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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung moderne integrierte Schaltungen mit Hochleistungstransistoren, die auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε hergestellt sind.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPUs, Speicherbauelementen, ASICS (anwendungsspezifischen integrierten Schaltungen) und dergleichen, macht es erforderlich, dass eine große Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau hergestellt wird, 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 mit Feldeffekttransistoren die MOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung beispielsweise der MOS-Technologie werden Millionen 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 einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet gebildet sind, etwa einem Kanalgebiet, 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 u. a. von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet wird. Somit 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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Gegenwärtig beruht der Hauptteil komplexer integrierter Schaltungen auf Silizium auf Grund dessen nahezu unbegrenzter Verfügbarkeit, auf Grund der gut verstandenen Eigenschaften von Silizium und zugehörigen Materialien und Prozessen und auf Grund der Erfahrung, die über die letzten 50 Jahre gewonnen wurde. Daher bleibt Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit das Material der Wahl für künftige Schaltungsgenerationen, die für Massenprodukte gedacht 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 Isolierung 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 eingesetzt, die die Gateelektrode, die häufig aus Polysilizium aufgebaut ist, von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des Leistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des Kanalgebiets stetig verringert, um 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, um damit den gewünschten Durchlassstrom bei einer vorgegebenen Versorgungsspannung bereitzustellen, muss ein gewisser Grad an kapazitiver Kopplung aufrecht erhalten werden, die durch den Kondensator vermittelt wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es erweist sich, dass eine Verringerung der Kanallänge eine größere kapazitive Kopplung erfordert, um das sogenannte Kurzkanalverhalten während des Transistorbetriebs zu vermeiden. Das Kurzkanalverhalten kann zu einem erhöhten Leckstrom unter einer ausgeprägten Abhängigkeit der Schwellwertspannung von der Kanallänge führen. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer reduzierten Schwellwertspannung zeigen eine exponentielle Zunahme der Leckströme, wenn die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend verringert wird, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gate und dem Kanalgebiet zu erzeugen. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von ungefähr 0,08 μm ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl generell Hochgeschwindigkeitstransistoren mit einem extrem kurzen Kanal vorzugsweise für Hochgeschwindigkeitsanwendungen eingesetzt werden, wohingegen Transistoren mit einem längeren Kanal für weniger kritische Anwendungen verwendet werden, etwa als Speichertransistoren und dergleichen, 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 eine Beschränkung des Leistungsverhaltens von Schaltungen darstellen. D. h., die Produktzuverlässigkeit und die Lebensdauer sind wesentlich mit den Kurzkanaleffekten korreliert, d. h. mit der Stoßionisation und dem Einfang energiereicher Ladungsträger (HCl) in Verbindung mit ausgeprägten Gateleckströmen.
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Eine weitere Verringerung der Dicke gut etablierter konventioneller dielektrischer Materialien, etwa von stickstoffangereichertem Siliziumdioxid, ist somit nicht mehr kompatibel mit den Anforderungen für Hochleistungshalbleiterbauelemente. Aus diesem Grunde wurden andere Strategien vorgeschlagen und diese werden zunehmend in komplexen Fertigungstechniken implementiert. Beispielsweise wurde vorgeschlagen, sogenannte dielektrische Materialien mit ε zu verwenden, die als elektrische Materialien zu verstehen sind, die eine deutlich höhere Dielektrizitätskonstante im Vergleich zu stickstoffangereichertem Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen besitzen. In dieser Anmeldung ist ein dielektrisches Material mit großem ε als ein dielektrisches Material zu verstehen, das eine Dielektrizitätskonstante von 10,0 oder höher besitzt. Beispielsweise können viele Metalloxide, Metallsilikate und dergleichen als effiziente dielektrische Materialien beispielsweise in Form von Hafniumoxid, Zirkonoxid und dergleichen verwendet werden. Es zeigt sich jedoch, dass ein einfaches Ersetzen eines konventionellen Gatedielektrikumsmaterials durch ein dielektrisches Material mit großem ε zum Erreichen einer Oxidäquivalenzdicke von ungefähr 1 nm und weniger mit einer physikalischen Dicke, die geeignet ist zum Reduzieren der gesamten Gateleckströme, insgesamt zu einem reduzierten Gesamttransistorleistungsverhalten führen kann. Beispielsweise wurde eine ausgeprägte Mobilitätsbeeinträchtigung in Transistoren beobachtet, die auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε hergestellt sind, wobei dieses Material direkt auf einem Siliziumbasismaterial des Kanalgebiets aufgebracht ist. In ähnlicher Weise wurde eine reduzierte Zuverlässigkeit, d. h. eine reduzierte Messdauer und eine ausgeprägte Variabilität der Transistoreigenschaften beobachtet. Aus diesem Grunde wird ein konventionelles. dielektrisches Material, etwa Siliziumdioxidmaterial, in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε vorgesehen, um bessere Grenzflächeneigenschaften zu schaffen, wobei im Hinblick auf das Erreichen einer hohen kapazitiven Kopplung, es wünschenswert ist, die Dicke des Siliziumoxidbasismaterials möglichst gering zu halten. Beispielsweise wird eine Schichtdicke von 0,8 nm oder weniger, was nur noch wenigen Atomschichten entspricht, auf der Grundlage komplexer nasschemischer Oxidationstechniken eingerichtet, die somit für einen gut steuerbaren und selbstbegrenzenden Prozessablauf sorgen. Andererseits führen gut etablierte thermische Oxidationstechniken, etwa Oxidationsprozesse, die in einer oxidierenden Gasatmosphäre ausgeführt werden, wie sie typischerweise zur Herstellung konventioneller Gatedielektrikumsmaterialien in gut steuerbarer Weise eingesetzt werden, zu einer größeren Schichtdicke führen, wodurch die kapazitive Kopplung verringert wird, die in Verbindung mit einem speziellen dielektrischen Material mit großem ε erreicht wurde. Typischerweise führt eine thermische Oxidation zu einer Schichtdicke eines Siliziumoxidmaterials, die ungefähr 0,2 bis 0,4 nm (2 bis 4 Angstrom) größer ist im Vergleich zu einem Oxidmaterial, das auf der Grundlage komplexer nasschemischer Oxidationsprozesse erzeugt wird. Andererseits zeigt sich, dass generell die Grenzflächeneigenschaften eines nasschemisch oxidierten Basismaterials in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε schlechter sind im Vergleich zu thermisch aufgewachsenen Oxidmaterialien, was zu einer erhöhten Schwellwertspannung insbesondere für p-Kanaltransistoren auf Grund der zuvor genannten parasitären Degradationsmechanismen führen kann. Beispielsweise kann insbesondere der Einbau von Grenzflächenzuständen zu instabilen und unerwünscht hohen Schwellwertspannungen von p-Kanaltransistoren führen, wenn komplexe nasschemische Oxidationstechniken in Verbindung mit dielektrischen Materialien mit großem ε, etwa in Verbindung mit Hafniumoxid, angewendet werden. Daher werden in einigen konventionellen Vorgehensweisen zusätzliche Ausheizprozesse implementiert, die zu großen Einschränkungen im Hinblick auf die gesamte Prozessflexibilität führen können, wie dies nachfolgend mit Bezug zu den 1a bis 1g beschrieben ist.
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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, etwa ein Halbleitermaterial oder ein anderes geeignetes Trägermaterial, über welchem eine Halbleiterschicht 102 vorgesehen ist, die eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration mit dem Substrat 101 bilden kann, wenn ein vergrabenes isolierendes Material (nicht gezeigt) direkt unter der Halbleiterschicht 102 ausgebildet ist, während in anderen Fällen eine Vollsubstratkonfiguration, durch die Komponenten 101, 102 erzeugt wird, wenn die Halbleiterschicht 102 ein Teil eines kristallinen Halbleitermaterials des Substrats 101 ist. Die Halbleiterschicht 102 ist typischerweise lateral in eine Vielzahl aktiver Gebiete unterteilt, die als Halbleitergebiete zu verstehen sind, in und über welchen ein oder mehrere Transistoren herzustellen sind. Beispielsweise ist in 1a ein einzelnes aktives Gebiet 102a gezeigt und dieses entspricht einem Transistor 150, etwa einem p-Kanaltransistor. Folglich sind geeignete Drain- und Sourcegebiete 151 in dem aktiven Gebiet 102a gemäß den gesamten Transistoranforderungen eingebaut. Ferner ist eine Gateelektrodenstruktur 160 auf dem aktiven Gebiet 102a ausgebildet und repräsentiert gemäß gut etablierten Prozesstechniken eine Platzhaltergateelektrodenstruktur, die in die eigentliche Gateelektrodenstruktur während der weiteren Bearbeitung „umgewandelt” wird. Derartige Fertigungsstrategien werden häufig als Austauschgateverfahren bezeichnet. In dem in 1a gezeigten Stadium enthält die Gateelektrodenstruktur 160 ein dielektrisches Material 161, das auf dem aktiven Gebiet 102a in Verbindung mit einem Platzhaltermaterial 162, etwa ein Polysiliziummaterial und dergleichen ausgebildet ist. Ferner ist eine geeignete Abstandshalterstruktur 163 gemäß den gesamten Prozess- und Bauteilanforderungen vorgesehen. Zumindest ein Teil einer Kontaktebene 120 ist in dieser Fertigungsphase vorgesehen und umfasst ein erstes dielektrisches Material 121, etwa ein Siliziumnitridmaterial, das häufig auch als ein Ätzstoppmaterial bezeichnet wird. Ferner ist ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 122, etwa in Form eines Siliziumdioxidmaterials, so vorgesehen, dass es den Transistor 150 lateral umschließt und passiviert.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken hergestellt werden, in denen das aktive Gebiet 102a hergestellt wird, indem geeignete Isolationsgebiete 102c geschaffen werden, die somit die entsprechenden aktiven Gebiete lateral begrenzen. Zu diesem Zweck werden komplexe Prozesstechniken angewendet, wenn beispielsweise flache Grabenisolationen erzeugt werden. Vor oder nach der Herstellung des Isolationsgebiets 102c wird die geeignete grundlegende Dotierstoffkonzentration in das aktive Gebiet 102a eingeführt, und daraufhin wird die Gateelektrodenstruktur 160 hergestellt, beispielsweise durch Bereitstellen des dielektrischen Materials 161, etwa in Form eines Siliziumdioxidmaterials, das durch Anwenden gut etablierter thermischer Oxidationstechniken hergestellt werden kann, wie dies zuvor erläutert ist, während in anderen Fällen das Material 161 abgeschieden wird. Daraufhin wird ein geeignetes Platzhaltermaterial 162, etwa Polysilizium und dergleichen abgeschieden und es werden weitere Materialien, etwa Hartmaskenmaterialien (nicht gezeigt) und dergleichen vorgesehen und schließlich so strukturiert, dass die Gateelektrodenstruktur 160 mit den gewünschten lateralen Abmessungen erzeugt wird. Beispielsweise wird eine Länge der Gateelektrodenstruktur 160, d. h. in 1a die horizontale Erstreckung des Materials 162, 50 nm und deutlich weniger in komplexen Halbleiterbauelementen. Daraufhin wird die Abstandshalterstruktur 163 in Verbindung mit den Drain- und Sourcegebieten 151 vorgesehen, was durch gut etablierte Prozesstechniken bewerkstelligt werden kann. Als nächstes werden die dielektrischen Materialien der Kontaktebene 120 aufgebracht, beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD (chemische Dampfabscheidung), woran sich eine Einebnungssequenz anschließt, in der schließlich eine Oberfläche des Materials 162 so freigelegt wird, dass das Entfernen des Materials 162 auf der Grundlage eines geeigneten hochselektiven Ätzprozesses möglich ist. Dazu werden nasschemische Chemien, plasmaunterstützte Ätzchemien und dergleichen angewendet.
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Es sollte beachtet werden, dass im Hinblick auf das Herstellen eines komplexen dielektrischen Materials mit großem ε in der Gateelektrodenstruktur 160 gewisse Einschränkungen berücksichtigt werden müssen, um beispielsweise temperaturempfindliche Materialien und dergleichen zu vermeiden, da weitere Ausheizprozesse erforderlich sind, wenn das dielektrische Material mit großem ε eingebaut wird, um bessere Grenzflächeneigenschaften zu schaffen, wobei dies mit der Implementierung eines nasschemischen Oxidationsprozesses in Verbindung mit einem dielektrischen Material mit großem ε einhergehen kann. Beispielsweise werden in vielen konventionellen Austauschgateverfahren entsprechende Kontaktgebiete in den Drain- und Sourcegebieten 151 in einer späteren Fertigungsphase hergestellt, beispielsweise in Form eines Metallsilizids, da typischerweise diese Materialien nicht mit dem Ausführen von Hochtemperaturausheizprozessen verträglich sind.
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1b zeigt schematisch das Bauelement 100 gemäß einigen anschaulichen Prozessstrategien, in denen ein Ätzprozess 103 so angewendet wird, dass die Schicht 161 entfernt wird und eine Oberfläche 102s des aktiven Gebiets 102a freigelegt wird. Der Prozess 103 wird auf der Grundlage gut etablierter nasschemischer Ätztechniken ausgeführt, die ein hohes Maß an Selektivität besitzen, ohne dass die Qualität der Oberfläche 102s nennenswert beeinträchtigt wird. Bei Bedarf können zusätzliche Prozesse angewendet werden, etwa Ausheizprozesse und dergleichen, um die Qualität der Oberfläche 102s vordem Herstellen einer sehr dünnen Siliziumoxidschicht auf der Grundlage nasschemischer Oxidationsprozesse zu verbessern.
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1c zeigt schematisch das Bauelement 100 während eines. nasschemischen Oxidationsprozesses 104, der auf der Grundlage gut etablierter Chemikalien ausgeführt wird, wobei dies zu einem gut steuerbaren und sogar selbstbegrenzenden Oxidationsverhalten führt, wodurch ein dielektrisches Material 164a auf der freiliegenden Oberfläche 102s mit einer Dicke von 0,8 nm (8 Angstrom) oder weniger abhängig von den Gegebenheiten des Oxidationsprozesses 104 erzeugt wird.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der ein gut steuerbarer Abscheideprozess 105 angewendet wird, um eine Schicht aus einem dielektrische Material mit großem ε 164b auf jeglichen freiliegenden Oberflächenbereichen des Bauelements 100 und somit auch auf der zuvor hergestellten Oxidationsschicht 164a zu erzeugen. Dazu werden gut etablierte CVD-artige Prozesstechniken, etwa ALD (Atomlagenabscheidung), was eine selbstbegrenzende Abscheideprozesstechnik ist, die für gewöhnlich auf der Grundlage unterschiedlicher Vorstufenmaterialien und dergleichen beruht, angewendet. Beispielsweise wird Hafniumoxid mit einer Dicke von 1 nm oder höher aufgebracht, um damit die gewünschte physikalische Dicke zu schaffen, wobei dennoch eine gewünschte Oxidäquivalenzdicke von ungefähr 1 nm oder weniger erreicht wird. Zu beachten ist, dass eine Oxidäquivalenzdicke als eine Dicke zu verstehen ist, die die gleiche statische kapazitive Kopplung wie eine Oxidschicht erzeugt.
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1e zeigt eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs des Halbleiterbauelements 100. Wie zuvor erläutert ist, sind generell die Grenzflächeneigenschaften, d. h. die Eigenschaften der Oberfläche 102s, beeinträchtigt auf Grund der Herstellung der Oxidschicht 164a auf der Grundlage nasschemischer Oxidationstechniken in Verbindung mit der Abscheidung des Materials 164b. Aus diesem Grunde wird in einigen Strategien ein Hochtemperaturausheizprozess 106 typischerweise angewendet, beispielsweise nach dem Abscheiden des dielektrischen Materials mit großem ε 164b, um damit die gesamten Grenzflächeneigenschaften zu verbessern, so dass die schließlich erreichte Schwellwertspannung verringert wird, wobei auch die Zuverlässigkeit und die Stabilität des Gatedielektrikumsmaterials 164 erhöht werden, das aus der Oxidschicht 164a und der dielektrischen Materialschicht mit großem ε 164b hergestellt wird. Zu diesem Zweck werden typischerweise Temperaturen von bis zu 1000°C angewendet, die die gesamten Grenzflächeneigenschaften wesentlich verbessern, was jedoch auch zu einer gewissen Verschiebung der Eigenschaften des Gatedielektrikumsmaterials 164 führt.
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1f zeigt schematisch das Bauelement 100 nach dem Hochtemperaturausheizprozess 106 aus 1e. Es wurde beobachtet, dass, obwohl die Grenzflächenstabilität und die Zuverlässigkeit verbessert werden, eine Zunahme der elektrisch wirksamen Dicke, die durch 164i bezeichnet ist, des Gatedielektrikumsmaterials 164 beobachtet wird. Die Dicke 164i ist als die Oxidäquivalenzdicke in einem Zustand zu verstehen, in welchem ein leitender Kanal 153 sich an oder in der Nähe der Oberfläche 102s ausbildet, wie dies durch die Ladungsträger 163e angegeben ist. D. h., wie schematisch durch eine größere Dicke der Schicht 164a angezeigt ist, wird generell die Grenzflächendicke des Gatedielektrikumsmaterials 164 um einige Angstrom größer, wodurch die Dicke 164i im Vergleich zu der Situation anwächst, bevor der Hochtemperaturausheizprozess 106 aus 1e angewendet wurde.
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1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, sind metallenthaltende Elektrodenmaterialien 165 auf dem Gatedielektrikumsmaterial 164 ausgebildet und werden typischerweise verwendet, um eine geeignete Austrittsarbeit einzustellen und um einen geeigneten Fertigungsprozess für das Festlegen von Austrittsarbeitswerten und damit von Schwellwertspannungswerten für Transistoren unterschiedlicher Leitfähigkeitsart oder generell Transistoren unterschiedlicher Eigenschaften zu ermöglichen. Beispielsweise wird häufig ein Stapel aus Schichten mit Titannitrid, Tantalnitrid, Tantal und dergleichen verwendet. Beispielsweise wird eine Titannitridschicht 165a mit einer Dicke von 2 nm und weniger aufgebracht, woran sich eine Tantalnitridschicht 165b mit einer Dicke von 2 nm oder weniger anschließt und auch eine Titannitriddeckschicht 165c vorgesehen wird, die eine Dicke von 5 bis 10 nm besitzt. Der Schichtstapel 165 kann auf der Grundlage gut etablierter ALD-Techniken und dergleichen hergestellt werden. Daraufhin wird ein gut leitendes Elektrodenmetall 169, beispielsweise in Form von Aluminiumlegierungen und dergleichen, abgeschieden, woran sich ein Materialabtragungsprozess, etwa ein CMP-Prozess, anschließt, in welchem die leitenden Schichten 165, 169 von horizontalen Bauteilbereichen abgetragen werden, wodurch die Gateelektrodenstruktur 160 als ein elektrisch isoliertes Element bereitgestellt wird, das eine bessere Leitfähigkeit und eine erhöhte kapazitive Kopplung auf Grund des Vorsehens des dielektrischen Materials mit großem ε 164 besitzt. Es zeigt sich jedoch, dass die zuvor beschriebene Prozesssequenz zwar zu einer besseren Grenzflächenqualität des Gatedielektrikumsmaterials im Vergleich zu extrem dünnen nasschemisch oxidierten Schichten ohne einen Hochtemperaturausheizprozess führt, die schließlich erreichte Steuerspannung und die erreichten Transistoreigenschaften jedoch wenig wünschenswert sind, während obendrein ausgeprägte Beschränkungen im Hinblick auf die gesamte Prozessflexibilität in Zusammenhang mit dem Hochtemperaturausheizprozess verknüpft sind.
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Die
US 2011/0053381 A1 offenbart Verfahren zum Modifizieren von Siliziumoxidschichten, die mittels CVD-Verfahren abgeschieden wurden, mit einem Plasma.
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Die
US 2006/0166425 A1 offenbart Verfahren zum Modifizieren von Gatedielektrikumschichten mittels einer Schlitzebenen-Antenne (Slot Plane Antenna (SPA)).
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Im Hinblick auf die zuvor beschriebene Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Fertigungstechniken bereitzustellen, in denen komplexe dielektrische Materialien mit großem ε verwendet werden, wobei eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in der Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die vorliegende Erfindung
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Generell stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken bereit, in denen eine geringe Schwellwertspannung und hohe Zuverlässigkeitswerte erreicht werden, während gleichzeitig eine gewünschte geringe elektrisch wirksame Oxidäquivalenzdicke eingestellt wird. Dazu wird ein Gatedielektrikumsmaterial mit großem ε auf der Grundlage eines thermisch aufgewachsenen Basisdielektrikumsmaterials hergestellt, beispielsweise wird dieses auf der Grundlage eines thermischen Oxidationsprozesses erzeugt, so dass anfänglich bessere Grenzflächeneigenschaften bereitgestellt werden, wohingegen die endgültige Äquivalenzdicke durch Ausführen eines zusätzlichen Ausheizprozesses bei geringer Temperatur in Anwesenheit zumindest des dielektrischen Materials mit großem ε eingestellt wird, wodurch die Äquivalenzdicke weiter verringert wird, ohne dass die gesamten Grenzflächeneigenschaften negativ beeinflusst werden. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wird der Ausheizprozess mit geringer Temperatur in einer reduzierenden Prozessatmosphäre ausgeführt, während in anderen Fällen zusätzlich oder alternativ zu der reduzierenden Umgebung ein Plasma mit einem hohen Grade an Gleichmäßigkeit und mit einer geringeren Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von plasmainduzierten Schäden eingerichtet wird, beispielsweise unter Anwendung von Schlitzebenenantennen-(Slot Plane Antennae (SPA))Ausheizprozessen. Auf diese Weise kann das dielektrische Material mit großem ε auf der Grundlage deutlich geringerer Prozesstemperaturen hergestellt werden, wodurch eine höhere Flexibilität bei der Gestaltung des gesamten Prozessablaufs ermöglicht wird.
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Ein anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Ausführen eines Oxidationsprozesses in einer gasartigen oxidierenden Atmosphäre, so dass eine Oxidschicht aus einer freiliegenden siliziumenthaltenden Oberfläche eines Halbleiterbauelements erzeugt wird. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer Schicht aus einem dielektrischen Material mit großem ε auf der Oxidschicht. Ferner umfasst das Verfahren das Ausführen einer Wärmebehandlung in Anwesenheit des dielektrischen Materials mit großem ε bei einer Temperatur von 500°C und weniger, um eine Gatedielektrikumsmaterial aus der Oxidschicht und der Schicht aus dielektrischem Material mit großem ε zu erzeugen. Des weiteren umfasst das Verfahren das Bilden einer Gateelektrodenstruktur eines Feldeffekttransistors auf der Grundlage des Gatedielektrikumsmaterials.
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Ein weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren betrifft die Herstellung eines dielektrischen Materials mit großem ε. Das Verfahren umfasst das Bilden einer ersten dielektrischen Schicht auf einer freiliegenden siliziumenthaltenden Halbleiteroberfläche in einer gasartigen reaktiven Prozessatmosphäre. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden einer dielektrischen Schicht mit großem ε auf der ersten dielektrischen Schicht. Des weiteren umfasst das Verfahren das Ausführen eines Ausheizprozesses in Anwesenheit der dielektrischen Schicht mit großem ε in einer reduzierten Atmosphäre bei einer Temperatur von 500°C oder weniger.
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Ein noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Freilegen einer oberen Fläche eines Platzhaltermaterials einer Gateelektrodenstruktur des Halbleiterbauelements. Ferner umfasst das Verfahren das Entfernen des Platzhaltermaterials derart, dass eine siliziumenthaltende Oberfläche eines Halbleitergebiets freigelegt wird. Das Verfahren umfasst des weiteren das Bilden eines Gatedielektrikumsmaterials auf der siliziumenthaltenden Oberfläche durch thermisches Oxidieren der siliziumenthaltenden Oberfläche durch Bilden einer dielektrischen Schicht mit großem ε auf der oxidierten siliziumenthaltenden Oberfläche und durch Ausführen eines Ausheizprozesses in Anwesenheit der dielektrischen Schicht mit großem ε. Das Verfahren umfasst ferner das Bilden eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials über dem Gatedielektrikumsmaterial.
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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 folgenden detaillierten Beschreibung hervor, wenn dies mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird, in denen:
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1a bis 1g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen zeigen, wenn eine komplexe Metallgateelektrodenstruktur mit großem ε auf der Grundlage eines Austauschgateverfahrens unter Anwendung eines Hochtemperaturausheizprozesses hergestellt wird, um Grenzflächeneigenschaften gemäß konventioneller Strategien zu verbessern;
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2a bis 2c schematisch Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements während einer Fertigungssequenz zeigen, in der ein dielektrisches Material mit großem ε auf der Grundlage eines dielektrischen Basismaterials hergestellt wird, das wiederum durch Anwenden einer gasförmigen Prozessatmosphäre, etwa einer oxidierenden Atmosphäre, in Verbindung mit einem Ausheizprozess bei geringer Temperatur in Anwesenheit eines dielektrischen Materials mit großem ε gemäß anschaulichen Ausführungsformen hergestellt wird;
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2d schematisch das Halbleiterbauelement gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigt, in denen eine Gateelektrodenstruktur 260 auf der Grundlage des dielektrischen Materials mit großem ε bereitgestellt wird, das die bessere Äquivalenzdicke und die besseren Grenzflächeneigenschaften besitzt;
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2e und 2f schematisch Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß anschaulichen Ausführungsformen zeigen, wobei ein Gatedielektrikumsmaterial mit großem ε in einer späteren Fertigungsphase im Zusammenhang mit einem Austauschgateverfahren hergestellt wird, wobei eine bessere Prozessflexibilität bei der Herstellung temperaturempfindlicher Materialien erreicht wird; und
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2g schematisch eine Querschnittsansicht des Halbleiterbauelements gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen zeigt, in denen temperaturempfindliche Materialien, etwa Metallsilizide, selbstjustierte Kontaktelemente und dergleichen, vor dem Einbau eines komplexen Gatedielektrikumsmaterials mit großem ε auf der Grundlage von zuvor beschriebenen Prozessstrategien hergestellt werden.
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Detaillierte Beschreibung
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Generell stellt die vorliegende Erfindung Fertigungstechniken bereit, in denen komplexe dielektrische Materialien mit großem ε, wie sie für Gatedielektrika, Kondensatordielektrika und dergleichen, verwendet werden, auf der Grundlage eines konventionellen dielektrischen Basismaterials mit besseren Grenzflächeneigenschaften in Verbindung mit einer geeigneten dielektrischen Schicht mit großem ε hergestellt werden, wobei ein nachfolgender Ausheizprozess mit geringer Temperatur so angewendet wird, dass die elektrisch äquivalente Dicken des resultierenden dielektrischen Materials mit großem ε verringert wird, wobei dennoch die ausgeprägte Grenzflächenqualität und die bessere Zuverlässigkeit des resultierenden dielektrischen Materials mit großem ε beibehalten werden, was sich somit auch in einer besseren Zuverlässigkeit der Transistoren und einer verbesserten Schwellwertspannungsstabilität ausdrückt, wobei generell die elektrisch effektive Äquivalenzdicke kleiner ist im Vergleich zu äußerst komplexen konventionellen Dielektrikumsmaterialien. Dazu wird das Basismaterial auf der Grundlage eines thermisch aktivierten Prozesses, eines Oxidationsprozesses, hergestellt, möglicherweise in Verbindung mit einem Nitrierungsprozess unter Anwendung geeigneter Prozesstemperaturen, die deutlich geringer sein können im Vergleich zu Hochtemperaturausheizprozessen, wie sie typischerweise in konventionellen Prozessstrategien eingesetzt werden, in denen eine chemisch oxidierte Oberflächenschicht Temperaturen bis zu 1000°C ausgesetzt wird. Beispielsweise ist eine Vielzahl gut steuerbarer Oxidations- und/oder Nitrierungsprozesse auf der Grundlage von Temperaturen von 500°C und deutlich weniger verfügbar, so dass eine geeignete dielektrische Materialschicht mit guter Grenzflächenqualität während einer beliebigen gewünschten Fertigungsphase hergestellt werden kann, beispielsweise nach der Herstellung jeglicher anderer empfindlicher Materialien, etwa von Metallsiliziden, Kontaktmaterialien und dergleichen. Es sollte beachtet werden, dass im Zusammenhang mit dieser Anmeldung eine thermische Oxidation oder generell ein thermisch aktivierter Prozess, der in einer „gasförmigen” Atmosphäre ausgeführt wird, als eine thermische Oxidation und/oder ein Nitrierungsprozess zu verstehen ist, wobei zumindest die Komponenten Sauerstoff und/oder Stickstoff als Gaskomponenten in die Prozessatmosphäre zugeführt werden, ohne dass reaktive Prozessflüssigkeiten vorgesehen werden, wie sie typischerweise in chemischen Oxidationsprozessen eingesetzt werden.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Ausheizprozess mit geringer Temperatur, der auf die thermisch aufgewachsene Basisschicht und die dielektrische Schicht mit großem ε angewendet wird, bei einer Temperatur von 500°C und weniger und in speziellen Ausführungsformen bei einer Temperatur von 300°C und weniger ausgeführt, wobei zusätzlich eine reduzierende Prozessumgebung eingerichtet wird. Beispielsweise wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen Sauerstoff der Prozessatmosphäre in Gasform in Verbindung mit Stickstoff und/oder Wasserstoff zugesetzt, so dass eine ausgeprägte Verringerung der elektrisch wirksamen Äquivalenzdicke des resultierenden dielektrischen Materials mit großem ε erreicht wird, während die gute Grenzflächenqualität beibehalten wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Ausheizprozess mit geringer Temperatur in Form eines Plasmaprozesses mit Schlitzebenenantennen (SPA) ausgeführt, wofür geeignete Prozessanlagen verfügbar sind, beispielsweise von TEL. Generell wird in einem SPA-Ausheizprozess ein Plasma durch eine spezielle Konfiguration der Antenne unter Anwendung von Hochfrequenzenergie eingerichtet, die eine Frequenz von mehreren GHz besitzt, so dass generell eine sehr geringe Elektronentemperatur in der Nähe der Substratoberfläche, die zu behandeln ist, erreicht wird. Auf diese Weise können plasmainduzierte Schäden deutlich reduziert werden, während gleichzeitig sehr gleichmäßige Prozessbedingungen über die Substrate, etwa 300 mm Substrate und dergleichen, hinweg geschaffen werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird ein entsprechender plasmainduzierter thermischer Oxidationsprozess angewendet, wobei sogar Temperaturen von 200°C und weniger angewendet werden, wodurch eine ausgeprägte Verringerung der elektrisch wirksamen Äquivalenzdicke im Vergleich zu dem anfänglichen Schichtstapel erreicht wird, der das thermisch aufgewachsene Basismaterial und die dielektrische Schicht mit großem ε enthält.
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In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird ein entsprechendes SPA-Prozessschema auch bei der Herstellung des dielektrischen Basismaterials auf einer freiliegenden siliziumenthaltenden Oberfläche angewendet, wodurch eine bessere Gleichmäßigkeit und gut steuerbare Prozessbedingungen geschaffen werden, während gleichzeitig sehr geringe Prozesstemperaturen eingesetzt werden, wodurch die gesamte Flexibilität bei der Implementierung des Prozesses für die Herstellung komplexer dielektrischer Materialien mit großem ε in dem gesamten Prozessablauf deutlich erhöht wird.
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In einigen anschaulichen hierin offenbarten Ausführungsformen wir das Erzeugen eines Gatedielektrikumsmaterials mit großem ε mit dem Abscheiden eines geeigneten Elektrodenmaterials kombiniert, beispielsweise in Form von Titannitrid und dergleichen, wobei eine nicht gesteuerte Einwirkung von Sauerstoff und Stickstoff vermieden oder zumindest deutlich reduziert wird, indem der Ausheizprozess mit geringer Temperatur in Anwesenheit zumindest eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials ausgeführt wird, das in-situ in Bezug auf das dielektrische Material mit großem ε abgeschieden wird.
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Mit Bezug zu den 2a bis 2g werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben, wobei auch bei Bedarf auf die 1a bis 1g verwiesen wird.
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2a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in einer Prozessphase, in der ein dielektrisches Material mit großem ε auf einer freiliegenden kupferenthaltenden Oberfläche herzustellen ist. Wie gezeigt, umfasst das Bauelement 200 ein Substrat 201 und eine Halbleiterschicht 202, die eine gewisse Menge an Silizium aufweist, um damit eine siliziumenthaltende Oberfläche 202s bereitzustellen. Wie zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 erläutert ist, können die Halbleiterschicht 202 und das Substrat 201 eine SOI-Konfiguration oder eine Vollsubstratkonfiguration bilden, wie dies erforderlich ist. Ferner, wie zuvor erläutert ist, umfasst die Halbleiterschicht 202 mehrere aktive Gebiete, wobei der Einfachheit halber ein einzelnes aktives Gebiet 202a in 2a gezeigt ist. In der gezeigten Prozessphase wird ferner eine dielektrische Basisschicht 264a, beispielsweise eine Oxidschicht, während eines thermisch aktivierten Prozesses 207 in einer Gasprozessatmosphäre 207a hergestellt. Wie zuvor erläutert ist, ist die Gasatmosphäre 207a als eine Prozessumgebung zu verstehen, in der insbesondere der Sauerstoff in Form von Gaskomponenten zugeführt wird, ohne dass die Anwendung reaktiver Prozessflüssigkeiten erforderlich ist. Der Prozess 207 kann somit als ein thermischer Oxidationsprozess betrachtet werden, wenn die Schicht 264a grundsätzlich als eine Oxidschicht hergestellt wird, beispielsweise als eine Siliziumdioxidschicht und dergleichen. Es sollte jedoch beachtet werden, dass die Oberfläche 202s auch andere Atomsorten in nicht vernachlässigbarer Menge, etwa Germanium, Kohlenstoff und dergleichen enthalten kann. In anderen Fällen wird die Basisschicht 264a auch auf der Grundlage einer Stickstoffsorte, etwa in Form einer Siliziumnitridschicht, hergestellt, während in an deren Fällen ein sauerstoff- und stickstoffenthaltendes Basismaterial erzeugt wird. Dazu sind viele thermische Oxidationsprozesse oder Oxidationsprozesse in Verbindung mit Nitrierungsprozessen verfügbar, in denen geeignete Prozesstemperaturen und Gasatmosphären eingerichtet werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Gasatmosphäre 207a auf der Grundlage eines Plasmas eingerichtet, beispielsweise unter Anwendung eines Schlitzebenen-Antennenprozesses, wie dies zuvor beschrieben ist. Somit wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen eine Temperatur von 500°C und weniger bei der Herstellung der Schicht 264a, die eine gewünschte Dicke 264t besitzt, beispielsweise im Bereich von ungefähr 1 nm und weniger, angewendet.
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2b zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist eine dielektrische Schicht mit großem ε 264b auf der Basisdielektrikumsschicht 264a ausgebildet und besitzt eine geeignete Materialzusammensetzung. Beispielsweise wird für komplexe Transistoren häufig Hafniumoxid eingesetzt, während in anderen Fällen andere geeignete Materialien, etwa Zirkonoxid, Aluminiumoxid, oder Metall/Siliziumverbindungen verwendet werden. Das Abscheiden der dielektrischen Schicht mit großem ε 264b wird bewerkstelligt, indem gut etablierte Abscheidetechniken, etwa ALD und dergleichen, angewendet werden, wie dies zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. Folglich wird die. Schicht 264b mit einer gut gesteuerten Dicke und Materialzusammensetzung entsprechend den gesamten Prozessanforderungen bereitgestellt. Es sollte beachtet werden, dass generell die Grenzflächeneigenschaften an der Oberfläche 202s im Wesentlichen durch das Material 264a bestimmt sind, das auf der Grundlage eines thermischen Prozesses hergestellt wurde, so dass günstige Grenzflächeneigenschaften im Vergleich zu komplexen nasschemischen Oxidationsprozessen geschaffen werden. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird eine weitere Materialschicht 265a, etwa in Form eines metallenthaltenden Elektrodenmaterials, vorgesehen und in einigen anschaulichen Ausführungsformen erfolgt dies in der gleichen Abscheideumgebung wie sie für das Material 264d angewendet wird, wodurch eine unerwünschte Einwirkung der Umgebungsatmosphäre auf das Material 264b vermieden wird. In diesem Falle werden die Schichten 264b, 265a auf der Grundlage eines in-situ-Prozesses hergestellt, ohne dass die Vakuumbedingungen beim Abscheiden der Materialien 264b, 265a unterbrochen werden. Beispielsweise wird ein Titannitridmaterial auf der Grundlage von ALD-Techniken mit einer Dicke bereitgestellt, wie sie insgesamt für die Prozess- und Bauteilanforderungen notwendig ist. Beispielsweise wird die Schicht 265a mit einer Dicke von 2 nm oder weniger bereitgestellt. In anderen Fällen wird die Schicht 265a in einer späteren Fertigungsphase erzeugt. Daraufhin werden zumindest die Schichten 264b, 264a einem Ausheizprozess mit geringer Temperatur 208 unterzogen, wobei Temperaturen von 500°C und deutlich weniger angewendet werden, so dass die Eigenschaften eines resultierenden dielektrischen Materials mit großem ε, das aus den Schichten 264a, 264b hergestellt wird, weiter verbessert werden. Beispielsweise wird insbesondere die elektrisch wirksame Äquivalenzdicke dieser Schichten während des Ausheizprozesses bei geringer Temperatur 208 verringert. In einigen anschaulichen Ausführungsformen werden Temperaturen von 300°C und weniger während des Prozesses 208 angewendet. Folglich besteht ein hoher Grad an Flexibilität im Hinblick auf den Zeitpunkt des Prozesses zur Herstellung eines dielektrischen Materials mit großem ε innerhalb einer komplexen Fertigungssequenz zur Herstellung von Halbleiterbauelementen. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird der Ausheizprozess 208 auf der Grundlage einer geeigneten Gasatmosphäre 208a ausgeführt, die in einigen anschaulichen Ausführungsformen Sauerstoff und Stickstoff enthalten, während in anderen Fällen Sauerstoff und Wasserstoff verwendet werden. In noch anderen anschaulichen Ausführungsformen ist generell die Atmosphäre 208a eine reduzierende Prozessatmosphäre, die auf der Grundlage von beispielsweise den zuvor beschriebenen Komponenten oder einer Kombination davon eingerichtet wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird die Atmosphäre 208a in einer SPA-Prozessumgebung eingerichtet, wodurch zu einer besseren Gleichmäßigkeit und Steuerbarkeit beigetragen wird, während sehr geringe Prozesstemperaturen, beispielsweise von 200°C und weniger, angewendet werden.
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2c zeigt schematisch das Bauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein dielektrisches Material 264, etwa ein Gatedielektrikumsmaterial, ein Kondensatordielektrikum, auf der Oberfläche 202s aus den Schichten 264a, 264b hergestellt. In dieser Prozessphase wird zumindest die Schicht 265a beispielsweise in Form eines Titannitridmaterials vorgesehen, wie dies zuvor erläutert ist. Es sollte beachtet werden, dass eine elektrisch wirksame Dicke 264i im Vergleich zu entsprechenden Dicke der Schichten 264a, 264b vor dem Ausführen des Ausheizprozesses bei geringer Temperatur 208 kleiner ist, wodurch bessere Bauteileigenschaften, etwa eine niedrigere Schwellwertspannung für Transistoren erreicht werden, während gleichzeitig die gewünschte hohe Qualität der Grenzfläche an der Oberfläche 202s bewahrt oder sogar verbessert wird. Beispielsweise ist das dielektrische Material mit großem ε 264 eine Verbindung, die aus Komponenten der Schichten 264a, 264b aufgebaut ist, die weiterhin als individuelle separate Komponenten dargestellt sind, die jedoch dazwischen einen entsprechenden Übergangsbereich aufweisen können oder die in eine andere Materialzusammensetzung umgewandelt sein können. Beispielsweise kann auf der Grundlage eine Siliziumoxidschicht und eines Hafniumoxidmaterials das dielektrische Material 264 als ein dielektrisches Material verstanden werden, das generell die Form einer Hafniumsiliziumoxidverbindung mit variierender stöchiometrischer Zusammensetzung abhängig von den zuvor angewendeten Prozessbedingungen besitzt. Andererseits können verbesserte Grenzflächeneigenschaften erreicht oder bewahrt werden, während die Dicke 264i kleiner ist. Es sollte beachtet werden, dass generell die Dicke 264i auf der Grundlage gut etablierter elektrischer Testverfahren ermittelt wird.
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2d zeigt schematisch das Bauelement 200 gemäß anschaulichen Ausführungsformen, in denen eine Gateelektrodenstruktur 260 auf der Grundlage des dielektrischen Materials mit großem ε 264 hergestellt ist. Beispielsweise umfasst in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Gateelektrodenstruktur 260 einen Stapel aus metallenthaltenden Materialien 265, die beispielsweise die Schicht 265a in Verbindung mit weiteren Schichten 265b, 265c aufweisen. Beispielsweise sind die Schichten 265b, 265c aus Tantalnitrid, Titannitrid und dergleichen aufgebaut. Es sollte ferner beachtet werden, dass bei Bedarf weitere Metallsorten, etwa Aluminium, Lanthan und dergleichen in eine oder mehrere der Schichten 265 eingebaut sein können. Ferner ist ein weiteres Elektrodenmaterial 266, etwa als amorphes Silizium, Polysilizium und dergleichen, in Verbindung mit einer dielektrischen Deckschicht 267 vorgesehen, wobei auch eine schützende Beschichtung 268, etwa in Form eines Siliziumdioxidmaterials, bereitgestellt sein kann.
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In 2d gezeigte Gateelektrodenstruktur 260 kann auf der Grundlage von Prozesstechniken hergestellt werden, die das Abscheiden der Materialien 265b, 265c in Verbindung mit den Materialien 266, 267 beinhalten, woran sich komplexe Lithographie- und Strukturierungsstrategien anschließen, um die gewünschten lateralen Abmessungen für die Gateelektrodenstruktur 260 zu erhalten. Daraufhin wird die Beschichtung 268 vorgesehen, indem Mehrschicht-Abscheidetechniken, CVD bei geringem Druck und dergleichen angewendet werden. Danach wird die Bearbeitung fortgesetzt, indem die grundlegende Transistorstruktur fertig gestellt wird, indem Drain- und Sourcegebiete in dem aktiven Gebiet 202a erzeugt werden, möglicherweise in Verbindung mit der Herstellung einer geeigneten Abstandshalterstruktur und dergleichen. In diesem Falle wird also die Gateelektrodenstruktur 260, die das dielektrische Material 264 mit der reduzierten elektrisch wirksamen Dicke und den günstigen Grenzflächeneigenschaften besitzt, in einer frühen Fertigungsphase hergestellt.
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In anderen Fällen wird das dielektrische Material 264 in einer späteren Fertigungsphase gebildet.
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2e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen, in denen ein Transistor 250 in und über dem aktiven Gebiet 202a hergestellt und in einer sehr fortgeschrittenen Fertigungsphase bereitgestellt ist. Wie gezeigt, ist eine Gateelektrodenstruktur 260 vorgesehen und repräsentiert eine Platzhaltergateelektrodenstruktur, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist. D. h., die Gateelektrodenstruktur 260 ist lateral in dem dielektrischen Material oder der Materialien einer Kontaktebene 220 eingebettet. Beispielsweise ist eine Ätzstoppschicht 221 in Verbindung mit einem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 222 vorgesehen. Eine Abstandshalterstruktur 263 ist in der Gateelektrodenstruktur 260 ausgebildet, wenn dies zum Bereitstellen von Drain- und Sourcegebieten 251 erforderlich ist, um damit ein gewünschtes laterales und vertikales Dotierstoffprofil einzustellen. Wie gezeigt ist ferner eine Gateöffnung 2600 vorgesehen, die erhalten wird, indem ein oder mehrere Platzhaltermaterialien der Gateelektrodenstruktur 260 entfernt werden, etwa eine dielektrische Ätzstoppmaterialschicht in Verbindung mit einem Polysiliziummaterial, und dergleichen entfernt werden, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist.
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Grundsätzlich kann das Bauelement 200 hergestellt werden, indem Prozessstrategien angewendet werden, wie sie auch zuvor in dem Austauschgateverfahren erläutert sind, das mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist. D. h., nach der Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration, d. h. nach der Herstellung der Gateelektrodenstruktur 260 mit den gewünschten lateralen Abmessungen und nach der Herstellung von Drain- und Sourcegebieten 251, möglicherweise in Verbindung mit zusätzlichen Kontaktbereichen 252, etwa in Form eines Metallsilizids, werden die Materialien der Kontaktebene 220 aufgebracht und so eingeebnet, dass die Oberfläche des Platzhaltermaterials der Gateelektrodenstruktur 260 freigelegt wird. Nach dessen Entfernung und dem Freilegen der Oberfläche 202s des aktiven Gebiets 202a wird das Basisdielektrikumsmaterial 264a auf der Grundlage eines thermischen Prozesses erzeugt, wie dies zuvor beschrieben ist, woran sich das Abscheiden des dielektrischen Materials mit großem ε 264b anschließt, möglicherweise in Verbindung mit der Abscheidung des Materials 265a, wie dies auch zuvor erläutert ist. Daraufhin wird der Ausheizprozess mit geringer Temperatur 208 in Anwesenheit einer Prozessumgebung 208a angewendet, um die elektrisch effektive Äquivalenzdicke des dielektrischen Materials mit großem ε 264 zu verringern und um bessere Grenzflächeneigenschaften bereitzustellen, wie dies auch zuvor beschrieben ist. Es sollte beachtet werden, dass auf Grund der niedrigen Temperatur, die in dem Ausheizprozess 208 angewendet wird, die temperaturempfindlichen Materialien 252 hergestellt werden können, ohne dass sie durch den Prozess 208 beeinflusst werden.
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Zu beachten ist, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen, wenn das Basismaterial 264a auf der Grundlage eines thermischen Oxidationsprozesses bei hoher Temperatur vorzusehen ist, dieses Material auch in einer früheren Fertigungsphase bereitgestellt werden kann, d. h. bei der Herstellung der Gateelektrodenstruktur 260 in Form einer Platzhaltergateelektrodenstruktur, während das Entfernen des Platzhaltermaterials auf der Grundlage einer sehr selektiven Ätzumgebung durchgeführt werden kann, wodurch das Material 264a im Wesentlichen nicht unerwünscht beeinflusst wird, so dass die dielektrische Schicht mit großem ε 264b abgeschieden und auf der Grundlage der niedrigen Temperaturen bearbeitet wird, ohne dass eine Einschränkung auf niedrige Prozesstemperaturen bei der Herstellung des Materials 264a besteht. In noch anderen Fällen werden thermische Oxidationsprozesse bei geringer Temperatur und/oder ein Nitrierungsprozess bei niedriger Temperatur bei der Herstellung der Schicht 264a angewendet, wie dies auch zuvor erläutert ist. Daraufhin geht die weitere Bearbeitung weiter, indem weitere Materialien abgeschieden werden, wie sie für das Fertigstellen der Gateelektrodenstrukturen 260 erforderlich sind.
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2f zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt umfasst die Gateelektrodenstruktur 260 zusätzlich zu der Materialschicht 265a ein oder mehrere weitere metallenthaltende Elektrodenmaterialien, etwa die Materialien 265b, 265c in Verbindung mit einem gut leitenden Elektrodenmetall 269, etwa Aluminium, Aluminiumlegierungen und dergleichen. Dazu werden geeignete Abscheidetechniken angewendet, woran sich das Entfernen von überschüssigem Material unter Anwendung von CMP, Ätztechniken, Elektro-CMP und dergleichen anschließt.
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Es sollte beachtet werden, dass, obwohl das temperaturempfindliche Material 252 in dieser Fertigungsphase anwesend sein kann, in anderen Fällen das Material 252 in einer späteren Fertigungsphase hergestellt wird, wie dies auch zuvor mit Bezug zu dem Bauelement 100 beschrieben ist.
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2g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß weiteren anschaulichen Ausführungsformen. Wie gezeigt, sind mehrere Transistoren 250 und somit mehrere Gateelektrodenstrukturen 260 in und über dem aktiven Gebiet 202a hergestellt. Beispielsweise sind die Transistoren 250 mehrere dicht liegende Transistoren, etwa p-Kanaltransistoren und dergleichen, die komplexe Metallgateelektrodenstrukturen mit großem ε erfordern. Ferner führt in anspruchsvollen Anwendungen typischerweise ein Zwischenraum 260s zwischen benachbarten Gateelektrodenstrukturen 260 zu ausgeprägten Ausbeuteverlusten bei der Herstellung von Kontaktelementen, wenn eine Verbindung zu den Drain- und Sourcegebieten 251 oder darin hergestellten Kontaktgebieten 252 herzustellen ist, so dass häufig ein selbstjustiertes Kontaktschema anzuwenden ist. In diesem Falle werden die Gateelektrodenstrukturen 260, die weiterhin zuverlässig mittels der Deckschichten 267 und den Abstandshalterstrukturen 263 eingeschlossen sind, der Einwirkung einer reaktiven Ätzatmosphäre ausgesetzt, um damit ein dielektrisches Material der Kontaktebene 220 abzutragen, so dass schließlich die Drain- und Sourcegebiete 251 oder die Kontaktgebiete 252, wenn sie darin bereits ausgebildet sind, freigelegt werden. Daraufhin werden die Kontaktgebiete 252 hergestellt und es wird ein geeignetes leitendes Kontaktmaterial 223a abgeschieden und ein überschüssiger Teil davon wird entfernt, so dass schließlich das Platzhaltermaterial 262 der Gateelektrodenstrukturen 260 freigelegt wird. In diesem Falle wird folglich die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem ein Austauschgateverfahren angewendet wird, wie dies beispielsweise zuvor mit Bezug zu den 2e und 2f beschrieben ist, ohne dass die entsprechenden selbstjustierten Kontaktelemente 223 und die Kontaktelemente 252 auf Grund der niedrigen Temperaturen, die während des Ausheizprozesses 208 (siehe 2i) angewendet werden, beeinträchtigt werden.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt effiziente Prozesstechniken bereit, in denen komplexe dielektrische Materialien mit großem ε auf der Grundlage thermisch aufgewachsener Basismaterialien, etwa Oxidmaterialien, Oxid/Nitridmaterialien und dergleichen hergestellt werden, die während einer geeigneten Fertigungsphase ausgebildet werden, indem gut steuerbare Prozesse auf der Grundlage gasförmiger Prozessatmosphären angewendet werden, während in einigen anschaulichen Ausführungsformen auch die thermisch aufgewachsenen Basismaterialien auf der Grundlage von Prozesstemperaturen hergestellt werden, die mit den gesamten Bauteilkonfigurationen vereinbar sind. Nach dem Abscheiden einer dielektrischen Schicht mit großem ε wird ein Ausheizprozess bei geringer Temperatur angewendet, beispielsweise in einem SPA-Prozessschema, indem eine reduzierende Atmosphäre angewendet wird, wodurch die elektrisch wirksame Äquivalenzdicke des dielektrischen Materials mit großem ε deutlich verringert wird, wobei auch für bessere Grenzflächeneigenschaften gesorgt wird. Somit kann eine geringere effektive Dicke und somit eine höhere kapazitive Kopplung des dielektrischen Materials mit großem ε erreicht werden, so dass sich daraus kleinere Schwellwertspannungen ergeben, beispielsweise in komplexen p-Kanaltransistoren, während gleichzeitig hohe Zuverlässigkeitswerte erreicht werden. Auf Grund der niedrigen Temperatur, die in dem Ausheizprozess angewendet wird, wird Kompatibilität zu jeglichen Prozessstrategien erreicht.
