Die vorliegende Erfindung betrifft Halbleiterbauelemente mit unterschiedlichen Gateoxiddicken, insbesondere integriert mit Kondensatorstrukturen, und zugehörige Herstellungsverfahren.

In der Halbleitertechnologie, insbesondere bei der Integration von Halbleiterbauelementen wie zum Beispiel Hochvoltbauelementen, sind Oxidschichten wichtig, die eine hohe Qualität aufweisen. Die Oxide werden unter anderem für elektrische Isolationen verwendet. Dazu gehören zum Beispiel Oxidgräben im Halbleitersubstrat zur elektrischen Trennung von Schaltungskomponenten, Gateoxide zwischen der Gateelektrode und dem Kanalbereich von Feldeffekttransistoren und dielektrische Schichten zwischen den Elektroden von Kondensatorstrukturen. Die Qualität der Oxidschichten spielt dabei eine wesentliche Rolle.

Ein durch Erhitzen des Bauelementes thermisch hergestelltes Oxid ist vorteilhaft, weil es den Einsatz höchster Feldstärken im späteren Betrieb des Bauelementes ermöglicht. Zur Herstellung eines solchen Oxids wird allerdings ein relativ hohes thermisches Budget benötigt. Deswegen werden thermische Oxidschichten größerer Dicke im Rahmen eines Standardherstellungsprozesses vermieden. Oxidschichten können jedoch auch durch Abscheiden des Oxids hergestellt werden. Damit erhält man aber Oxidschichten, die nur für geringere elektrische Feldstärken geeignet sind.

Für unterschiedliche Bauelementtypen, zum Beispiel unterschiedliche Transistortypen, die für verschiedene Bereiche der Betriebsspannungen ausgelegt sind, oder unterschiedliche Kondensatortypen, deren Flächenkapazitäten in verschiedenen Bereichen liegen, werden die Oxidschichten in unterschiedlicher Dicke hergestellt. Durch eine bereichsweise Maskierung der Substratoberfläche wird erreicht, dass das thermische Oxid bereichsweise unterschiedlich dick hergestellt wird. Es stehen somit verschiedene Oxiddicken für verschiedene Bauelementtypen zur Verfügung. Aufgrund des begrenzten thermischen Budgets ist dieser Herstellungsprozess jedoch auf wenige verschiedene Oxiddicken begrenzt.

In der US 2003/0038313 A1 ist ein Bauelement mit Transistoren mit unterschiedlich dicken Gateoxiden beschrieben. Zu den Zwischenisolationsschichten eines Speichertransistors ist angegeben, dass eine erste Siliziumoxidschicht durch thermische Oxidation und eine zweite Siliziumoxidschicht durch CVD hergestellt wird. Zusammen mit diesen Schichten können Gateoxide unterschiedlicher Dicken hergestellt werden. Es sind auch unterschiedliche Wertebereiche für die Dicken dieser Schichten angegeben.

In der US 2005/0142816 A1 ist ein Herstellungsverfahren für Gate-Isolationsschichten unterschiedlicher Dicken beschrieben. Bei diesem Verfahren werden vier unterschiedlich dicke Gate-Dielektrika hergestellt, wobei zunächst ein erstes und ein zweites Gateoxid unterschiedlicher Dicke erzeugt werden und anschließend jeweils auf einen Teilbereich des ersten und des zweiten Gateoxids eine weitere Isolationsschicht aufgebracht wird. Das Aufbringen von Gateleitern wird vor der Fertigstellung aller Gate-Isolationsschichten nicht vorgesehen. Zwei von den Gate-Isolationsschichten umfassen Oxidnitridschichten, die durch thermische Nitridation hergestellt werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, anzugeben, wie eine größere Anzahl von Bauelementtypen mit jeweiligen unterschiedlichen Oxidschichten auf demselben Halbleiterchip einfach integriert werden kann. Außerdem sollen mit dem zugehörigen Herstellungsverfahren auch die Qualitätsanforderungen an die Oxidschichten erfüllt werden.

Diese Aufgabe wird mit dem Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruches 1 beziehungsweise mit dem entsprechend herzustellenden Halbleiterbauelement mit den Merkmalen des Anspruches 6 gelöst. Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen abhängigen Ansprüchen.

Bei dem Halbleiterbauelement sind zur Ausbildung unterschiedlicher Typen von Feldeffekttransistoren mindestens vier unterschiedlich dicke Gateoxide vorhanden. Auf den Gateoxiden ist jeweils ein elektrischer Leiter als Gate-Elektrode angeordnet. Die vier verschiedenen Schichtdicken der Gateoxide werden dadurch erreicht, dass zunächst zwei unterschiedlich dicke Gateoxide z. B. durch eine thermische Oxidation hergestellt werden. Danach wird eine weitere Oxidschicht abgeschieden, so dass insgesamt vier verschieden dicke Gateoxidschichten gebildet werden. Das wird erreicht, indem nach dem Herstellen der thermischen Gateoxide eine erste Leiterschicht, zum Beispiel elektrisch leitfähig dotiertes Polysilizium, aufgebracht und strukturiert wird, mit der die Gate-Elektroden der Transistortypen mit den ersten beiden Gateoxiddicken hergestellt werden. Dann wird die weitere Oxidschicht abgeschieden, wodurch die Dicken der Gateoxide unter den bereits hergestellten Gate-Elektroden nicht mehr verändert werden. In den Bereichen, in denen das thermische Oxid durch das abgeschiedene Oxid verstärkt worden ist, wird dann eine zweite Leiterschicht aufgebracht und strukturiert, mit der Gate-Elektroden weiterer Transistoren eines dritten und vierten Typs ausgebildet werden. Die zweite Leiterschicht kann zum Beispiel elektrisch leitfähig dotiertes Polysilizium sein.

Mit dem abgeschiedenen Oxid können auch Kondensatorstrukturen hergestellt werden. Dazu wird die erste Leiterschicht vorzugsweise auch zu unteren Kondensatorelektroden strukturiert. Darauf wird die abgeschiedene Oxidschicht aufgebracht, die als Kondensatordielektrikum vorgesehen ist. Aus der zweiten Leiterschicht werden dann die oberen Kondensatorelektroden strukturiert. Hierbei kann vorgesehen werden, Kondensatorstrukturen unterschiedlicher Kapazität dadurch auszubilden, dass das abgeschiedene Oxid von einem Teil der unteren Kondensatorelektroden entfernt wird. Es wird in diesem Fall dann noch eine weitere Oxidschicht abgeschieden, die die erste abgeschiedene Oxidschicht bei denjenigen Kondensatoren verstärkt, die noch über die erste abgeschiedene Oxidschicht verfügen, und in denjenigen Kondensatoren, bei denen die erste abgeschiedene Oxidschicht entfernt wurde, das gesamte Kondensatordielektrikum bildet. Das ergibt Kondensatortypen mit unterschiedlichen Dicken des Kondensatordielektrikums.

Mit zwei abgeschiedenen Oxidschichten kann die Gesamtdicke der hergestellten Gateoxide stärker verändert werden, als es mit nur einer abgeschiedenen Oxidschicht möglich ist, so dass auf diese Weise Transistoren eines fünften und sechsten Typs ausgebildet werden können, die sich von den Transistoren der bereits genannten dritten und vierten Typen durch dickere Gateoxide unterscheiden. Die Dicken der Gateoxide der Transistoren des fünften und sechsten Typs unterscheiden sich von den thermisch gewachsenen Gateoxiden, zumindest bis auf Herstellungstoleranzen, jeweils um die Summe der Dicken der beiden abgeschiedenen Oxidschichten, was wiederum der Dicke des dickeren Kondensatordielektrikums entspricht.

Es folgt eine genauere Beschreibung von Beispielen des Halbleiterbauelementes und eines Herstellungsverfahrens anhand der beigefügten Figuren.

Die 1 zeigt einen Querschnitt durch ein Zwischenprodukt eines Ausführungsbeispieles nach dem Aufbringen und Strukturieren einer ersten Leiterschicht und dem Abscheiden einer Oxidschicht.

Die 2 zeigt einen Querschnitt gemäß der 1 nach dem teilweisen Entfernen der abgeschiedenen Oxidschicht.

Die 3 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 nach dem Abscheiden und teilweisen Entfernen einer weiteren Oxidschicht.

Die 4 zeigt einen Querschnitt gemäß der 3 nach dem Strukturieren der weiteren abgeschiedenen Oxidschicht.

Die 5 zeigt einen Querschnitt gemäß der 4 nach dem Aufbringen und Strukturieren einer zweiten Leiterschicht.

Die 1 zeigt einen Ausschnitt aus einem Querschnitt durch ein Zwischenprodukt eines Ausführungsbeispiels mit einem Substrat 1, an dessen Oberseite bereichsweise ein Feldoxid 2 ausgebildet ist. Dazwischen befinden sich Schichten aus Oxid, die durch einen thermischen Prozess hergestellt sind. Für verschiedene Transistortypen sind Gateoxidschichten unterschiedlicher Dicke vorgesehen. Im linken Bereich der 1 ist ein erstes Gateoxid GOX1 dargestellt und im rechten Bereich der 1 ein dickeres zweites Gateoxid GOX2. Eine erste Leiterschicht 3 wurde aufgebracht und strukturiert, um Gate-Elektroden von Feldeffekttransistoren eines ersten und zweiten Typs auszubilden, die in dem Querschnitt der 1 jedoch nicht dargestellt sind. Diese Gate-Elektroden sind in einer an sich bekannten Weise auf dem ersten Gateoxid GOX1 beziehungsweise dem zweiten Gateoxid GOX2 angeordnet.

Bei dem in der 1 dargestellten Ausführungsbeispiel wurde die erste Leiterschicht 3 zusätzlich zu unteren Kondensatorelektroden strukturiert, die in dem gezeigten Beispiel auf dem Feldoxid 2 angeordnet sind. Es wird dann ganzflächig eine abgeschiedene Oxidschicht 4 aufgebracht, die auch die erste Leiterschicht 3 bedeckt. Wenn jetzt anschließend eine zweite Leiterschicht aufgebracht und strukturiert wird, können einerseits die oberen Kondensatorelektroden der Kondensatorstrukturen auf der abgeschiedenen Oxidschicht 4 ausgebildet werden und andererseits zwei weitere Transistortypen mit Gate-Elektroden auf den durch die abgeschiedene Oxidschicht 4 verstärkten thermischen Gateoxiden.

Die 2 zeigt in einem der 1 entsprechenden Querschnitt, dass die abgeschiedene Oxidschicht 4 zusammen mit dem thermischen Oxid zwei neue Gateoxide bildet, die gegenüber dem ersten Gateoxid GOX1 und dem zweiten Gateoxid GOX2 jeweils um die Dicke der abgeschiedenen Oxidschicht 4 verstärkt sind. Es sind auf diese Weise ein drittes Gateoxid GOX3 und ein viertes Gateoxid GOX4 ausgebildet. Unter den mit der ersten Leiterschicht bereits aufgebrachten Gate-Elektroden wird jedoch die Dicke des jeweiligen Gateoxids nicht mehr verändert. Wenn Gate-Elektroden auf dem dritten Gateoxid GOX3 und dem vierten Gateoxid GOX4 angeordnet werden, erhält man entsprechend den vier verschiedenen Gateoxiden vier verschiedene Transistortypen.

Die 2 zeigt außerdem an einem Beispiel, dass die abgeschiedene Oxidschicht 4 bereichsweise von der ersten Leiterschicht 3 entfernt werden kann, womit man in der Folge unterschiedliche Kondensatortypen herstellen kann. Auf der rechten Seite von 2 ist dargestellt, dass die abgeschiedene Oxidschicht 4 von der ersten Leiterschicht 3, die dort eine untere Kondensatorelektrode bildet, entfernt worden ist. Das geschieht weitgehend selektiv zu dem Material der ersten Leiterschicht 3, die zum Beispiel elektrisch leitfähig dotiertes Polysilizium sein kann und dabei allenfalls geringfügig abgetragen wird. Es wird hierbei eine Maske verwendet, die die abgeschiedene Oxidschicht 4 in den übrigen Bereichen bedeckt.

Der Querschnitt der 3 zeigt einen Querschnitt gemäß der 2 nach dem Aufbringen einer weiteren abgeschiedenen Oxidschicht 5. Die weitere abgeschiedene Oxidschicht 5 wird ganzflächig aufgebracht und verstärkt die bereits vorhandenen Oxidschichten. Auf der linken Seite von 3 ist erkennbar, dass das für die Kondensatorstruktur vorgesehene Kondensatordielektrikum an dieser Stelle jetzt aus der abgeschiedenen Oxidschicht 4 und der weiteren abgeschiedenen Oxidschicht 5 besteht, während auf der unteren Kondensatorelektrode auf der rechten Seite der 3 nur die weitere abgeschiedene Oxidschicht 5 vorhanden ist. Die Gateoxide im Bereich derjenigen Transistoren, die noch nicht mit Gate-Elektroden versehen worden sind, werden ebenfalls durch die weitere abgeschiedene Oxidschicht verstärkt.

Die 4 zeigt einen Querschnitt gemäß der 3 nach einer Strukturierung der weiteren abgeschiedenen Oxidschicht 5. Die weitere abgeschiedene Oxidschicht 5 ist jetzt von den Flanken der verbliebenen Anteile der ersten Leiterschicht 3 entfernt worden sowie gegebenenfalls von denjenigen Bereichen der Substratoberfläche, die nicht für Transistoren vorgesehen sind. Durch das Aufbringen der abgeschiedenen Oxidschicht 4 und der weiteren abgeschiedenen Oxidschicht 5 auf den thermisch hergestellten Gateoxiden GOX1 und GOX2 sind jetzt ein fünftes Gateoxid GOX5 und ein sechstes Gateoxid GOX6 gebildet worden. Das Abscheiden der weiteren Oxidschicht 5 ermöglicht es somit, die Gateoxide für weitere neue Transistortypen zu modifizieren.

Es kann dann gemäß dem Querschnitt der 5 eine zweite Leiterschicht 6 aufgebracht und strukturiert werden, die einerseits die Gate-Elektroden der Feldeffekttransistoren auf dem fünften Gateoxid GOX5 und dem sechsten Gateoxid GOX6 bildet und andererseits die oberen Kondensatorelektroden der Kondensatoren. Die Strukturierung der zweiten Leiterschicht 6kann in einer an sich bekannten Weise mittels einer Maske geschehen. Wenn das Material der zweiten Leiterschicht 6 zum Beispiel elektrisch leitfähig dotiertes Polysilizium ist, lässt es sich im Wesentlichen selektiv bezüglich des Oxids entfernen. Im Bereich außerhalb der strukturierten Leiterschichten bleiben daher die Oxidschichten im Wesentlichen erhalten und werden allenfalls geringfügig abgetragen. Unterhalb der zweiten Leiterschicht 6 wird die Oxiddicke ebenfalls nicht verändert, so dass die Dicken der verschiedenen Gateoxide und der Kondensatordielektrika durch die ursprüngliche Dicke der thermisch hergestellten Gateoxide sowie die Dicken der abgeschiedenen Oxidschichten 4, 5 sehr genau eingestellt werden können. Die verstärkten Gateoxide sind insbesondere zur Ausbildung von Hochvolttransistoren geeignet.

Typische Schichtdicken sind für das thermisch hergestellte erste Gateoxid GOX1 etwa 10 nm und das thermisch hergestellte zweite Gateoxid GOX2 etwa 40 nm. Die erste abgeschiedene Oxidschicht 4 ist typisch zum Beispiel etwa 80 nm dick und die weitere abgeschiedene Oxidschicht 5 typisch zum Beispiel etwa 38 nm dick. Das fünfte Gateoxid GOX5 wird damit etwa 128 nm dick und das sechste Gateoxid GOX6 158 nm. Mit diesen Gateoxiddicken ergibt sich die Möglichkeit, Gatespannungen bis etwa 40 V beziehungsweise bis etwa 50 V vorzusehen. Die Verbindung der beiden abgeschiedenen Oxidschichten 4, 5 liefert ein Kondensatordielektrikum einer Dicke von etwa 118 nm, was für Spannungen am Kondensator von bis zu 40 V geeignet ist. Die Schichtdicken verschiedener Ausführungsbeispiele liegen vorzugsweise in den folgenden Bereichen: GOX1 von 5 nm bis 20 nm, GOX2 von 30 nm bis 50 nm, GOX5 von 100 nm bis 145 nm, GOX6 von 110 nm bis 190 nm.

Das bevorzugte Ausführungsbeispiel mit zwei abgeschiedenen Oxidschichten ergibt zwei neue Feldeffekttransistoren mit erhöhten Gateoxiddicken sowie eine neue Kondensatorstruktur mit erhöhter Betriebsspannung. Das bevorzugte Herstellungsverfahren, wie es anhand der Figuren beschrieben worden ist, lässt sich besonders einfach in bestehende Prozesse integrieren, da in vielen CMOS-Prozessen bereits ein abgeschiedenes Oxid, entsprechend der weiteren abgeschiedenen Oxidschicht 5, als Kapazitätsoxid verwendet wird. Mit diesem Dielektrikum werden typischerweise Niedervoltkapazitäten (Poly/Poly Cap) realisiert. Die Verbindung aus thermisch gewachsenem Oxid und abgeschiedenem Oxid ermöglicht eine hohe Oxidqualität bei gleichzeitig begrenztem thermischem Budget.

1

Substrat

2

Feldoxid

3

erste Leiterschicht

4

abgeschiedene Oxidschicht

5

weitere abgeschiedene Oxidschicht

6

zweite Leiterschicht

GOX1

erstes Gateoxid

GOX2

zweites Gateoxid

GOX3

drittes Gateoxid

GOX4

viertes Gateoxid

GOX5

fünftes Gateoxid, erstes weiteres Gateoxid

GOX6

sechstes Gateoxid, zweites weiteres Gateoxid