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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung moderner
integrierter Schaltungen, die Transistorelemente enthalten, die
hochkapazitive Gatestrukturen auf der Grundlage eines Gatedielektrikumsmaterials
mit großem ε mit erhöhter Permittivität und ein
Metall für
die Austrittsarbeit aufweisen.
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Beschreibung des Stands der
Technik
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Die
Herstellung moderner integrierter Schaltungen, etwa von CPU's, Speicherbauelementen, ASIC's (anwendungsspezifischen
integrierten Schaltungen) und dergleichen erfordert das Herstellen
einer großen
Anzahl an Schaltungselementen auf einer vorgegebenen Chipfläche gemäß einem
spezifizierten Schaltungsaufbau, wobei Feldeffekttransistoren eine
wichtige Art an Schaltungselementen repräsentieren, die das Leistungsverhalten
integrierten Schaltungen wesentlich bestimmen. Im Allgemeinen werden
eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei
für viele
Arten komplexer Schaltungen die Feldeffekttransistoren enthalten,
die CMOS-Technologie eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen
auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder
Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz ist. Während der
Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung von
beispielsweise der CMOS-Technologie
werden Millionen Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren,
auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht
aufweist. Ein Feldeffekttransistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor
oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die
durch eine Grenzfläche
stark dotierter Gebiete, die als Drain- und Source-Gebiete bezeichnet
werden, mit einem leicht dotierten oder nicht dotierten Gebiet,
etwa einem Kanalgebiet, gebildet sind, das benachbart zu dem stark dotierten
Gebieten angeordnet ist. In einem Feldeffekttransistor ist die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals,
durch eine Gateelektrode gesteuert, die benachbart zu dem Kanalgebiet
angeordnet und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt
ist. Die Leitfähigkeit
des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des
Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von
der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Ladungsträger und – für eine gegebene
Abmessung des Kanalgebiets in der Transistorbreitenrichtung – von dem Abstand
zwischen dem Sourcegebiet und dem Draingebiet ab, der auch als Kanallänge bezeichnet
wird. Somit beeinflusst die Leitfähigkeit des Kanalgebiets wesentlich
das Leistungsverhalten der MOS-Transistoren. Da die Geschwindigkeit
des Erzeugens des Kanals, die von der Leitfähigkeit der Gateelektrode abhängt, und
der Kanalwiderstand wesentlich die Transistoreigenschaften beeinflussen,
ist daher die Reduzierung 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 wir
der Hauptteil an integrierten Schaltungen auf der Grundlage von
Silizium auf Grund der nahezu unbegrenzten Verfügbarkeit und gut verstandenen
Eigenschaften des Siliziums und zugehöriger Materialien und Prozesse
und auf Grund der Erfahrung, die über die letzten 50 Jahre gewonnen
wurde, hergestellt. Daher bleibt Silizium mit hoher Wahrscheinlichkeit
das Material der Wahl für künftige Schaltungsgenerationen,
die für
Massenprodukte vorgesehen sind. Ein Grund für die Wichtigkeit des Siliziums
bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen sind die guten Eigenschaften
einer Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche, die eine zuverlässige elektrische
Isolierung und möglicher
Gebiete voneinander ermöglicht.
Die Silizium/Siliziumdioxidgrenzfläche ist bei hohen Temperaturen
stabil und ermöglicht somit
das Ausführen
nachfolgender Hochtemperaturprozesse, wie sei beispielsweise für Ausheizprozesse
erforderlich sind, um Dotierstoffe zu aktivieren und Kristallschäden auszuheilen,
ohne die elektrischen Eigenschaften der Grenzfläche zu beeinträchtigen.
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Aus
dem zuvor dargelegten Gründen
wird Siliziumdioxid vorzugsweise als ein Basismaterial einer Gateisolationsschicht
in Feldeffekttransistoren verwendet, die die Gateelektrode, die
häufig
aus Polysilizium oder metallenthaltenden Materialien aufgebaut ist,
von dem Siliziumkanalgebiet trennt. Beim stetigen Verbessern des
Leistungsverhaltens von Feldeffekttransistoren wurde die Länge des
Kanalgebiets kontinuierlich verringert, um die Schaltgeschwindigkeit
und den Durchlassstrom zu verbessern. Da das Transistorverhalten
durch die Spannung gesteuert ist, die der Gateelektrode zugeführt wird,
um die Oberfläche
des Kanalgebiets in eine ausreichende Ladungsträgerdichte zu invertieren, um
damit den gewünschten
Durchlassstrom für
eine vorgegebene Versorgungsspannung zu erhalten, ist ein gewisser Grad
an kapazitiver Kopplung erforderlich, die durch den Kondensator
erreicht wird, der durch die Gateelektrode, das Kanalgebiet und
das dazwischen angeordnete Siliziumdioxid gebildet ist. Es zeigt
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
führen
und ergibt eine ausgeprägte
Abhängigkeit
der Schwellwertspannung an der Kanallänge. Aggressiv skalierte Transistorbauelemente
mit einer relativ geringen Versorgungsspannung und damit mit einer
geringeren Schwellwertspannung weisen eine exponentielle Zunahme
des Leckstromes auf, während
auch eine erhöhte
kapazitive Kopplung der Gateelektrode an das Kanalgebiet erforderlich
ist. Daher muss die Dicke der Siliziumdioxidschicht entsprechend
verringert werden, um die erforderliche Kapazität zwischen dem Gatekanalgebiet
zu erhalten. Beispielsweise erfordert eine Kanallänge von
ungefähr
0,08 μm
ein Gatedielektrikum aus Siliziumdioxid mit einer Dicke von ungefähr 1,2 nm. Obwohl
im Allgemeinen die Verwendung von Hochgeschwindigkeitstransistoren
mit einem äußerst kurzen
Kanal im Wesentlichen auf Hochgeschwindigkeitssignalwege begrenzt
ist, wohingegen Transistorelemente mit einem längeren Kanal für weniger
kritische Signalpfade eingesetzt werden, etwa in Form von Speichertransistorelementen,
erreicht der relativ hohe Leckstrom, der durch das direkte Tunneln
von Ladungsträgern
durch eine äußerst dünne Siliziumdioxidgateisolationsschicht
hervorgerufen wird, entsprechende Werte für eine Oxiddicke im Bereich
von 1 bis 2 nm, die nicht mehr mit dem thermischen Entwurfsanforderungen
für modernste
Schaltungen verträglich
sind.
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Daher
wurde das Ersetzen von siliziumdioxidbasierten Dielektrika als Material
für Gateisolationsschichten
in Betracht gezogen, insbesondere für extrem dünne siliziumdioxidbasierte
Gataeschichten. Mögliche
alternative Materialien sind solche, die eine deutlich höhere Permittivität besitzen,
so dass eine physikalisch größere Dicke
einer entsprechend ausgebildeten Gateisolationsschicht eine kapazitive Kopplung
ergibt, die durch eine extrem dünne
Siliziumdioxidschicht erreich würde.
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Es
wurde daher vorgeschlagen, Siliziumdioxid durch Materialien mit
hoher Permittivität
zu ersetzen, etwa durch Tantaloxid (Ta2O5) mit einem ε von ungefähr 25, durch STrontiumtitanoxid
(SrTiO3) mit einem ε von ungefähr 150, durch Hafniumoxid (HfO2), HfSiO, Zirkonoxid (ZrO2)
und dergleichen.
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Des
weiteren kann das Transistorverhalten verbessert werden, indem ein
geeignetes leitendes Material für
die Gateelektrode vorgesehen wird, um das für gewöhnlich verwendete Polysiliziummaterial zu
ersetzen, da Polysilizium eine Ladungsträgerverarmung in der Nähe der Grenzfläche zu dem
Gatedielektrikum zeigt, wodurch die effektive Kapazität zwischen
dem Kanalgebiet und der Gateelektrode verringert wird. Daher wurde
ein Gatestapel vorgeschlagen, in welchem ein dielektrisches Material
mit großem ε für eine erhöhte Kapazität auf der
Grundlage der gleichen Dicke wie eine siliziumdioxidbasierte Schicht
sorgt, während
zusätzlich
Leckströme
auf einem akzeptablen Niveau bleiben. Andererseits wird das nicht-Polysiliziummaterial,
etwa Titannitrid und dergleichen, in Verbindung mit anderen Metallen
so hergestellt, dass es mit dem dielektrischen Material mit großem ε in Verbindung
steht, wodurch die Anwesenheit einer Verarmungszone im Wesentlichen
vermieden wird. Da die Schwellwertspannung der Transistoren, die
die Spannung repräsentiert,
bei der sich ein leitender Kanal in dem Kanalgebiet ausbildet, wesentlich
durch die Austrittsarbeit des metallenthaltenden Gatematarials bestimmt
ist, muss eine geeignete Einstellung der effektiven Austrittsarbeit
in Bezug auf die Leitfähigkeitsart
des betrachteten Transistors gewährleistet
werden.
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Das
Vorsehen unterschiedlicher Metallsorten zum Einstellen der Austrittsarbeit
der Gateelektrodenstrukturen für
p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren in einer frühen Fertigungsphase
ist jedoch mit einer Reihe von Schwierigkeiten verknüpft, die
sich aus der Tatsache ergeben, dass eine komplexe Strukturierungssequenz
während
der Herstellung aufwendiger Metallgatestapel mit großem ε erforderlich
ist, was zu einer ausgeprägten
Variabilität der
resultierenden Austrittsarbeit und damit der Schwellwertspannung
der fertig gestellten Transistorstrukturen führen kann. In einer entsprechenden
Fertigungssequenz wird beispielsweise das Material mit großem ε der Einwirkung
von Sauerstoff ausgesetzt, was zu einer Zunahme der Schichtdicke
und damit zu einer Verringerung der kapazitiven Kopplung führen kann.
Ferner wird eine Verschiebung der Austrittsarbeit beobachtet, wenn
geeignete Metalle für
die Austrittsarbeit in einer frühen
Fertigungsphase hergestellt werden, wobei angenommen wird, dass
dies durch eine moderat hohe Sauerstoffaffinität der Metallsorte insbesondere
während
Hochtemperaturprozessen hervorgerufen wird, typischerweise für die Fertigstellung
der Transistorstrukturen erforderlich sind, um etwa Drain- und Sourcegebiete
und dergleichen herzustellen.
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Aus
diesem Grunde wird in einigen Vorgehensweisen der anfängliche
Gateelektrodenstapel mit einem hohen Grad an Kompatibilität zu konventionellen
polysiliziumbasierten Prozessstrategien vorgesehen und das eigentliche
Elektrodenmaterial und die endgültige
Einstellung der Austrittsarbeit der Transistoren wird in einer sehr
fortgeschrittenen Fertigungsphase bewerkstelligt, d. h. nach dem
Fertigstellen der grundlegenden Transistorstruktur. In einem entsprechenden
Austauschgateansatz wird das dielektrische Material mit großem ε hergestellt
und wird mittels einem metallenthaltendem Material, etwa Titannitrid
und dergleichen abgedeckt, woran sich ein standardmäßiges Polysiliziummaterial
oder amorphes Siliziummaterial anschließt, das dann auf der Grundlage
gut etablierter aufwendiger Lithographie- und Ätztechniken strukturiert wird.
Während
der Prozesssequenz zum Strukturieren der Gateelektrodenstruktur
wird somit das empfindliche dielektrische Material mit großem ε durch das
metallenthaltende Material geschützt,
möglicherweise
in Verbindung mit komplexen Seitenwandabstandshalterstrukturen, wodurch
eine unerwünschte
Materialmodifizierung aus der weiteren Bearbeitung im Wesentlichen
vermieden wird. Nach dem Strukturieren der Gateelektrodenstruktur
werden typischerweise konventionelle und gut etablierte Prozesstechniken
zur Herstellung der Drain- und Sourcegebiete mit dem gewünschten komplexen
Dotierstoffprofil ausgeführt.
Nach den Hochtemperaturprozessen wird die weitere Bearbeitung dann
beispielsweise fortgesetzt, indem bei Bedarf ein Metallsilizid hergestellt
wird, woran sich das Abscheiden eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials,
etwa Siliziumnitrid in Verbindung mit Siliziumdioxid und dergleichen,
anschließt.
In dieser Fertigungsphase wird eine obere Fläche der Gateelektrodenstrukturen,
die in dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial eingebettet sind,
freigelegt, beispielsweise durch Ätztechniken, CMP (chemisch-mechanisches
Polieren) und dergleichen. In vielen Fällen ist das Polysiliziummaterial
in beiden Arten von Gateelektrodenstrukturen in einem gemeinsamen Ätzprozess
entfernt und daraufhin wird ein geeignetes Maskierungsschema angewendet, um
selektiv ein geeignetes Metall einzufüllen, was bewerkstelligt wird,
indem die erste Metallsorte eingefüllt und diese selektiv von
einer der Gateelektrodenstrukturen entfernt wird. Daraufhin wird
ein weiteres Metallmaterial abgeschieden, wodurch die gewünschte Austrittsarbeit
für beiden
Arten von Transistoren erhalten wird.
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Obwohl
im Allgemeinen dieser Ansatz Vorteile im Hinblick auf die Reduzierung
prozessabhängiger
Ungleichmäßigkeiten
in den Schwellwertspannungen der Transistoren bietet, da das dielektrische Material
mit großem ε zuverlässig während der
gesamten Prozesssequenz eingekapselt ist, ohne dass eine Einstellung
der Austrittsarbeit und damit der Schwellwertspannung in einer frühen Fertigungsphase
erforderlich ist, kann die komplexe Prozesssequenz zum Entfernen
des Platzhaltermaterials und für
das Bereitstellen geeigneter Materialien für die Austrittsarbeit der unterschiedlichen
Arten von Transistoren ebenfalls in einem Grad an Variabilität der Transistoreigenschaften
führen,
woraus sich eine Aufhebung zumindest einiger der Vorteile ergeben kann,
die durch die gemeinsame Bearbeitung der Gateelektrodenstrukturen
bis zur Fertigstellung der grundlegenden Transistorkonfiguration
erreicht werden. Mit Bezug zu den 1a bis 1c wird
ein typischer konventioneller Prozessablauf nunmehr beschrieben,
um detaillierter die Probleme anzuzeigen, die mit dem Vorsehen von
Materialien für
die Austrittsarbeit für
p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren
auf der Grundlage eines Austauschgateansatzes verknüpft sind.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines komplexen Halbleiterbauelements 100 in
einer fortgeschrittenen Fertigungsphase, d. h. in einer Fertigungsphase,
in der ein erster Transistor 150a, etwa ein p-Kanaltransistor,
und ein zweiter Transistor 150b, etwa ein n-Kanaltransistor,
in und über
entsprechenden aktiven Gebieten 103a, 103b gebildet
sind. Die aktiven Gebiete 103a, 103b sind lateral
durch eine Isolationsstruktur 103c begrenzt, die typischerweise
aus geeigneten dielektrischen Materialien, etwa Siliziumdioxid,
Siliziumnitrid und dergleichen aufgebaut ist. In der in 1a gezeigten
fortgeschrittenen Fertigungsphase sind Drain- und Sourcegebiete 153 möglicherweise
in Verbindung mit Metallsilizidgebieten 154 vorgesehen,
so dass die gesamte Leitfähigkeit
verbessert wird, wenn Kontaktelemente herzustellen sind, die in
einer späteren
Fertigungsphase eine Verbindung zu den Drain- und Sourcegebieten 153 herstellen.
Die Drain- und Sourcegebiete 153 schließen lateral ein Kanalgebiet 152 ein,
das in Schwellwertspannung auf der Grundlage der Drain- und Sourcegebiete 153,
der allgemeinen Leitfähigkeit
des Kanalgebiets 152 und auf der Grundlage einer geeigneten
Gateelektrodenstruktur einzustellen ist. In der gezeigten Fertigungsphase enthalten
die Transistoren 150a, 150b entsprechende Gateelektrodenstrukturen 160a, 160b.
Die Gateelektrodenstrukturen 160a, 160b weisen
eine Gateisolationsschicht 161 auf, die ein dielektrisches
Material mit großem ε enthält, beispielsweise
in Form von Hafniumoxid, Hafniumsiliziumoxid und dergleichen. Ferner
können
zusätzliche „konventionelle” dielektrische Materialien,
etwa siliziumdioxidbasierte Materialien, in der Gateisolationsschicht 161 eingebaut
sein, beispielsweise um eine verbesserte Grenzfläche zu dem Kanalgebiet 152 vorzusehen.
Eine Titannitriddeckschicht 162 ist auf der Gateisolationsschicht 161 ausgebildet,
woran sich ein siliziumdioxidbasiertes Schichtmaterial 163 anschließt, das
sich auf dem Deckmaterial 162 in einer frühen Fertigungsphase gebildet haben
kann. Ferner ist eine Tantalnitridschicht 164 in Verbindung
mit einer Titannitridschicht 165 in den Gateelektrodenstrukturen 160a, 160b gebildet,
wobei in dem in 1 gezeigten Beispiel
das Titannitridmaterial 165 austrittsarbeiteinstellendes Material
für den
Transistor 150a repräsentiert,
das von der Gatelektrodenstruktur 160b zu entfernen ist, um
darin ein weiteres Material für
die Einstellung der Austrittsarbeit vorzusehen, das für den Transistor 150b geeignet
ist. Wie ferner in 1 gezeigt ist, sind
die Gateelektrodenstrukturen 160a, 160b in einem
dielektrischen Material, etwa einer Abstandshalterstruktur 155 und
einem Teil eines dielektrischen Zwischenschichtmaterials 110 lateral
eingebettet, das wiederum in Form eines siliziumnitridbasierten Materials 111 und
eines Siliziumdioxidmaterials 112 vorgesehen ist.
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Das
in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann
auf der Grundlage der folgenden konventionellen Prozessstrategie
hergestellt werden. Nach der Herstellung der aktiven Gebiete 103a, 103b durch
Vorsehen der Isolationsstruktur 103c auf der Grundlage
gut etablierter Prozessstechniken wird ein Gatematerialstapel hergestellt,
beispielsweise durch Bereitstellen einer konventionellen Gatedielelektrikumsbasisschicht,
etwa einer siliziumdioxidbasierten Materialschicht, woran sich ein
dielektrisches Material mit großem ε anschließt, das
von der Titannitridschicht 162 bedeckt wird. Daraufhin
wird ein Platzhaltermaterial, etwa ein Siliziummaterial, etwa in
Form eines amorphen Siliziummaterials abgeschieden, möglicherweise
in Verbindung mit weiteren Materialien, etwa Deckschichten und dergleichen,
wie sie typischerweise für
die Strukturierung des Gateschichtstapels und die weitere Bearbeitung
des Bauelements 100 erforderlich sind. Während des
Abscheidens des Platzhaltermaterials, d. h. des Siliziummaterials,
wird typischerweise die Deckschicht 162 einer sauerstoffenthaltenden
Umgebung ausgesetzt, die zu einem Einbau von Sauerstoff führt, der
typischerweise in ein silizium- und sauerstoffenthaltendes Material
beim Abscheiden des Siliziummaterials umgewandelt wird, wobei die
Schicht 163 gebildet wird. Als nächstes werden moderne Lithographie-
und Strukturierungsstrategien angewendet, um Austauschgateelektrodenstrukturen
mit einer gewünschten
Gatelänge
zu bilden, wobei die empfindliche Gateisolationsschicht 161 von
der Deckschicht 162 geschützt wird. Daraufhin wird die
Integrität
der empfindlichen Materialien 161 und 162 weiter
verbessert, indem eine Seitenwandbeschichtung 166 geschaffen
wird, beispielsweise durch Herstellen eines Siliziumnitridmaterials.
Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem die Drain-
und Sourcegebiete 153 in Verbindung mit der Abstandshalterstruktur 155 gebildet
werden, was durch eine beliebige geeignete Umgebungsstrategie erreich
wird. Daraufhin werden Metall silizidgebiete 154 durch gut
etablierte Prozesstechniken geschaffen, woran sich das Abscheiden des
Zwischenschichtmaterials 110 anschließt, beispielsweise in Form
der Materialien 111 und 112. Als nächstes wird
die obere Fläche
der Gateelektrodenstrukturen 160a, 160b freigelegt,
indem Material der Schicht 110, etwa durch CMP (chemisch-mechanisches
Polieren) entfernt wird, woran sich ein selektiver Ätzprozess,
etwa auf der Grundlage nasschemischer Ätzrezepte und dergleichen anschließt, um das Platzhaltermaterial,
d. h. das Siliziummaterial, selektiv zur Abstandshalterstruktur 155 und
dem dielektrischen Zwischenschichtmaterial 110 zu entfernen. Beispielsweise
sind eine Vielzahl effizienter nasschemischer Ätzrezepte verfügbar, etwa
Mittel auf der Basis von Kaliumhydroxid, TMAH (Tetramethylammoniumhydroxid)
und dergleichen. Der Ätzprozess
kann auf der Deckschicht 162 angehalten werden, oder kann
auf der Schicht 163 angehalten werden, wenn diese noch
vorhanden ist, wobei dies von der gesamten Prozessstrategie abhängt. Daraufhin
wird die Tantalnitridschicht 164 beispielsweise durch Sputter-Abscheidung,
und dergleichen aufgebracht, wobei sich das Abscheiden des Titannitridmaterials 165 anschließt, das
das eigentliche Material für
die Austrittsarbeit des Transistors 160a repräsentiert.
Die Tantalnitridschicht 164 mit einer Dicke von typischerweise
weniger als 5 nm wird so vorgesehen, dass dieses als ein Ätzstoppmaterial
zum Entfernen des Materials 165 selektiv von der Gateelektrodenstruktur 160b dient.
Zu diesem Zweck wird eine geeignete Ätzmaske 104 vorgesehen,
etwa in Form eines Lackmaterials und dergleichen, um den Transistor 150b freizulegen.
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1b zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100, wenn es der Einwirkung
eines Ätzprozesses 105 ausgesetzt
ist, um die Titannitridschicht 165 selektiv zu der Ätzstoppschicht 164 abzutragen. Der
Einfachheit halber ist ein 1b lediglich
der Transistor 150b gezeigt.
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Wie
zuvor erläutert
ist, hängt
die Einstellung der endgültigen
Austrittsarbeit wesentlich von der Materialsorte ab, die nahe an
dem Kanalgebiet 152 angeordnet ist, d. h. der Gateisolationsschicht 161 und
dem Titannitriddeckmaterial 162 möglicherweise in Verbindung
mit der Schicht 163, falls diese vorhanden ist. Obwohl
Titannitrid ein Material repräsentiert, das
geeignet ist, um eine gewünschte
Austrittsarbeit für
den Transistor 150a zu erhalten, erfordert der Transistor 150b eine
andere atomare Sorte, etwa Aluminium, Lanthanum, um den gewünschten
Wert für
die Austrittsarbeit zu erreichen, die schließlich zu der gewünschten
Schwellwertspannung des Transistors 150b führt. Folglich
wird das Tantalnitridmaterial 164 nachteilig erachtet,
wenn das zur Austrittsarbeitseinstellung erforderliche Material
für den
Transistor 150b in unmittelbarer Nähe des Kanalgebiets 152 mit
einem hohen Grad an Zuverlässigkeit
und Prozessgleichmäßigkeit
anzuordnen ist. D. h., das Tantalnitridmaterial 164 kann
im Allgemeinen die Diffusion der gewünschten Sorte, etwa des Lanthanums,
unterdrücken
unterlag auch dem Ätzprozess 105,
woraus sich ein mehr oder minder ausgeprägter Grad an Modifizierung
ergibt, was somit zu einem gewissen Grad an Variabilität während der
weiteren Bearbeitung beim Einstellen der Schwellwertspannung des
Transistors 150b führen
kann. Aus diesem Grunde ist es sehr wünschenswert, das Tantalnitridmaterial 164 vor
dem Abscheiden des Materials zum Einstellen der Austrittsarbeit
des Transistors 160b zu entfernen.
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1c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer Fertigungsphase,
in der der Transistor 150b der Einwirkung einer Sputter-Ätzumgebung 106 ausgesetzt
ist, um eine unteren Bereich des Tantalnitridmaterials abzutragen,
was zu einer Ausbildung von „Seitenwandabstandshaltern” 164s aus
dem verbleibenden Tantalnitridmaterial führt. Die Sputter-Ätzumgebung 106 wird
typischerweise vor einem Sputter-Abscheideprozess zum Aufbringen des
Austrittsarbeitsmaterials für
den Transistor 150b eingerichtet, während in anderen Fällen, wenn
dieses Material durch eine andere Abscheidetechnik aufzubringen
ist, die Umgebung 106 als ein separater Prozessschritt
eingerichtet wird. Wie zuvor erläutert ist,
liegt die Dicke des Tantalnitridmaterials in einem Bereich von 5
nm oder weniger, so dass der Abtragungsprozess 106 zu einer
Modifizierung darunter liegender Materialien führen, etwa den Materialien 163, 162 und 161.
Folglich besteht in einem Bereich 106c eine hohe Wahrscheinlichkeit
für die
Modifizierung und Schädigung
des Schichtstapels der Gateelektrodenstruktur 160b, wodurch
zu einer ausgeprägten
Variabilität
der resultierenden Transistoreigenschaften beigetragen wird. Obwohl
das Entfernen des Tantalnitridmaterials vorteilhaft im Hinblick
auf ein nachfolgendes Abscheiden des Austrittsarbeitsmaterials kann
folglich der Sputter-Ätzprozess 106 zusätzliche
Prozessungleichmäßigkeiten
hervorrufen, die die Vorteile aufheben können, die durch das Entfernen
des Tantalnitridmaterials 164 gewonnen werden.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Situation betrifft die vorliegende Erfindung
Techniken und Halbleiterbauelemente, in denen komplexe Gateelektrodenstrukturen
auf der Grundlage eines Austauschgateansatzes bereitgestellt werden,
wobei eines oder mehrere der erkannten Probleme vermieden oder zumindest
reduziert werden.
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Überblick über die vorliegende Erfindung
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung moderne Halbleiterbauelemente
und Verfahren zu deren Herstellung, in denen Gateelektrodenstrukturen
auf der Grundlage eines dielektrischen Materials mit großem ε hergestellt
werden, wobei die Austrittsarbeit für p-Kanaltransistoren und n-Kanaltransistoren
nach Fertigstellung der grundlegenden Transistorstruktur mit einem
erhöhten
Grad an Zuverlässigkeit
und Gleichmäßigkeit
eingestellt wird, indem plasmabasierte Ätztechniken, etwa Sputter-Ätzen, vermieden
werden. Zu diesem Zweck wird ein effizientes nasschemisches Ätzrezept,
das in einigen anschaulichen Ausführungsformen auf Ammoniumhydroxid
beruht, eingesetzt, um ein leitendes Barrierenmaterial, etwa Tantalnitridmaterial,
von einer Art an Transistoren abzutragen, wodurch bessere Bedingungen
für das
Vorsehen eines Austrittsarbeitsmaterials für diesen Transistor geschaffen
werden, ohne dass zu einer Modifizierung oder Schädigung des verbleibenden
Schichtstapels, der ein metallenthaltendes Deckmaterial und das
empfindliche dielektrische Material mit großem ε enthält, beigetragen wird. Folglich
kann die Einstellung der Austrittsarbeit für beide Arten an Transistoren
auf der Grundlage besserer Prozessbedingungen erreicht werden, woraus sich
ein geringerer Grad an Variabilität ergibt, ohne dass im Wesentlichen
die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens von ätzabhängigen Schäden während des selektiven Entfernens
eines Barrierenmaterials oder eines Austrittsarbeitsmaterials in
einer Art von Transistor erhöht
wird.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst das Bilden einer
ersten Gateelektrodenstruktur über
einem ersten Halbleitergebiet eines Halbleiterbauelements und das
Bilden einer zweiten Gateelektrodenstruktur über einem zweiten Halbleitergebiet,
wobei die erste und die zweite Gateelektrodenstruktur eine Gateisolationsschicht
mit einem dielektrischen Material mit großem ε, einem metallenthaltendem Deckmaterial,
das auf der Gateisolationsschicht gebildet ist, und einem Platzhaltermaterial aufweisen.
Zumindest die zweite Gateelektrodenstruktur umfasst eine Ätzstoppschicht,
die zwischen dem metallenthaltenden Deckmaterial und dem Platzhaltermaterial
angeordnet ist. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen des Platzhaltermaterials
in der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur und das Bilden
einer oder mehrerer erster Materialschichten in der ersten und der
zweiten Gateelektrodenstruktur, wobei die eine oder die mehreren
ersten Materialschichten ein Austrittsarbeitsmetall für die erste
Gateelektrodenstruktur enthalten. Das Verfahren umfasst ferner das
Entfernen der einen oder der mehreren Materialschichten selektiv von
der zweiten Gateelektrodenstruktur unter Anwendung eines nasschemischen
Mittels auf der Grundlage von Ammoniumhydroxid, um mindestens eine
der einen oder mehreren Materialschichten zu ätzen. Des weiteren umfasst
das Verfahren das Bilden einer oder mehrerer zweiter Materialschichten
in der zweiten Gateelektrodenstruktur, wobei die eine oder die mehreren
zweiten Materialschichten ein Austrittsarbeitsmetall für die zweite
Gateelektrodenstruktur enthalten.
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Ein
noch weiteres anschauliches hierin offenbartes Verfahren umfasst
das Entfernen eines Platzhaltermaterials einer ersten Gateelektrodenstruktur
und einer zweiten Gateelektrodenstruktur. Ferner umfasst das Verfahren
das Bilden einer ersten Materialschicht für die Einstellung einer Austrittsarbeit
in der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur, wobei das
erste Material zur Austrittsarbeitseinstellung eine Tantalnitridschicht
aufweist. Das Verfahren umfasst ferner das Entfernen eines Teils
des ersten Materials zur Austrittsarbeitseinstellung von der zweiten
Gateelektrodenstruktur unter Anwendung der Tantalnitridschicht als
eine Ätzstoppschicht. Des
weiteren umfasst das Verfahren das Entfernen der Tantalnitridschicht
durch Ausführen
eines nasschemischen Ätzprozesses
und das Bilden einer zweiten Materialschicht zur Austrittsarbeitseinstellung
in der zweiten Gateelektrodenstruktur und über einem nicht entfernten
Bereich des ersten Materials zur Austrittsarbeitseinstellung in
der ersten Gateelektrodenstruktur.
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Ein
anschauliches hierin offenbartes Halbleiterbauelement umfasst einen
ersten Transistor mit einer ersten Gateelektrodenstruktur, wobei
die erste Gateelektrodenstruktur eine erste Gateisolationsschicht
mit einem dielektrischen Material mit großem ε, ein metallenthaltendes Material,
das über
dem dielektrischen Material mit großem ε gebildet ist, eine Tantalnitridschicht,
die über
dem metallenthaltenden Deckmaterial gebildet ist, und ein erstes
Material zur Austrittsarbeitseinstellung aufweist, was über der Tantalnitridschicht
gebildet ist. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement einen
zweiten Transistor mit einer zweiten Gateelektrodenstruktur, die
wiederum eine zweite Gateisolationsschicht aufweist, die das dielektrische
Material mit großem ε, das metallenthaltende
Deckmaterial und ein zweites Material zur Austrittsarbeitseinstellung
aufweist, das über dem
metallenthaltenden Material gebildet ist, und das auf isolierenden
Seitenwandoberflächen
der zweiten Gateelektrodenstruktur ausgebildet ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird,
in denen:
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1a bis 1c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zeigen, um die Austrittsarbeit moderner Gateelektrodenstrukturen
auf der Grundlage eines Tantalätzstoppmaterials
und auf der Grundlage eines selektiven Entfernens davon basierend
auf Sputter-Ätztechniken
gemäß konventioneller
Strategien zeigen;
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2a bis 2c schematisch
Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser
Fertigungsphasen zeigen, wobei zwei unterschiedliche Materialschichten
zur Austrittsarbeitseinstellung auf der Grundlage eines leitenden Ätzstoppmaterials,
etwa auf der Grundlage von Tantalnitridmaterial, bereitgestellt
werden, das selektiv auf der Grundlage eines nasschemischen Ätzrezepts
gemäß anschaulicher
Ausführungsformen
entfernt wird; und
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2d und 2e schematisch
Querschnittsansichten des Halbleiterbauelements gemäß weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
zeigen, in denen ein Material zur Austrittsarbeitseinstellung, etwa
eine Titannitridmaterialschicht, selektiv auf der Grundlage eines
nasschemischen Ätzrezepts
entfernt wird, ohne dass ein zusätzliches
leitendes Ätzstoppmaterial
vorgesehen wird, wobei eine silizium- und sauerstoffenthaltende
Materialschicht, die auf einer leitenden Deckmaterialschicht gebildet
ist, gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen
verwendet wird.
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Detaillierte Beschreibung
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den
Zeichnungen dargestellt sind, sollte beachtet werden, dass die folgende
detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen nicht beabsichtigen,
den hierin offenbarten Gegenstand auf die speziellen offenbarten
anschaulichen Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen an schaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Im
Allgemeinen stellt die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente
und Fertigungsverfahren bereit, in denen ein Austauschgateansatz
angewendet wird, der eine bessere Prozessgleichmäßigkeit und damit eine geringe
Variabilität
der Transistoreigenschaften mit sich bringt. Dazu werden unerwünschte leitende
Materialien, Titannitrid, Tantalnitrid und dergleichen selektiv
in einer Gateelektrodenstruktur nach dem Ersetzen eines Platzhaltermaterials
auf der Grundlage eines nasschemischen Ätztechnik entfernt, wodurch
deutlich die Wahrscheinlichkeit des Erzeugens zusätzlicher ätzabhängiger Schäden in dem
darunter liegenden empfindlichen Gatestapel verringert wird. In
einer anschaulichen Ausführungsform,
wie sie hierin offenbart ist, wird Tantalnitridmaterial, das effizient
als eine Ätzstoppschicht
während
des Entfernens eines ersten Materials für die Austrittsarbeitseinstellung
verwendet wird, etwa Titannitrid, selektiv von der anderen Gateelektrodenstruktur
entfernt, indem ein nasschemisches Mittel verwendet wird, das in
einer anschaulichen Ausführungsform
auf der Grundlage einer Ammoniumhydroxid/Wasserstoffperoxidmischung
bereitgestellt wird, von der erkannt wurde, dass diese eine ausreichende Ätzselektivität in Bezug
auf das dünne dielektrische
Materialien, etwa Siliziumdioxid, Silizium und sauerstoffenthaltende
dielektrische Schichten und dergleichen besitzen. Somit wird in
einigen anschaulichen Ausführungsformen
die leitende Barrierenschicht oder Ätzstoppschicht effizient entfernt, indem
ein entsprechendes Beschichtungsmaterial in einer oder beiden Gateelektrodenstrukturen
in einer frühen
Fertigungsphase vorgesehen wird, beispielsweise beim Abscheiden
des Platzhaltermaterials in Form eines Siliziummaterials, wodurch
ein sehr effizienter gesamter Fertigungsablauf im Vergleich zu konventionellen
Strategien beibehalten wird. Andererseits wird ein unerwünschter
Bereich des leitenden Barrierenmaterials, etwa des Tantalnitridmaterials,
effizient entfernt, ohne dass im Wesentlichen das leitende Deckmaterial
oder das empfindliche dielektrische Material mit großem ε geschädigt wird.
Nach dem Abscheiden einer weiteren Materialschicht zur Austrittsarbeitseinstellung,
etwa eines Lanthanum-Materials, eines Aluminiummaterials und dergleichen,
werden folglich bessere Bedingungen für das Verteilen der gewünschten
Metallsorte in Richtung des empfindlichen Gateisolationsmaterials
erreicht, wobei dennoch ein hoher Grad an Prozessgleichmäßigkeit
möglich
ist. Daher können
Austauschgatelösungen,
in denen die Materialien für
die Austrittsarbeitseinstellung für beide Arten von Transistoren
in einer sehr späten
Fertigungspha se bereitgestellt werden, effizient angewendet werden
und führen
zu besseren Transistoreigenschaften.
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In
noch anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird der hohe Grad an Ätzselektivität eines
nasschemischen Ätzrezepts
eingesetzt, um ein erstes Material zur Austrittsarbeitseinstellung,
etwa ein Titannitridmaterial, vorzusehen, ohne dass eine zusätzliche Ätzstoppschicht
verwendet wird, und es wird dieses Material von der anderen Art
an Transistoren selektiv entfernt, wodurch die gesamte Komplexität der Fertigungssequenz
verringert wird.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e werden nunmehr
weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter
beschrieben, wobei auch auf die 1a bis 1c bei
Bedarf Bezug genommen wird.
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2a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 200 in
einer fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, umfasst d
das Bauelement 200 ein Substrat 201, über welchem
eine Halbleiterschicht 203 gebildet ist. Das Substrat 201 repräsentiert
ein geeignetes Trägermaterial,
um darüber
die Halbleiterschicht 203 herzustellen, die ein siliziumbasiertes
Halbleitermaterial, ein germaniumenthaltendes Siliziummaterial und dergleichen
repräsentieren
kann. Ferner kann eine vergrabene isolierende Schicht (nicht gezeigt)
zwischen dem Substratmaterial 201 und der Halbleiterschicht 203 gebildet
sein, wenn eine SOI-(Silizium-auf-Isolator-)Konfiguration betrachtet
wird. In diesem Falle werden entsprechende aktive Gebiete 203a, 203b,
die in der Halbleiterschicht 203 auf der Grundlage geeigneter
Isolationsstrukturen 203c hergestellt sind, voneinander
durch die vergrabene isolierende Schicht und die Isolationsstruktur 203c elektrisch
isoliert. In anderen Fällen
wird eine „Vollsubstratkonfiguration” eingesetzt,
in der die Halbleiterschicht 203 einen oberen Bereich eines
kristallinen Halbleitermaterials des Substrats 201 repräsentiert. Bei
Bedarf können
eine Vollsubstratkonfiguration und eine SOI-Konfiguration in unterschiedlichen
Bereichen des Halbleiterbauelements 200 gleichzeitig verwendet
sein. In der gezeigten Fertigungsphase ist ein Transistor 250a in
und über
dem aktiven Gebiet 203 gebildet und repräsentiert
einen p-Kanaltransistor. In ähnlicher
Weise ist ein zweiter Transistor 250b in und über dem
aktiven Gebiet 203b gebildet und repräsentiert einen n-Kanaltransistor.
Es sollte jedoch beachtet werden, dass in anderen Fällen die
Transistoren 250a, 250b allgemein Transistoren
repräsentieren, die
unterschiedliche Arten von Materia lien für die Austrittsarbeitseinstellung
erfordern, um damit die gewünschte
Schwellwertspannungen unabhängig von
der Leitfähigkeitsart
zu erzielen. Ferner enthalten die Transistoren 250a, 250b Drain-
und Sourcegebiete 253, die Metallsilizidgebiete 254 enthalten
können. Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b der
Transistoren 250a, 250b enthalten eine Gateisolationsschicht 261,
die ein leitendes Deckmaterial 262 von einem Kanalgebiet 252 trennt.
Wie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist,
umfasst die Gateisolationsschicht 261 ein dielektrisches
Material mit großem ε einer beliebigen
Art, während
das Deckmaterial 262 ein geeignetes metallenthaltendes und
leitendes Material zum Schutz des empfindlichen Materials in der
Schicht 261 repräsentiert
und für bessere
Bedingungen während
des Transistorbetriebs sorgt, wie dies zuvor erläutert ist. Beispielsweise ist
das Deckmaterial 262 aus Titannitrid aufgebaut. In der
gezeigten Ausführungsform
enthält
jede der Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b ein
Beschichtungsmaterial 263, etwa in Form eines silizium- und
sauerstoffenthaltenden dielektrischen Materials mit einer Dicke
von ungefähr
1 nm bis mehrere nm, wobei dies von der Prozessstrategie und den
Bauteilerfordernissen abhängt.
In anderen anschaulichen Ausführungsformen
wird das Beschichtungsmaterial 263 selektiv in der Gateelektrodenstruktur 260b vorgesehen,
um als ein effizientes Ätzstoppmaterial während der
weiteren Bearbeitung zu dienen, während das Material 263 in
der Gateelektrodenstruktur 260a weggelassen wird oder mit
einer deutlich geringeren Dicke vorgesehen wird, wodurch ein Diffusionswiderstand
beim Verteilen einer gewissen Metallsorte in Richtung der Gateisolationsschicht 261 des Transistors 250a in
einer späteren
Fertigungsphase verringert wird. In der gezeigten Fertigungsphase
ist ferner ein Platzhaltermaterial, etwa ein Siliziummaterial, von
den Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b entfernt,
und ein leitendes Barrierenmaterial oder Ätzstoppmaterial 264 in
Kombination mit einem ersten Material zur Austrittsarbeitseinstellung 265 ist
in der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur 260a, 260b gebildet.
Wie ferner zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist,
grenzt eine Abstandshalterstruktur 255 möglicherweise
in Verbindung mit einem Seitenwandbeschichtungsmaterial 266 lateral
die Gateelektrodenstruktur 260a, 260b ein. Des
weiteren ist ein dielektrisches Zwischenschichtmaterial 210 möglicherweise
mehreren diversen Materialschichten, etwa Schichten 211 und 212,
vorgesehen. Es sollte beachtet werden, dass bei Bedarf ein oder
mehrere der Materialien des dielektrischen Zwischenschichtmaterials 210 mit
einem hohen inneren Verspannungspegel bereitgestellt werden können, um
damit das Leistungsverhalten eines oder beider der Transistoren 250a, 250b zu
verbessern. Beispielsweise wird Siliziumnitridmaterial, stickstoffenthaltendes
Siliziumkarbidmaterial und dergleichen mit einem hohen inneren Ver spannungspegel, etwa
ein kompressiven Verspannung oder Zugverspannung, vorgesehen, was
vorteilhaft ist bei der Modifizierung der Ladungsträgerbeweglichkeit
in den Kanalgebieten 252.
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Das
in 2a gezeigte Halbleiterbauelement 200 kann
auf der Grundlage von Prozesstechniken hergestellt werden, die bei
Bedarf einen hohen Grad an Kompatibilität bei konventionellen Techniken besitzen,
wie sie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert sind.
In einigen anschaulichen Ausführungsformen
werden beispielsweise die aktiven Gebiete 203a, 203b und
die Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b auf der
Grundlage von Fertigungstechniken hergestellt, wie sie zuvor beschrieben
sind. In anderen Ausführungsformen
geht das Herstellen der Gateisolationsschicht 261 und des Deckmaterials 262 mit
einem geeigneten Lithographieprozess einher, um das Beschichtungsmaterial 263 selektiv
in der Gateelektrodenstruktur 260b vorzusehen, was bewerkstelligt
werden kann, indem eine geeignete dielektrische Beschichtung mit
einer gewünschten
Materialzusammensetzung und Dicke gebildet wird und indem nachfolgend
dieses Material von dem aktiven Gebiet 203a abgetragen
wird. Wie zuvor mit Bezug zu dem Halbleiterbauelement 100 erläutert ist,
wird häufig
ein silizium- und sauerstoffenthaltendes Material beim Abscheiden
eines Platzhaltermaterials, etwa eines amorphen Siliziummaterials
oder eines Polysiliziummaterials, erzeugt, und dieses Material wird
als Beschichtungsmaterial 263 während der folgenden Fertigungssequenz
beibehalten. In anderen Fällen
wird das Erzeugen eines entsprechenden silizium- und sauerstoffenthaltenden Beschichtungsmaterials
unterdrückt,
indem die Einwirkung von einer sauerstoffenthaltenden Umgebung auf
das Bauelement 200 unterdrückt wird und indem zumindest
ein Teil des Platzhaltermaterials ohne einen ungeeigneten Sauerstoffanteil
innerhalb der Abscheideatmosphäre
aufgebracht wird. Daraufhin wird ein Teil des Materials behandelt,
beispielsweise durch Einbau von Sauerstoff in einer sehr gut steuerbaren
Weise, etwa durch eine nasschemische Oxidation und dergleichen,
und durch selektives Abtragen eines entsprechenden oxidierten Bereichs
auf der Grundlage eines Maskenschemas und einer selektiven Ätzchemie,
wobei ein verbleibender Bereich des zuvor aufgebrachten Platzhaltermaterials
als ein effizientes Ätzstoppmaterial
dienen kann, um nicht in unerwünschter
Weise eine Wechselwirkung mit dem Deckmaterial 262 hervorzurufen.
Daraufhin wird der verbleibende Teil des Platzhaltermaterials und
weitere Materialien nach Bedarf zum Strukturieren der Gateelektrodenstrukturen
und zum Ausführen
nachfolgender Fertigungsprozesse aufgebracht. In diesem Falle wird
zumindest eine Asymmetrie in Bezug auf das Beschichtungsmaterial 263 zwischen
der Gateelektro denstruktur 260a und der Gateelektrodenstruktur 260b erzeugt,
falls dies als geeignet erachtet wird.
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Im
Folgenden sei angenommen, dass ein im Wesentlichen gleichmäßiges Beschichtungsmaterial 263 in
der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur 260a, 260b mit
einer Dicke von ungefähr
0,5 nm bis 5 nm vorgesehen ist, wobei auch größere Werte verwendet werden
können,
in die Einwirkung des Sauerstoffs in geeigneter Weise gesteuert
wird, wie dies zuvor erläutert
ist.
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Nachfolgend
werden die Gatematerialien strukturiert, wie dies auch zuvor beschrieben
ist, woran sich das Herstellen der Seitenwandbeschichtung 266 anschließt, falls
dies erforderlich ist, um die gesamte Integrität der Materialien 261 und 262 weiter zu
verbessern. Als nächstes
werden die Drain- und Sourcegebiete 253 in Verbindung mit
dem Seitenwandabstandshalter 255 hergestellt, woran sich
das Ausführen
einer Silizidierungssequenz zur Herstellung der Gebiete 254 anschließt. Daraufhin
wird das Platzhaltermaterial auf der Grundlage einer geeigneten
nasschemischen oder plasmaunterstützten Ätzchemie entfernt wobei zumindest
in der zweiten Gateelektrodenstruktur 260b der entsprechende Ätzprozess
an dem Beschichtungsmaterial 263 angehalten wird. Als nächstes werden
die Schichten 264 und 265 abgeschieden, beispielsweise
durch Sputter-Abscheidung, CVD (chemische Dampfabscheidung) und
dergleichen. Daraufhin wird eine Maske 204 vorgesehen,
um einen freiliegenden Bereich des Materials für die Austrittsarbeit selektiv
von dem zweiten Transistor 250b zu entfernen. In einer
anschaulichen Ausführungsform
wird eine Ätzumgebung 205 eingerichtet
unter Anwendung eines nasschemischen Ätzrezepts auf der Grundlage
von schwefliger Säure (H2SO4) und Wasserstoffperoxid
(H2O2), das Titannitridmaterial ätzt, während eine
deutlich geringere Ätzrate
für Tantalnitridmaterial
erreicht wird. Während des Ätzprozesses 205 kann
folglich das Material 265 effizient ohne Schädigung der
empfindlichen Materialien 262, 261 in der Gateelektrodenstruktur 260b abgetragen
werden, selbst wenn die Barrierenschicht 264 mit einer
geringeren Dicke von ungefähr
5 nm und weniger vorgesehen wird.
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2b schematisch
den Transistor 250b des Bauelements 200 in einer
weiteren Fertigungsphase. Wie gezeigt, unterliegt das Bauelement 200 der
Einwirkung einer Ätzumgebung 206,
um den freiliegenden Bereich der Ätzstoppschicht 264 zu
entfernen, ohne dass zumindest die empfindlichen Materialien 262 und 261 in
der Gateelektrodenstruktur 260b wesentlich modifiziert
werden. Zu diesem Zweck wird eine nasschemische Ätzumgebung eingerichtet um das
Material 264 im Wesentlichen vollständig selektiv zu dem Beschichtungsmaterial 263 abzutragen,
was in einer anschaulichen Ausführungsform
auf Grundlage von Ammoniumhydroxid in Verbindung mit Wasserstoffperoxid
bewerkstelligt wird. Zu diesem Zweck wird das Ammoniumhydroxid (NH4OH) und das Wasserstoffperoxid als eine
wässrige
Lösung
bereitgestellt, die eine moderat hohe Ätzrate für Materialien, etwa Titannitrid,
Tantalnitrid und dergleichen besitzt, während der Ätzwiderstand dielektrischer
Materialien, etwa von Siliziumnitrid, Silizium und sauerstoffenthaltender
dielektrischer Materialien und dergleichen, relativ hoch ist, so
dass das Entfernen der dünnen
Schicht 264 nicht zu einer ausgeprägten Schädigung der Schicht 262 führt. Während des Ätzprozesses 206 dient
somit die Beschichtung 263 effizient als ein Ätzstoppmaterial,
wodurch eine gewünschte Schädigung des
tieferliegenden empfindlichen Materials effizient unterdrückt wird.
Während
des Ätzprozesses 206 wird
auch das Material 264 von Seitenwandbereichen 260s abgetragen,
wodurch die Beschichtung 266 freigelegt wird. Folglich
kann die bessere Gleichmäßigkeit
innerhalb der Öffnung 260o der Gateelektrodenstruktur 260b nach
dem Abscheiden eines Materials zur Austrittsarbeitseinstellung für den Transistor 260b erreicht
werden. Es sollte beachtet werden, dass die Ätzrate während des Prozesses 206 auf
Basis von Ammoniumhydroxid von der Zusammensetzung, d. h. der Konzentration
der diversen Komponenten, der Temperatur der nasschemischen Lösung, den
Materialeigenschaften der Schicht 264 abhängen kann,
so dass bei vorgegebenen Bedingungen diese Parameter der Ätzprozess durch
die Ätzzeit
so gesteuert werden kann, dass das Material 264 innerhalb
der Öffnung 264o im
Wesentlichen vollständig
entfernt wird. Beispielsweise können
geeignete Prozessparameter für
eine gegebene Zusammensetzung der Materialschicht 64 effizient festgelegt
werden, indem mehrere unterschiedliche Parameter für den Ätzprozess 206,
etwa eine unterschiedliche Konzentration, eine unterschiedliche Temperatur,
ausgewählt
werden, wodurch entsprechende Ätzraten
für die
diversen Ätzparameter
ermittelt werden. Folglich sorgt das Ätzrezept auf der Grundlage
von Ammoniumhydroxid für
einen hohen Grad an Flexibilität
beim Bestimmen geeigneter Prozessparameter zum Entfernen von Tantalnitridmaterial,
das auf der Grundlage einer gewünschten
Abscheidetechnik hergestellt wird, was somit zu unterschiedlichen
Materialeigenschaften führen
kann. Ferner können
auch die Parameter des Prozesses 206 in geeigneter Weise
an die Eigenschaften des Beschichtungsmaterials 263, beispielsweise
an die Dicke und die Materialzusammensetzung angepasst werden, um
eine geeignete Abtragsrate in Verbindung mit einer geeig neten Ätzzeit zu
erhalten, ohne dass im Wesentlichen die Materialschichten 262 und 261 während des
Prozesses 206 beeinträchtigt
werden.
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2c zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, ist ein Material
für die
Austrittsarbeitseinstellung 166 in der zweiten Gateelektrodenstruktur 260b gebildet,
woran sich ein Elektrodenmaterial 267 anschließt, das
ein beliebiges geeignetes metallenthaltendes Material, etwa Aluminium, Wolfram
und dergleichen repräsentiert.
In der gezeigten Ausführungsform
ist das Material für
die Austrittsarbeitseinstellung 266 auch in der Gateelektrodenstruktur 260a auf
dem zuvor bereitgestellten Material für die Austrittsarbeitseinstellung 265 gebildet,
woran sich das Elektrodenmaterial 267 anschließt. Es sollte beachtet
werden, dass in anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt)
das Material 266 von der Gateelektrodenstruktur 260a entfernt
ist, wenn dies als geeignet erachtet wird. Das Material 266 kann
auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Abscheidetechnik hergestellt
werden, etwa durch CVD (chemische Dampfabscheidung), Sputter-Abscheidung,
wobei jedoch Prozessparameter ohne eine Vor-Sputter-Ätzphase
angewendet werden, um nicht in unerwünschter Weise die empfindlichen
Materialien 262 und 261 zu beeinträchtigen. Beispielsweise
kann eine Vielzahl geeignete Materialien, etwa Lanthanum, Aluminium
und dergleichen auf der Grundlage einer plasmafreien Umgebung aufgebracht
werden, wodurch die empfindlichen Materialien in der Gateelektrodenstruktur 260b nicht
in unerwünschter
Weise beeinträchtigt
werden. Auf Grund des vorhergehenden im Wesentlichen vollständigen Entfernens
des Materials 264 kann auch das Material 266 auf
den dielektrischen Seitenwandbereichen 260l aufgebracht
werden, so dass das Material 266 sich über die gesamte Länge, die
als 260l bezeichnet ist, der Gateelektrodenstruktur 260b erstreckt.
Somit kann eine bessere Gleichmäßigkeit der
resultierenden Austrittsarbeit über
die gesamte Länge
und Breite des Transistors 250b erreicht werden Nach dem
Abscheiden des Materials 266 wird ein geeignetes Gateelektrodenmaterial
gemeinsam in den Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b aufgebracht,
indem eine beliebig geeignete Abscheidetechnik angewendet wird.
Beispielsweise können Aluminium,
Wolfram oder sogar gut leitende Materialien, etwa Kupfer, angewendet
werden, wenn ein ausreichendes Kupfereinschlussvermögen der
Materialien 266, 262 e3ine unerwünschte Kupferdiffusion
in empfindliche Bereiche der Transistoren 250a, 250b die
jeweiligen aktiven Gebiete 203a, 203b unterdrücken kann.
Wie zuvor erläutert
ist, wird in einigen anschaulichen Ausführungsformen nach dem Abscheiden
des Materials 266 ein Teil davon von der Gateelektrodenstruktur 260a entfernt,
wenn dies als geeignet erachtet wird, indem beispielsweise eine
geeignete Ätzmaske
vorgesehen wird und das Material 265 als ein effizientes
Stoppmaterial eingesetzt wird, wobei sogar eine ausgeprägte Ätzselektivität nicht erforderlich
ist, solange eine Dicke des Materials 265 größer ist
als eine Dicke des Materials 266.
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Nach
dem Abscheiden des gemeinsamen Elektrodenmaterials 267 wird überschüssiges Material
entfernt, beispielsweise durch CMP (chemisch-mechanisches Polieren)
und dergleichen. Vor oder nach dem Entfernen des überschüssigen Materials
wird bei Bedarf eine Wärmebehandlung
ausgeführt,
um die Metallsorte in Richtung zu der Deckschicht 262 und
der Gateisolationsschicht 261 zu verteilen, wodurch die
endgültige
Austrittsarbeit für
die Gateelektrodenstrukturen 260a, 260b erreicht
wird. Daraufhin wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem
ein weiteres dielektrisches Zwischenschichtmaterial abgeschieden
wird und in den Kontaktelementen darin hergestellt werden, so dass
eine Verbindung zu den Transistoren 250a, 250b erhalten wird,
wie dies für
den gesamten Schaltungsaufbau erforderlich ist.
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2d zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 gemäß noch weiterer
anschaulicher Ausführungsformen.
Wie gezeigt, ist das erste Material für die Austrittsarbeitseinstellung 265,
beispielsweise in Form eines Titannitridmaterials, in der ersten und
der zweiten Gateelektrodenstruktur 260a gebildet, ohne
dass eine leitende Barrierenschicht oder ein Ätzstoppmaterial, etwa eine
Tantalnitridschicht, vorgesehen wird, wie dies zuvor mit Bezug zu
den 2a bis 2c erläutert ist.
In diesem Falle wird das Material 265 direkt auf dem Beschichtungsmaterial 263 und
den dielektrischen Seitenwandbereichen 260s in der ersten
und der zweiten Gateelektrodenstruktur 260a, 260b gebildet.
In der gezeigten Fertigungsphase unterliegt das Bauelement 200 mit
der Ätzmaske 204 der
Einwirkung der Ätzumgebung 206, die
in einigen anschaulichen Ausführungsformen
auf der Grundlage von Ammoniumhydroxid und Wasserstoffperoxid eingerichtet
wird, wie dies zuvor erläutert ist,
das auch effizient Titannitridmaterial selektiv in Bezug auf das
Beschichtungsmaterial 263 ätzt. Im Hinblick auf das Bestimmen
geeigneter Parameter gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor
mit Bezug zur 2b erläutert sind. Folglich werden
eine geeignete Temperatur, Konzentration und Ätzzeit für gegebene Materialeigenschaften
der Schicht 265 festgelegt, um nicht in unerwünschter
Weise die Integrität des
Deckmaterials 262 in der zweiten Gateelektrodenstruktur 260b zu
beeinträchtigen.
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2e zeigt
schematisch das Halbleiterbauelement 200 in einer weiter
fortgeschrittenen Fertigungsphase, in der das zweite Material zur
Austrittsarbeitseinstellung 266 in der ersten und der zweiten Gateelektrodenstruktur 260a, 260b gebildet
ist. Wie gezeigt, ist das Material 266 direkt auf den Seitenwandflächen und
der verbleibenden Beschichtung 263 ausgebildet, wodurch
bessere Prozessbedingungen während
der nachfolgenden Bearbeitung zum Einstellen der endgültigen Austrittsarbeit
der Gateelektrodenstruktur 260b erreicht werden. Andererseits
ist auch das erste Material 265 in unmittelbarer Nähe zu dem
Deckmaterial 263 ausgebildet und erstreckt sich über die
gesamte Länge
der Gateelektrodenstruktur 260a, wodurch ebenfalls für bessere Prozessbedingungen
beim Einstellen der endgültigen
Austrittsarbeit geschaffen werden. Andererseits repräsentiert
die Schicht 265 einen Diffusionswiderstand für das Material 266 während der
nachfolgenden Prozesse, etwa während
einer Wärmebehandlung,
wodurch die Schwellwertspannung auf der Grundlage der Sorte in der
Schicht 265 im Wesentlichen festgelegt ist. Es sollte beachtet
werden, dass das Material 266 selektiv von der Gateelektrodenstruktur 260a entfernt
werden kann, wie dies als geeignet erachtet wird, wie dies auch
zuvor erläutert
ist.
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Daraufhin
wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, in dem ein gemeinsames
Elektrodenmaterial aufgebracht und überschüssiges Material davon entfernt
wird, wie dies auch zuvor erläutert
ist.
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Es
gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente
und Fertigungstechniken bereit, in denen die Austrittsarbeit unterschiedlicher
Gateelektrodenstrukturen in einer sehr späten Fertigungsphase eingestellt
wird, d. h. nach der Ausbildung der Drain- und Sourcegebiete entsprechender Transistorelemente,
ohne dass aggressive Ätzprozesse,
etwa Sputter-Ätzprozesse
zum selektiven Entfernen einer oder mehrerer Materialschichten angewendet
werden, die für
das Einstellen der Austrittsarbeit einer Art an Transistor vorgesehen
wird. Zu diesem Zweck wird zumindest eine der Materialschichten
auf der Grundlage eines nasschemischen Ätzrezepts abgetragen, wodurch
die Schädigung
der empfindlichen darunter liegenden Materialien, etwa des leitenden
Deckmaterials und des dielektrischen Materials mit großem ε, im Wesentlichen
unterdrückt wird.
Beispielsweise kann Tantalnitrid, das effizient als eine Barrierenmaterialschicht
verwendet wird, nachfolgend effizient auf der Grundlage eines Ammoniumhydroxidmittels
entfernt werden, ohne dass die darunter liegenden Materialschichten
wesentlich beeinträchtigt
werden.
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Weitere
Modifizierungen und Variationen der vorliegenden Erfindung werden
für den
Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Daher dient
diese Beschreibung lediglich anschaulichen Zwecken und soll dem
Fachmann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der hierin bereitgestellten Lehre
vermitteln. Selbstverständlich
sind die hierin gezeigten und beschriebenen Formen der vorliegenden
Erfindung als die gegenwärtig
bevorzugten Ausführungsformen
zu betrachten.