werden mehrere 100 Millionen Transistoren in gegenwärtig verfügbaren komplexen integrierten Schaltungen bereitgestellt. Generell wird eine Vielzahl an Prozesstechnologie aktuell eingesetzt, wobei für komplexe Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherchips und dergleichen, die CMOS-Technologie aktuell eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. In CMOS-Schaltungen werden komplementäre Transistoren, d. h. p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren, verwendet, um Schaltungselemente, etwa Inverter und andere Logikgatter aufzubauen, um damit sehr komplexe Schaltungsanordnungen, etwa CPUs, Speicherbauelemente und dergleichen zu gestalten. Ein MOS-Transistor oder allgemein 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 Drain- und Sourcegebieten und einem invers oder schwach dotierten Kanalgebiet gebildet sind, das zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet angeordnet ist. Die Leitfähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, ist durch eine Gateelektrode gesteuert, die in der Nähe des Kanalgebiets 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 u. a. von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger, und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet wird.
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Damit ist die Verringerung der Kanallänge – und damit verknüpft die Verringerung des Kanalwiderstands – ein wichtiges Entwurfskriterium, um eine Zunahme der Arbeitsgeschwindigkeit integrierter Schaltungen zu erreichen.
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Die voranschreitende Verringerung der Transistorabmessungen ist jedoch mit einer Reihe von Problemen behaftet, die es zu lösen gilt, um nicht in unerwünschter Weise die Vorteile aufzuheben, die durch das stetige Verringern der Kanallänge von MOS-Transistoren erreicht werden. Beispielsweise sind sehr komplexe Dotierstoffprofile in vertikaler Richtung und auch in lateraler Richtung in den Drain- und Sourcegebieten erforderlich, um den geringen Schichtwiderstand und Kontaktwiderstand in Verbindung mit einer gewünschten Kanalsteuerbarkeit zu erreichen.
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Bei einer geringeren Kanallänge ist generell ein flacheres Dotierstoffprofil in den Drain- und Sourcegebieten erforderlich, wobei dennoch eine moderat hohe Dotierstoffkonzentration im Hinblick auf das Erreichen eines geringen Reihenwiderstandes notwendig ist, was wiederum zu einem gewünschten Durchlassstrom in Verbindung mit einem kleineren Transistorkanal führt. Ein flaches Dotierstoffprofil in Verbindung mit einem insgesamt geringeren Drain- und Sourcewiderstand wird typischerweise realisiert, indem sogenannte Drain- und Sourceerweiterungsgebiete vorgesehen werden, die äußerst flache dotierte Bereiche darstellen, die sich unter die Gateelektrodenstruktur so erstrecken, dass sie in geeigneter Weise an das Kanalgebiet anschließen. Andererseits wird ein größerer lateraler Abstand zu dem Kanalgebiet auf der Grundlage geeignet dimensionierter Seitenwandabstandshalter eingestellt, die als Implantationsmasken verwendet werden, um die eigentlichen Drain- und Sourcegebiete mit einer gewünschten Dotierstoffkonzentration und mit einer größeren Tiefe im Vergleich zu den Drain- und Sourceerweiterungsgebieten zu erzeugen. Durch geeignetes Auswählen der Größe der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete kann somit die Kanalsteuerbarkeit für Transistoren mit sehr kurzem Kanal beibehalten werden, wobei auch ein gewünschter geringer gesamter Reihenwiderstand beim Anschluss der Drain- und Sourcegebiete an das Kanalgebiet erreicht wird. Für ein gewünschtes Leistungsverhalten komplexer Transistoren ist daher ein gewisser Grad an Überlappung der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete mit der Gateelektrode wünschenswert, um somit eine geringe Schwellwertspannung und einen hohen Durchlassstrom zu verwirklichen. Die Überlappung der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete mit der Gateelektrode führt zu einer speziellen kapazitiven Kopplung, die auch als Miller-Kapazität bezeichnet wird. Typischerweise wird eine gewünschte Miller-Kapazität auf der Grundlage von Implantationsprozessen eingestellt, in denen die Drain- und Sourcedotiermittel eingeführt werden, so dass die grundlegende Konfiguration der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete erzeugt wird, wobei die endgültige Form dieser Gebiete dann auf der Grundlage einer Sequenz aus Ausheizprozessen eingestellt wird, in denen durch Implantation hervorgerufene Schäden rekristallisiert werden und auch ein gewisser Grad an Dotierstoffdiffusion auftritt, so dass damit die resultierende Miller-Kapazität schließlich eingestellt wird.
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Beim stetigen Verringern der Kanallänge von Feldeffekttransistoren ist generell eine höhere kapazitive Kopplung erforderlich, um die Steuerbarkeit des Kanalgebiets beizubehalten, wozu typischerweise eine Anpassung einer Dicke und/oder der Materialzusammensetzung des Gatedielektrikumsmaterials erforderlich ist. Beispielsweise ist für eine Gatelänge von ungefähr 80 nm ein Gatedielektrikum, das auf Siliziumdioxid basiert, mit einer Dicke von weniger als 2 nm in Hochleistungstransistoren erforderlich, das jedoch zu erhöhten Leckströmen führt, die durch den Einfang energiereicher Ladungsträger und durch das direkte Tunneln von Ladungsträgern durch das extrem dünne Gatedielektrikumsmaterial hervorgerufen werden. Da eine weitere Verringerung der Dicke von Gatedielektrikumsmaterialien auf Siliziumdioxidbasis zunehmend inkompatibel mit den thermischen Leistungsanforderungen komplexer integrierter Schaltungen ist, insbesondere wenn Bauelemente betrachtet werden, die für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme gestaltet sind, etwa für Mobilgeräte und dergleichen, wurden andere Alternativen entwickelt, um die Ladungsträgerbeweglichkeit in dem Kanalgebiet zu erhöhen, wodurch ebenfalls das Gesamtleitungsvermögen der Feldeffekttransistoren verbessert wird. Eine vielversprechende Vorgehensweise in dieser Hinsicht ist das Erzeugen einer gewissen Art an Verformung in dem Kanalgebiet, da die Ladungsträgerbeweglichkeit in Silizium deutlich von den Verformungsbedingungen des kristallinen Materials abhängt. Beispielsweise führt bei einer standardmäßigen Kristallkonfiguration des siliziumbasierten Kanalgebiets eine kompressive Verformung in einem p-Kanaltransistor zu einer höheren Beweglichkeit von Löchern, wodurch die Schaltgeschwindigkeit und der Durchlassstrom von p-Kanaltransistoren erhöht werden.
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Ein effizienter Mechanismus zum Hervorrufen einer gewünschten Verformung in dem Kanalgebiet von Transistoren ist das Aufbringen eines stark verspannten Materials in unmittelbarer Nähe zu den Transistoren. Dazu wird häufig in der Kontaktebene des Bauelements, d. h. in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial, das die Transistoren passiviert und die Transistoren von dem Metallisierungssystem trennt, ein geeignetes Material vorgesehen, beispielsweise in Form eines stark verspannten Siliziumnitridmaterials und dergleichen, so dass die innere Verspannung effizient auf das Kanalgebiet der darunter liegenden Transistoren einwirken kann. In komplexen Bauteilgeometrien ist jedoch generell das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials ohne unerwünschte Hohlräume schwer erreichbar, da der laterale Abstand zwischen dicht liegenden Gateelektrodenstrukturen im Bereich von 150 nm und deutlich weniger liegt. Insbesondere in Verbindung mit dem zuvor beschriebenen verformungsinduzierenden Mechanismen werden daher durch die Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten, etwa Hohlräume, häufig erzeugt, wenn das stark verspannte dielektrische Material erzeugt wird, da in diesem Falle die Abscheidebedingungen wesentlich durch das Erfordernis des Hervorrufens eines hohen inneren Verspannungspegels beim Abscheiden des dielektrischen Materials bestimmt sind.
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Im Hinblick auf die Verringerung der statischen und dynamischen Leckströme für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme, etwa für Mobilgeräte und dergleichen, wurde ferner eine geeignete Anpassung der Materialzusammensetzung des Gatedielektrikumsmaterials in Betracht gezogen, so dass für eine physikalisch geeignete Dicke eines Gatedielektrikumsmaterials, d. h. zum Erreichen eines akzeptablen Niveaus der Gateleckströme, dennoch eine gewünschte hohe kapazitive Kopplung erreicht wird. Dazu wurden Materialsysteme entwickelt, die eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu dem konventionell verwendeten siliziumdioxidbasierten Materialien, etwa Siliziumoxinitrid und dergleichen, besitzen. Beispielsweise haben dielektrische Materialien, die Hafnium, Zirkon, Aluminium und dergleichen enthalten, eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante und werden daher als dielektrische Materialien mit großem e bezeichnet, wobei diese als Materialien zu verstehen sind, die eine Dielektrizitätskonstante von 10,0 oder höher besitzen. Häufig werden diese dielektrischen Materialien mit großem e in einer frühen Fertigungsphase vorgesehen, d. h. bei der Erzeugung der Gateelektrodenstrukturen, möglicherweise in Verbindung mit zusätzlichen metallenthaltenden Elektrodenmaterialien, die verwendet werden, um in geeigneter Weise die Austrittsarbeit und somit die Schwellwertspannung der Transistoren einzustellen. Da diese Materialien ganz empfindlich auf viele reaktive Prozessatmosphären reagieren, die während der weiteren Bearbeitung der Bauelemente angetroffen werden, ist ein Einschluss dieser Materialien zu gewährleisten, was typischerweise bewerkstelligt wird, indem ein geeignetes Siliziumnitridabstandshalterelement an Seitenwänden der empfindlichen Gatematerialien hergestellt wird, unmittelbar nach dem der komplexe Gateschichtstapel strukturiert wurde.
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Grundsätzlich erlaubt es die zuvor beschriebene Prozesssequenz, komplexe Halbleiterbauelemente bereitzustellen, die für Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme gestaltet sind, wobei dennoch die einzelnen Transistoren ein mehr oder minder hohes Leistungsvermögen besitzen, beispielsweise auf Grund der insgesamt geringen Größe in Verbindung mit beispielsweise moderat geringen Gateleckströmen, die durch das Vorsehen eines dielektrischen Materials mit großem ε erreicht werden. Es zeigt sich jedoch, dass ein erhöhter Ausbeuteverlust in Halbleiterbauelementen beobachtet wird, die auf der Grundlage der zuvor beschriebenen Prozesssequenz hergestellt werden, wobei zusätzlich das gesamte Leistungsverhalten geringer als erwartet ist, obwohl komplexe Transistorgestaltungen und Materialzusammensetzungen für die Gateelektrodenstrukturen verwendet werden.
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Mit Bezug zu den 1a und 1b wird ein typischer komplexer Fertigungsablauf zur Herstellung von Halbleiterbauelementen auf der Grundlage kleiner kritischer Abmessungen, beispielsweise mit Gatelängen von 40 nm und weniger, detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 100 ein Substrat 101 und eine Halbleiterschicht 102, die in Kombination eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Architektur bilden, wenn ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) unter der Halbleiterschicht 102 ausgebildet ist. In anderen Fällen wird eine Vollsubstratkonfiguration verwendet, in der die Halbleiterschicht 102 in direktem Kontakt mit einem kristallinen Halbleitermaterial des Substrats 101 ist. Die Halbleiterschicht 102 enthält eine Vielzahl aktiver Gebiete, die als Halbleitergebiete zu verstehen sind, die lateral durch geeignete Isolationsstrukturen (nicht gezeigt) begrenzt sind und in und über welchen ein oder mehrere Transistoren ausgebildet sind. Der Einfachheit halber ist in 1a ein aktives Gebiet 102a so dargestellt, dass es Transistoren 150a, 150b enthält. Die Transistoren 150a, 150b sind p-Kanaltransistoren oder n-Kanaltransistoren und weisen Drain- und Sourcegebiete 152, die auf der Grundlage von Drain- und Sourceerweiterungsgebieten 152e und tiefen Drain- und Sourcebereichen 152d hergestellt sind. Um den gesamten Reihenwiderstand zu verbessern, ist ferner ein Metallsilizidmaterial 153 typischerweise in den Drain- und Sourcegebieten 152 vorgesehen. Ferner umfassen die Transistoren 150a, 150b entsprechende Gateelektrodenstrukturen 160, die wiederum ein Gatedielektrikumsmaterial 161 enthalten, das typischerweise, wie dies zuvor erläutert ist, ein dielektrisches Material mit großem ε, etwa Hafniumoxid und dergleichen, aufweist. Es sollte beachtet werden, dass auch konventionelle dielektrische Komponenten oder Materialsorten, etwa siliziumoxidbasierte Materialien, Siliziumoxinitrid und dergleichen in der Gateisolationsschicht 161 eingebaut sein können, um damit stabile Grenzflächeneigenschaften und dergleichen zu erzeugen. Des weiteren ist ein Elektrodenmaterial 162, das eine spezielle Austrittsarbeitsmetallsorte oder andere metallenthaltende Elektrodenmaterialien, etwa Titannitrid, Tantal, Tantalnitrid und dergleichen, enthalten kann, auf dem Gatedielektrikumsmaterial 161 ausgebildet und kann auch eine beträchtliche Menge eines Halbleitermaterials, etwa in Form von Silizium, enthalten. In der gezeigten Fertigungsphase ist ferner ein Metallsilizid 163 so vorgesehen, dass es die elektronischen Eigenschaften der Gateelektrodenstrukturen 160 verbessert. Ferner ist, wie zuvor erläutert ist, ein Seitenwandabstandshalter 164 so hergestellt, dass dieser empfindliche Gatematerialien, etwa das Gatedielektrikumsmaterial 161 und auch das Elektrodenmaterial 162 lateral einschließt. Zu diesem Zweck wird ein dichtes Siliziumnitridmaterial häufig eingesetzt. Ferner ist ein Abstandshalter 165, der beispielsweise aus Siliziumdioxid aufgebaut ist, vorgesehen und besitzt typischerweise eine Breite, die geeignet ist, um die Drain- und Sourcedotierstoffe für die Erweiterungsgebiete 152e einzubauen. Ferner ist ein weiterer Abstandshalter 166, etwa ein Siliziumnitridabstandshalter, vorgesehen und besitzt in der gezeigten Fertigungsphase eine geringere Breite, um damit einen lateralen Abstand 150x zwischen den Gateelektrodenstrukturen 160 vor der weiteren Bearbeitung zu vergrößern.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozessstrategie hergestellt werden. Das aktive Gebiet 102 wird typischerweise bereitgestellt, indem Isolationsgebiete, etwa Grabenisolationen, unter Anwendung gut etablierter und komplexer Lithographie-, Ätz-, Abscheide- und Einebnungstechniken hergestellt werden. Daraufhin werden geeignete Materialien für die Gatedielektrikumsschicht 161 und das Elektrodenmaterial 162 in Verbindung mit Hartmaskenmaterialien aufgebracht, beispielsweise in Form von Siliziumnitrid und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf vor dem Bereitstellen eines halbleiterbasierten Elektrodenmaterials Strukturierungsprozesse in Verbindung mit geeigneten Abscheideprozessen ausgeführt werden können, um eine Austrittsarbeitsmetallsorte vorzusehen, die den Anforderungen für p-Kanaltransistoren bzw. n-Kanaltransistoren genügt. Nach dem komplexen Prozess zum Strukturieren der Materialien 161 und 162 wird das Beschichtungsmaterial für den Abstandshalter 164 aufgebracht, möglicherweise in Verbindung mit dem Material des Abstandshalters 165 und dieses Material wird auf der Grundlage von beispielsweise anisotropen Ätzstrategien strukturiert, woran sich die Strukturierung des Abstandshalters 165 anschließt. Diese Strukturierungsprozesse verursachen folglich einen gewissen Verlust an Material des aktivern Gebiets 102a, wodurch zu einer ausgeprägten Absenkung bzw. Vertiefung beigetragen wird, wie dies durch 150y angegeben ist, nachdem die grundlegende Transistorstruktur fertiggestellt ist. Auf der Grundlage des Abstandshalterelements 165 werden die Drain- und Sourceerweiterungsgebiete 152e durch Ionenimplantation hergestellt, wobei auch bei Bedarf eine gegendotierende Sorte eingebaut wird, um lokal die Wannendotierstoffkonzentration in dem aktiven Gebiet 102a zu erhöhen, dessen grundlegendes Dotierstoffprofil wiederum vor der Herstellung der Gateelektrodenstrukturen 160 eingestellt wurde. Als nächstes wird der Abstandshalter 166 hergestellt, beispielsweise durch Abscheiden eines Siliziumnitridmaterials und durch Strukturieren desselben, woran sich ein weiterer Implantationsprozess anschließt, um die Dotierstoffsorte für die tiefen Drain- und Sourcebereiche 152d einzubauen. Es sollte beachtet werden, dass die Abstandshalter 166 so vorgesehen werden, dass diese den Anforderungen für das Erzeugen eines gewünschten komplexen lateralen und vertikalen Dotierstoffprofils genügen. Das endgültige Dotierstoffprofil wird dann in einem oder mehreren Ausheizprozesse eingestellt, wodurch auch die Dotierstoffsorten aktiviert und durch Implantation hervorgerufene Schäden rekristallisiert werden. In einigen Vorgehensweisen wird die Breite der Abstandshalterelemente 166 verringert, indem ein geeigneter Ätzprozess ausgeführt wird, um damit einen größeren lateralen Abstand zu schaffen, der durch den Abstand 150x angegeben ist und somit die Bedingungen für das nachfolgende Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials zu schaffen. In diesem Falle wird ebenfalls ein gewisser Verlust an Material in dem aktiven Gebiet 102a hervorgerufen, wodurch ebenfalls zu dem endgültigen Grad an Vertiefung 150y beitragen wird. Danach werden gut etablierte Silizidierungstechniken angewendet, um die Materialien 153 und 163 zu bilden, wobei typischerweise während einer geeigneten Fertigungsphase das Hartmaskenmaterial von dem Elektrodenmaterial 162 beispielsweise beim Reduzieren der Breite des Abstandshalters 166 und dergleichen entfernt wird.
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1b zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein erstes dielektrisches Material 121 einer Kontaktebene 120 über dem aktiven Gebiet 102a und den Gateelektrodenstrukturen 160 ausgebildet. Wie zuvor erläutert ist, wird häufig das Material 121 in Form eines stark verspannten dielektrischen Materials, etwa als Siliziumnitridmaterial vorgesehen, das auf der Grundlage plasmaunterstützter CVD-(chemische Dampfabscheide-)Techniken aufgebracht wird, wobei Prozessparameter so eingestellt werden können, dass eine gewünschte hohe innere Verspannung erreicht wird. Wenn beispielsweise die Transistoren 150a, 150b p-Kanaltransistoren sind, wird das Material 121 so hergestellt, dass es eine hohe innere kompressive Verspannung besitzt. Das Abscheiden des Materials 121 kann einerseits eine moderat dicke Schicht mit einer hohen inneren Verspannung bereitstellen, um damit das Leistungsverhalten der Transistoren 150a, 150b zu verbessern, wozu allerdings spezielle Prozessparameter erforderlich sind, die jedoch nicht für die erforderlichen Spaltfülleigenschaften sorgen, so dass der Zwischenraum zwischen den Gateelektrodenstrukturen 160 vollständig gefüllt wird. Folglich kann für dicht gepackte Bauteilbereiche selbst bei einer Verringerung der Breite der Abstandshalter 166 zum Erzeugen des Abstandes 150x ein Hohlraum 121v die Folge sein, der zwischen den Gateelektrodenstrukturen 160 angeordnet ist. Der Hohlraum 121v führt jedoch zu Bauteilausfällen während der weiteren Bearbeitung, beispielsweise bei der Herstellung eines weiteren dielektrischen Zwischenschichtmaterials 122 und bei dessen Strukturierung, wenn Kontaktöffnungen 123 darin erzeugt werden. In diesem Falle steht die Öffnung 123 mit dem Hohlraum 121v in Verbindung, der sich jedoch entlang einer Breitenrichtung erstrecken kann, d. h. entlang einer Richtung senkrecht zur Zeichenebene der 1b, so dass beim Füllen der Kontaktöffnung 123 auch leitendes Material in den Hohlraum 121v hinein abgeschieden wird, wodurch ein vergrabener „Wolframkanal” erzeugt wird, der einen Kurzschluss zwischen benachbarten Kontaktelementen erzeugen kann, so dass ein beträchtlicher Ausbeuteverlust hervorgerufen wird.
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Folglich führt die zuvor beschriebene Prozessstrategie möglicherweise zu ausgeprägten Ausbeuteverlusten in einer späten Phase der Herstellung der Transistoren 150a, 150b, wobei auch die ausgeprägte Vertiefung 150y zu einem beeinträchtigten Transistorleistungsverhalten beiträgt.
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Die
DE 10 2006 015 077 A1 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Transistoren, wobei die Source-/Drainerweiterungsgebiete auf der Grundlage von Abstandshaltern implantiert werden, die auf einer Beschichtung gebildet sind. Auf diesen Abstandshaltern werden weitere Abstandshalter gebildet, auf deren Grundlage dann die tiefen Source-/Draingebiete implantiert werden. Die weiteren Abstandshalter können nachfolgend für eine Silizidierung durch geeignete Abstandshalter ersetzt werden, wodurch zusätzliche Reinigungsschritte vor dem Silizidieren erforderlich werden.
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Die
US 7 659 213 B2 offenbart ein Verfahren zum Herstellen von Transistoren, wobei die Source-/Drainerweiterungsgebiete auf der Grundlage einer Beschichtung ohne zusätzliche Versatzabstandselemente implantiert werden können.
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation betrifft die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken und Halbleiterbauelemente, in denen Halbleiterbauelemente mit Feldeffekttransistoren mit kritischen Abmessungen von 40 nm und weniger vorgesehen werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Generell stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken für Halbleiterbauelemente bereit, in denen ein besseres Transistorleistungsverhalten bei vorgegebener Konfiguration der Transistoren erreicht wird, indem für ansonsten vorgegebene Transistorstrukturen die Bedingungen modifiziert werden, wenn ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial abgeschieden wird, wobei auch eine Absenkung aktiver Gebiete der Transistoren reduziert wird. Dazu werden Drain- und Sourceerweiterungsgebiete möglicherweise in Verbindung mit gegendotierten Gebieten oder Halo-Gebieten auf der Grundlage eines schützenden Beschichtungsmaterials hergestellt, das auch während der weiteren Bearbeitung zur Herstellung von Abstandshalterelementen verwendet werden kann, die zum Einbau der Drain- und Sourcedotiermittel für die tiefen Drain- und Sourcebereiche verwendet werden. Auf diese Weise kann der Grad der Absenkung des aktiven Gebiets in der Nähe der Gateelektrodenstrukturen verringert werden, wodurch verbesserte Transistoreigenschaften erreicht werden, da beispielsweise der geringere laterale Abstand des Implantationseintrittspunktes die Anwendung einer geringen Implantationsdosis ermöglicht, wobei dennoch die gewünschte Überlappung zwischen der Gateelektrode und den Erweiterungsgebieten erreicht wird. Ferner wird ein besserer Gesamtreihenwiderstand erreicht, indem eine Zunahme der Größe der entsprechenden Metallsilizidgebiete auf Grund des geringeren Materialsverlusts in den aktiven Gebieten möglich ist. Auf Grund des strukturierten Beschichtungsmaterials kann das zusätzliche Abstandshalterelement, das zum Einstellen des lateralen Profils der tiefen Drain- und Sourcebereiche verwendet wird, effizient entfernt werden, wodurch der Zwischenraum zwischen dicht liegenden Gateelektrodenstrukturen vergrößert wird, so dass das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials beispielsweise in Form eines stark verspannten Materials ermöglicht wird, ohne dass durch die Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten für ansonsten gegebene Transistorabmessungen erzeugt werden.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird insbesondere durch die Verfahren der Ansprüche 1 und 10 gelöst.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Diverse Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert und gehen auch deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a und 1b schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn eine ausgeprägte Absenkung des aktiven Gebiets und durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten bei der Herstellung eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials zu einem beeinträchtigten Bauteilleistungsvermögen gemäß konventionellen Strategien führen; und
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2a bis 2h schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn ein oder mehrere Transistoren mit verbessertem Leistungsverhalten hergestellt werden, woraus sich eine höhere Produktionsausbeute ergibt, indem durch Abscheidung hervorgerufene Unregelmäßigkeiten gemäß anschaulichen Ausführungsformen vermieden werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken für Halbleiterbauelemente bereit, in denen Transistoren auf der Grundlage einer verbesserten Fertigungsstrategie hergestellt werden, die zu einem höheren Transistorleistungsvermögen und zu einer höheren Produktionsausbeute für ansonsten vorgegebene Gestaltungsanforderungen führt. Beispielsweise müssen insbesondere in Anwendungen mit geringer Leistungsaufnahme die Transistoren von Halbleiterbauelementen auf der Grundlage sehr kleiner kritischer Abmessungen, etwa von 40 nm und weniger, bereitgestellt werden, wenn etwa die Gatelänge von Feldeffekttransistoren betrachtet wird, wobei typischerweise komplexe Gatematerialien, etwa ein dielektrisches Material mit großem ε, in die Gateelektrodenstrukturen einzubauen ist. In Bauteilbereichen mit einer hohen „Transistordichte” wird für die Herstellung einer dielektrischen Schicht, die als ein Ätzstoppmaterial und/oder als ein verformungsinduzierender Mechanismus bei der Erzeugung der Kontaktebene des Bauelements verwendet wird, der laterale Abstand zwischen den Gateelektrodenstrukturen vergrößert, indem Abstandshalterelemente weggelassen werden, die konventioneller Weise zum Einbau der Drain- und Sourceerweiterungsdotiermittel verwendet werden. Ferner kann auch der Abstandshalter, der zum Festlegen des lateralen Dotierstoffprofils tiefer Drain- und Sourcebereiche verwendet wird, ebenfalls in sehr effizienter Weise entfernt werden, woraus sich bessere Abscheidebedingungen für ansonsten vorgegebene geometrische Anforderungen des Halbleiterbauelements ergeben.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2h werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a und 1b verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 mit einem Substrat 201 und einer Halbleiterschicht 202. Wie bereits zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist, können das Substrat 201 und die Halbleiterschicht 202 eine SOI-Konfiguration oder eine Vollsubstratkonfiguration bilden, wie dies gemäß dem gesamten Konzept des Bauelements 200 erforderlich ist. Ferner ist die Halbleiterschicht 202 in eine Vielzahl aktiver Gebiete durch ein Isolationsgebiet 202c unterteilt, das in Form einer flachen Grabenisolation und dergleichen bereitgestellt wird. Der Einfachheit halber ist in 2a ein einzelnes aktives Gebiet 202a dargestellt. Ferner sind in dieser Fertigungsphase Gateelektrodenstrukturen 260 auf dem aktiven Gebiet 202a ausgebildet. In dieser Fertigungsphase umfassen die Gateelektrodenstrukturen 260 eine Gatedielektrikumsschicht 261, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein dielektrisches Material mit großem ε enthält, wie dies auch zuvor erläutert ist, woran sich ein oder mehrere Elektrodenmaterialien 262, etwa ein metallenthaltendes Elektrodenmaterial (nicht gezeigt) in Verbindung mit einem halbleiterbasierten Material anschließen. Eine dielektrische Deckschicht 267, die beispielsweise aus Siliziumdioxid aufgebaut ist, ist über dem Elektrodenmaterial 262 ausgebildet. Es sollte beachtet werden, dass die dielektrische Schicht 261 und das Elektrodenmaterial 262 eine beliebige geeignete Struktur aufweisen können, wie dies zum Einrichten einer gewünschten Austrittsarbeit und somit Schwellwertspannung der Transistoren erforderlich ist, die in und über dem aktiven Gebiet 202a herzustellen sind. Auch kann das aktive Gebiet 202a eine geeignete Halbleiterlegierung (nicht gezeigt) an einer Oberfläche aufweisen, wenn dies als geeignet oder notwendig erachtet wird, um die entsprechenden Transistoreigenschaften einzustellen. Beispielsweise wird eine derartige Halbleiterlegierung, etwa eine Silizium/Germanium-Legierung, ggf. nur für einige Transistoren bereitgestellt, wenn derartige Transistoren spezielle Schwellwertspannungswerte benötigen.
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Das in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Nach der Herstellung des Isolationsgebiets 202c, das mittels Lithographie-, Ätz-, Abscheide-, Ausheiz- und Einebnungstechniken bewerkstelligt werden kann, wird die grundlegende Dotierstoffkonzentration in dem aktiven Gebiet 202a entsprechend den Eigenschaften des einen oder der mehreren Transistoren erzeugt, die in und über dem aktiven Gebiet 202a herzustellen sind. Dazu werden gut etablierte Implantationstechniken in Verbindung mit Maskierungsschemata angewendet. Daraufhin werden die Gateelektrodenstrukturen 260 hergestellt, indem geeignete Materialien für die Schicht 261 und für zumindest einen Teil des Materials 262 abgeschieden oder generell hergestellt werden, wobei diese Materialien dann bei Bedarf strukturiert werden, um in geeigneter Weise die Austrittsarbeit der Gateelektrodenstrukturen 260 in Bezug zu anderen Gateelektrodenstrukturen in anderen Bauteilbereichen einzustellen. In anderen Fällen ist ein einzelnes Elektrodenmaterial 262 geeignet, um die gewünschten Transistoreigenschaften zu erreichen. Nach dem Abscheiden des Materials 262 und des Deckmaterials 267, möglicherweise in Verbindung mit anderen Materialien, etwa ARC-(antireflektierende Beschichtungs-)Materialien und dergleichen, wird somit ein komplexer Strukturierungsprozess angewendet, um die Gateelektrodenstrukturen 260 mit den gewünschten lateralen Abmessungen zu erzeugen. Beispielsweise ist eine Länge der Gateelektrodenstrukturen 260, d. h. die horizontale Erstreckung des Elektrodenmaterials 262, 40 nm und weniger in komplexen Anwendungen. Es sollte beachtet werden, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen das Deckmaterial 267 in Form eines Materials vorgesehen wird, das im Wesentlichen die gleichen Ätzeigenschaften wie eine Abstandshalterstruktur besitzt, die in einer späteren Fertigungsphase bereitgestellt wird, wenn die tiefen Drain- und Sourcebereiche in dem aktiven Gebiet 202a erzeugt werden.
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2b zeigt schematisch das Bauelement 200 mit einer schützenden Beschichtung 2641, die auf freiliegenden Bereichen des aktiven Gebiets 202a und auf Oberflächenbereichen der Gateelektrodenstrukturen 260 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck werden gut etablierte Abscheidetechniken, etwa Mehrschichtabscheideprozesse, CVD bei geringem Druck (LPCVD) oder eine Kombination davon, angewendet, um ein Siliziumnitridmaterial mit einer Dicke von 1 bis mehrere Nanometer bereitzustellen. Es sollte beachtet werden, dass derartige Abscheidetechniken zur Herstellung eines sehr konformen Siliziumnitridmaterials im Stand der Technik gut bekannt sind.
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2c zeigt schematisch das Bauelement 200 während eines oder mehrerer Implantationsprozesse 203, 204. Beispielsweise werden während des Implantationsprozesses 203 Drain- und Sourcedotiermittel in das aktive Gebiet 202a eingebaut, wodurch Source- und Drainerweiterungsgebiete 252e geschaffen werden. Während des Implantationsprozesses 203 ist daher die schützende Beschichtung 2641 anwesend und bestimmt im Wesentlichen den lateralen Abstand des Eintrittspunktes des Prozesses 203 in Bezug auf das Elektrodenmaterial 262. Auf Grund der äußerst konformen Abscheidung des Materials 2641 ist der Abstand im Wesentlichen durch die anfängliche Schichtdicke von 1 bis mehrere Nanometer bestimmt, wodurch eine gewünschte Überlappung der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete 252e mit dem Elektrodenmaterial 262 auf der Grundlage einer geringeren Implantationsdosis möglich ist. Folglich besitzen die resultierenden pn-Übergänge der Erweiterungsgebiete 252e einen kleineren Konzentrationsgradienten im Vergleich zu konventionellen Transistoren, die auf der Grundlage spezieller Versatzabstandshalter hergestellt werden, etwa auf der Grundlage des Abstandshalters 165, wie er in den 1a und 1b gezeigt ist, so dass auf Grund des reduzierten Gradienten jegliche durch das Gate hervorgerufene Drain-Leckströme verringert werden. Es sollte beachtet werden, dass andere Implantationsparameter, etwa Implantationsenergie, und dergleichen effizient auf die Anwesenheit der Beschichtung 2641 angepasst werden können, um damit die gewünschte Eindringtiefe zu erreichen.
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Daraufhin wird bei Bedarf der weitere Implantationsprozess 204 angewendet, so dass eine gegendotierende Sorte eingebaut wird, um gegendotierte oder Halo-Gebiete 254 zu erzeugen, wobei der Begriff gegendotiert in Bezug auf die Leitfähigkeitsart der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete 252e zu verstehen ist. Auch in diesem Falle ermöglicht der geringere laterale Abstand, der durch die Beschichtung 2641 hergestellt wird, eine geringere Implantationsenergie während des Prozesses 204, wodurch ebenfalls bessere Prozessbedingungen geschaffen werden.
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Nach den Implantationsprozessen 203, 204 geht die Bearbeitung weiter, indem eine Abstandshalterschicht abgeschieden wird, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf der Grundlage eines dielektrischen Materials hergestellt wird, das ähnliche Ätzeigenschaften im Vergleich zu der Schicht 267 besitzt. Beispielsweise wird die Abstandshalterschicht in Form eines Siliziumdioxidmaterials bereitgestellt, das auf Basis gut etablierter Abscheidetechniken aufgebracht wird. Daraufhin wird ein Strukturierungsprozess ausgeführt, in welchem die schützende Beschichtung 2641 effizient als eine Ätzstoppschicht verwendet wird, so dass Seitenwandabstandshalterelemente erzeugt werden.
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2d zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 mit einem Abstandshalter 266, der auf der Beschichtung 2641 ausgebildet ist. Zu diesem Zweck wird eine Prozesssequenz angewendet, wie sie zuvor beschrieben ist. Folglich werden die Positionierung der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete 252e in Bezug auf die Gateelektrodenstruktur 260 und das Strukturieren der Abstandselemente 266 bewerkstelligt, ohne dass ein ausgeprägter Materialverlust des aktiven Gebiets 202a auftritt. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird ein weiterer Implantationsprozess 205a ausgeführt, so dass die Dotierstoffsorte für tiefe Drain- und Sourcebereiche 252d eingebaut wird, was in Anwesenheit der Beschichtung 2641 bewerkstelligt werden kann, wie dies in 2d gezeigt ist. Andererseits definiert das Abstandshalterelement 266 das laterale Profil der tiefen Drain- und Sourcegebiete 252d. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird der Implantationsprozess 205a in dieser Fertigungsphase weggelassen.
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2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, wird die Beschichtung 2641 (siehe 2d) so strukturiert, dass freiliegende Bereiche davon entfernt werden, wodurch eine schützende Beschichtung oder ein Abstandshalterelement 264 mit einem ersten Bereich 264b, der an Seitenwänden der Gateelektrodenstruktur 260 ausgebildet ist und die Materialien 261 und 262 einschließt, erzeugt wird. Ferner umfasst der Abstandshalter oder die Beschichtung 264 einen zweiten Bereich 264a, der auf dem aktiven Gebiet 202a ausgebildet ist, d. h. auf den Erweiterungsgebieten 252e, wobei die laterale Erstreckung des Bereichs 264a im Wesentlichen durch die Breite des Abstandshalters 266 bestimmt ist. Das Strukturieren der Beschichtung 2641 (siehe 2d) kann auf der Grundlage eines „milden” Ätzprozesses bewerkstelligt werden, der beispielsweise auf nasschemischen Ätzchemien oder plasmaunterstützten Ätzrezepten beruht, wobei eine Vielzahl selektiver Ätzrezepte verfügbar ist, um Siliziumnitrid selektiv in Bezug auf Siliziumdioxid und Siliziummaterial zu ätzen. Während des entsprechenden Ätzprozesses wird ein gewisses Maß an Vertiefung, wie dies durch 250y angegeben ist, erzeugt, jedoch zu einem deutlich geringeren Grade im Vergleich zu der ausgeprägten Vertiefung des aktiven Gebiets 102a des Halbleiterbauelements 100, wie es in den 1a und 1b gezeigt ist. Es ist ferner zu beachten, dass die Vertiefung 250y lateral von dem Gateelektrodenmaterial 262 durch den Abstandshalter 266 getrennt ist.
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Wie zuvor mit Bezug zu 2d erläutert ist, wird die Strukturierung der Beschichtung 2641 ausgeführt, nachdem die tiefen Drain- und Sourcebereiche 252 die so eingebaut wurden, dass die Beschichtung weiterhin als ein effizientes Ätzstoppmaterial beim Ausführen mehrerer Maskierungsschritte und Lackabtragungsprozesse dient, wie sie typischerweise zum Einbau der Drain- und Sourcedotiermittel für Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeitsart erforderlich sind. In anderen Fällen wird, wie in 2e gezeigt ist, ein Implantationsprozess 205b zur Herstellung der tiefen Drain- und Sourcebereiche 252d angewendet, nachdem die schützende Beschichtung oder Abstandshalter 264 hergestellt ist. Daraufhin werden ein oder mehrere Ausheizprozesse so angewendet, dass das endgültige vertikale und laterale Dotierstoffprofil eingestellt ist und auch so, dass durch Implantation hervorgerufene Schäden rekristallisiert werden. In diesem Falle wird eine bessere Effizienz insbesondere in der Nähe der Kanalgebiete 251 in Bezug auf die Dotierstoffaktivierung und Rekristallisierung auf Grund der geringeren Implantationsdosis erreicht, die zur Herstellung der Erweiterungsgebiete 252e angewendet wurde.
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2f zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein Ätzprozess 206 so angewendet wird, dass der Abstandshalter 266 abgetragen wird, wobei, wie zuvor erläutert ist, gleichzeitig die dielektrische Deckschicht 267 entfernt wird. Beispielsweise wird der Ätzprozess auf der Grundlage von Flusssäure (HF) ausgeführt, wenn die Komponenten 266 und 267 im Wesentlichen aus Siliziumdioxid aufgebaut sind. In diesem Falle dient der Abstandshalter 264 als ein effizientes Ätzstoppmaterial, wobei auch eine hohe Selektivität in Bezug auf das aktive Gebiete 202a und das Elektrodenmaterial 262 erreicht wird, so dass unerwünschte Materialerosion in diesen Komponenten vermieden wird. Erfindungsgemäß werden in dem Ätzprozess 206 gleichzeitig freiliegende Oberflächenbereiche des aktiven Gebiets 202a und auch das Material 262 für einen nachfolgenden Prozess zur Herstellung eines Metallsilizids aufbereitet, wodurch zu einem sehr effizienten Gesamtfertigungsablauf beigetragen wird. Gleichzeitig führt das Entfernen der Abstandshalterstruktur 266 zu einer Zunahme des Abstandes zwischen den Gateelektrodenstrukturen 260. Andererseits bietet der L-förmige Abstandshalter 264 dennoch eine effiziente Silizidierungsmaske, um den lateralen Abstand eines Metallsilizidmaterials festzulegen, das in den Drain- und Sourcegebieten 252 herzustellen ist.
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2g zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist die grundlegende Struktur der Transistoren 250a, 250b fertiggestellt, d. h. ein Metallsilizid 253 ist in den Drain- und Sourcegebieten 252 hergestellt und ein Metallsilizid 263 ist auch in den Gateelektrodenstrukturen 260 eingebaut. Dazu wird eine geeignete Silizidierungstechnik angewendet. Wie zuvor erläutert ist, ist der laterale Abstand des Metallsilizidgebiets 253 im Wesentlichen durch den Bereich 264a der Beschichtung oder des Abstandshalters 264 festgelegt. Ferner kann bei vorgegebener geometrischer Konfiguration des Bauelements 200 ein lateraler Zwischenraum zwischen den Gateelektrodenstrukturen 260 vergrößert werden, wie dies durch den lateralen Abstand 250x angegeben ist, durch das vollständige Entfernen des Abstandshalterelements 266 (siehe 2e) und auf Grund des Fehlens jeglicher weiterer Abstandshalterelemente, etwa von Versatzabstandshaltern, wie sie in der konventionellen Vorgehensweise in Form der Abstandshalterelemente 165 (siehe 1a, 1b) verwendet werden. Während eines nachfolgenden Abscheideprozesses werden daher deutlich weniger kritische Oberflächenbedingungen angetroffen, was zu einer wesentlich weniger ausgeprägten Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von durch Abscheidung hervorgerufenen Unregelmäßigkeiten führt. Ferner ist, wie zuvor angegeben ist, die Vertiefung 250y deutlich weniger ausgeprägt im Vergleich zu den konventionellen Strategien, wodurch eine größere Dicke des Metallsilizidgebiets 253 möglich wird, was wiederum einen besseren Kontaktwiderstand ergibt.
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2h zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine erste dielektrische Schicht 221 einer Kontaktebene 220 über dem aktiven Gebiet 202a und den Gateelektrodenstrukturen 260 ausgebildet. Auf Grund des größeren Abstandes 250x kann die Schicht 221 mit einer gewünschten Schichtdicke bei deutlich geringerer Wahrscheinlichkeit des Erzeugens jeglicher Hohlräume hergestellt werden, die konventioneller Weise zu ausgeprägten Ausbeuteverlusten auf Grund vergrabener Wolframkanäle führen, wie dies zuvor erläutert ist. Somit kann ein weiteres dielektrisches Material 222 zuverlässig auf der Grundlage der Materialschicht 221 strukturiert werden und es können nachfolgend Kontaktöffnungen erzeugt werden, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist. Zu beachten ist, dass in einigen anschaulichen Ausführungsformen zumindest die Materialschicht 221 mit einem hohen inneren Verspannungspegel bereitgestellt wird, um damit das Leistungsvermögen der Transistoren 250a, 250b weiter zu verbessern, wobei eine größere Menge an verspannten Material auf Grund des größeren Abstandes 250x vorgesehen werden kann, oder wobei für eine gegebene Schichtdicke die Wahrscheinlichkeit des Erzeugers von durch die Abscheidung hervorgerufenen Hohlräumen deutlich verringert werden kann.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Fertigungstechniken für Halbleiterbauelemente bereit, in denen das Weglassen eines Versatzabstandshalters zum Profilieren der Drain- und Sourceerweiterungsgebiete in Verbindung mit einem effizienten Entfernen des Abstandshalters, der zur Herstellung der tiefen Drain- und Sourcebereiche verwendet wird, zu einer endgültigen Transistorgeometrie führt, die deutlich die Beschränkungen für das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials, etwa eines stark verspannten dielektrischen Materials, abmildert. Gleichzeitig wird der Siliziumverlust in dem aktiven Gebiet deutlich verringert und dieser tritt weiter weg von dem Kanalgebiet auf, sodass ebenfalls zu besseren elektrischen Bauteileigenschaften beigetragen wird. Da die Prozessschritte, etwa das Abscheiden eines Versatzabstandshaltermaterials und dessen Strukturierung weggelassen werden können, wird schließlich der Gesamtdurchsatz des Herstellungsprozesses erhöht. Somit können Transistoren mit hohem Leistungsvermögen für Anwendungen bei geringer Leistungsaufnahme mit verbesserten Eigenschaften und hoher Produktionsausbeute bei größerem Durchsatz bereitgestellt werden.
