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Gebiet der vorliegenden Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter Schaltungen und betrifft insbesondere thermische Detektionstechniken in Halbleiterbauelementen auf der Grundlage von Diodenstrukturen.
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Beschreibung des Stands der Technik
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Die Herstellung integrierter Schaltungen erfordert, dass eine große Anzahl an Schaltungselementen, etwa Transistoren und dergleichen, auf einer gegebenen Chipfläche gemäß einem spezifizierten Schaltungsaufbau ausgebildet werden. Im Allgemeinen werden eine Vielzahl von Prozesstechnologien aktuell eingesetzt, wobei für komplexe Schaltungen, etwa Mikroprozessoren, Speicherchips, ASICs (anwendungsspezifische ICs) und dergleichen die CMOS-Technologie aktuell eine der vielversprechendsten Vorgehensweisen ist auf Grund der guten Eigenschaften im Hinblick auf die Arbeitsgeschwindigkeit und/oder Leistungsaufnahme und/oder Kosteneffizienz. Während der Herstellung komplexer integrierter Schaltungen unter Anwendung der CMOS-Technologie werden Millionen komplementärer Transistoren, d. h. n-Kanaltransistoren und p-Kanaltransistoren, auf einem Substrat hergestellt, das eine kristalline Halbleiterschicht aufweist. Ein MOS-Transistor enthält, unabhängig davon, ob ein n-Kanaltransistor oder ein p-Kanaltransistor betrachtet wird, sogenannte pn-Übergänge, die durch eine Grenzfläche stark dotierter Drain- und Sourcegebiete mit einem invers oder schwach dotierten Kanalgebiet gebildet sind, das zwischen dem Draingebiet und dem Sourcegebiet angeordnet ist. Die Leiffähigkeit des Kanalgebiets, d. h. der Durchlassstrom des leitenden Kanals, wird durch eine Gateelektrode gesteuert, die über dem Kanalgebiet angeordnet und davon durch eine dünne isolierende Schicht getrennt ist. Die Leiffähigkeit des Kanalgebiets beim Aufbau eines leitenden Kanals auf Grund des Anlegens einer geeigneten Steuerspannung an die Gateelektrode hängt von der Dotierstoffkonzentration, der Beweglichkeit der Majoritätsladungsträger 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 bestimmt in Verbindung mit der Fähigkeit, rasch einen leitenden Kanal unter der isolierenden Schicht beim Anlegen der Steuerspannung an der Gateelektrode aufzubauen, die Leitfähigkeit des Kanalgebiets im Wesentlichen das Leistungsverhalten der MOS-Transistoren, woraus sich das Bestreben zum Reduzieren der Kanallänge von Transistoren ergibt.
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Die erhöhte Packungsdichte integrierter Schaltungen, die sich aus den geringeren Bauteilabmessungen ergibt, führte zu einer Integration von immer zahlreicheren Funktionen in einem einzelnen Halbleiterchip. Die reduzierten Strukturgrößen gehen auch mit geringeren Schaltzeiten der einzelnen Transistoren einher, wodurch zu einem erhöhten Leistungsverbrauch von MOS-Schaltungen beigetragen wird, da die kleineren Schaltzeiten den Betrieb der Transistoren bei höheren Schaltfrequenzen ermöglichen, was sich wiederum in einer höheren Leistungsaufnahme des gesamten Bauelements ausdrückt. In anspruchsvollen Anwendungen unter Anwendung dicht gepackter integrierter Schaltungen kann die Wärmeerzeugung extrem hohe Werte auf Grund der dynamischen Verluste, die durch die hohe Arbeitsgeschwindigkeit hervorgerufen werden, in Verbindung mit einer merklichen statischen Leistungsaufnahme der stark größenreduzierten Transistorbauelement auf Grund der erhöhten Leckströme, die sich aus den äußerst dünnen Gatedielektrika, den Kurzkanaleffekten und dergleichen ergeben, annehmen. Daher werden große Anstrengungen unternommen, um die Gesamtleistungsaufnahme zu reduzieren, indem die Verwendung von sehr schnellen Transistoren, die für gewöhnlich eine größere Wärmeerzeugung hervorrufen, auf gewisse leistungsbezogene kritische Signalpfade in der Schaltungsgestaltung beschränkt wird, während weniger kritische Bauelemente in anderen Schaltungsbereichen eingesetzt werden. Ferner können geeignete Mechanismen eingerichtet werden, um gewisse Schaltungsbereiche „auf Anforderung” zu betreiben und die lokalen oder globalen Betriebsbedingungen in Abhängigkeit von der thermischen Situation in dem Halbleiterchip zu steuern. Da externe Wärmesteuerungssysteme keine zuverlässige Abschätzung der chipinternen Temperaturverteilung auf Grund der verzögerten thermischen Reaktion des Gehäuses des Halbleiterbauelements und auf Grund der möglicherweise nicht ausreichenden räumlichen Temperaturauflösung ermöglichen, müssen diese externen Konzepte so gestaltetet sein, dass diese Beschränkungen berücksichtigt werden und es müssen daher ausreichende Betriebstoleranzbereiche im Hinblick auf die Temperatursteuerung geschaffen werden, da ansonsten eine Überhitzung und damit möglicherweise eine Zerstörung spezieller kritischer Schaltungsbereiche auftreten kann.
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Hersteller von Halbleiterprodukten bevorzugen daher zunehmend eine genaue interne Temperaturmessung, die im Wesentlichen nicht von externen Bauteilbedingungen und zugeordneten thermischen Komponenten abhängen, die der externen Manipulation unterliegen können, wodurch auch die geringe thermische Reaktionsgeschwindigkeit über das Bauteilgehäuse vermieden wird. Zu diesem Zweck werden anspruchsvolle Wärmeüberwachungsschemata typischerweise in der Gesamtgestaltung der integrierten Schaltung eingerichtet, die eine bauteilinterne Wärmesteuerung unabhängig von externen Bedingungen ermöglichen. Somit werden chipinterne Temperaturmessungen typischerweise in komplexen Bauelementen, etwa CPUs, ASICs und dergleichen ausgeführt, um bauteilinterne Daten zum Steuern des Betriebsverhaltens durch Einstellen der Betriebsfrequenz, Abschalten entsprechender Schaltungsbereiche und dergleichen bereitzustellen. Ein entsprechendes chipinternes Wärmesteuerungssystem beruht daher auf einer genauen Temperaturmessung. In vielen Lösungen zum Messen der chipinternen Temperatur oder der Temperaturgradienten wird dies erreicht, indem temperaturempfindliche Schaltungen über den Chip verteilt angeordnet werden, um lokal die Temperatur zu bestimmen. Die diversen Temperaturmessungen können dann kombiniert werden, um ein globales Messergebnis der Chiptemperatur bereitzustellen, wobei eine lokale Bewertung der thermischen Bedingungen über den Chip hinweg in Abhängigkeit von der Verteilung der temperaturempfindlichen Schaltungen möglich ist. Je besser die räumliche Auflösung des gemessenen Temperaturprofils sein soll, um so mehr Temperaturerkennungspositionen und entsprechende Sensorschaltungen sind somit erforderlich. Der Einbau einer Vielzahl von temperaturempfindlichen Schaltungen führt jedoch zu einem deutlichen „Verbrauch” an wertvoller Chipfläche des Halbleiterbauelements, wodurch typischerweise eine „Konkurrenzsituation” während des Schaltungsentwurfs zwischen eigentlichen Schaltungsbereichen und temperaturempfindlichen Bereichen hervorgerufen wird, daher werden häufig die temperaturempfindlichen Schaltungsbereiche mit geringerer Priorität im Vergleich zu den „eigentlichen” Schaltungsbereichen behandelt, woraus sich schließlich ein Schaltungsentwurf ergibt, in welchem die temperaturempfindlichen Schaltungen in wenig idealen Temperaturfühlerpositionen angeordnet sind. Beispielsweise ist die Gestaltung kritischen leistungsbezogenen Schaltungsbereichen des Bauelements, die bei höheren Geschwindigkeiten oder Frequenzen betrieben werden, nicht notwendigerweise kompatibel mit dem Vorsehen von Sensorelementen in diesen kritischen Bereichen, beispielsweise auf Grund der unerwünschten Länge der Signalführung und der reduzierten Geschwindigkeit. Obwohl somit diese leistungskritischen Bereiche typischerweise einen deutlich größeren Anteil an Wärme erzeugen, kann die Temperatur derartiger „heißer Punkte” nicht zuverlässig gemessen werden, da die temperaturempfindlichen Schaltungen durch die Entwurfserfordernisse an entfernten Positionen angeordnet werden. Daher kann in diesem Falle eine Schädigung der leistungskritischen Bereiche auftreten oder es werden entsprechende Wärmesteuerungsstrategien erforderlich, um damit der Diskrepanz der gemessenen Daten und der tatsächlichen thermischen Bedingungen in den leistungskritischen Bereichen Rechnung zu tragen. In ähnlicher Weise kann die thermische Antwort der temperaturempfindlichen Schaltungen durch die abschirmende Wirkung der Materialien und Strukturen beeinflusst werden, die in der Nähe der temperaturempfindlichen Schaltungen vorgesehen werden. Auf Grund der geringeren Wärmeleitungsfähigkeit von SOI-(Halbleiter-auf-Isolator)Bauelementen, die durch die vergrabene isolierende Schicht hervorgerufen wird, auf der die eigentliche „aktive” Bauteilschicht ausgebildet ist, ist die entsprechende Erkennung der aktuellen Temperatur in SOI-Bauelementen von besonderer Bedeutung, wobei zusätzlich die entwurfsabhängige Positionierung der temperaturempfindlichen Schaltungen noch weiter zu einer weniger effizienten Gesamttemperatursteuerung in modernsten SOI-Bauelementen beiträgt.
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Häufig wird für Temperaturüberwachungsanwendungen eine geeignete Siliziumdiodenstruktur verwendet, wobei die entsprechende Charakteristik der Siliziumdiode Information über die thermischen Bedingungen in der Nähe der Diodenstruktur ermöglicht. Die Empfindlichkeit und die Genauigkeit der entsprechenden Messdaten, die auf der Grundlage der Diodenstruktur erhalten werden, hängen merklich von der Diodencharakteristik ab, d. h. von der Strom/Spannungs-Charakteristik der Diode, die von der Temperatur und anderen Parametern beeinflusst ist. Für thermische Überwachungsanwendungen ist es daher typischerweise wünschenswert, eine im Wesentlichen „ideale” Diodencharakteristik vorzusehen, um damit die Möglichkeit zu schaffen, die Temperaturbedingungen innerhalb des Bauelements präzise abzuschätzen. In SOI-Bauelementen kann eine entsprechende Diodenstruktur, d. h. der entsprechende pn-Übergang, in dem Substratmaterial hergestellt werden, das unter der vergrabenen isolierenden Schicht angeordnet ist, über welcher die „aktive” Halbleiterschicht ausgebildet ist, die zur Herstellung der Transistorelemente verwendet wird. Somit treten zusätzlich zu der abschirmenden Wirkung der vergrabenen isolierenden Schicht zumindest einige zusätzliche Prozessschritte auf, beispielsweise zum Ätzen durch die Halbleiterschicht oder ein entsprechendes Grabenisolationsgebiet und durch die vergrabene isolierende Schicht, um das kristalline Substratmaterial freizulegen, so dass insgesamt zur Prozesskomplexität weiter beigetragen wird. Ansonsten kann die Diodenstruktur in der aktiven Bauteilschicht des SOI-Bauelements ähnlich wie in einer Vollsubstratkonfiguration gebildet werden. In jedem Falle erfordert die Siliziumdiodenstruktur für thermische Temperaturüberwachungsanwendungen einen größeren Siliziumflächenbedarf, um damit ein geeignetes Temperatursignal bereitzustellen, das im Hinblick auf eine effiziente Temperatursteuerung des Bauelements ausgewertet werden kann. Ferner können die Temperaturfühlerdioden in Verbindung mit einer geeigneten Auswerteschaltung ebenfalls ähnlichen Entwurfsbedingungen unterliegen, wie sie zuvor beschrieben sind, unabhängig davon, ob eine Vollsubstratarchitektur oder eine SOI-Architektur betrachtet wird. Somit können aktuell eingesetzte chipinterne Temperaturüberwachungsmechanismen, obwohl sie deutliche Vorteile gegenüber externen Temperatursteuersystemen bereitstellen, den Nachteil eines erhöhten Chipflächenbedarfs auf Grund der geringen Temperaturempfindlichkeit aufweisen, möglicherweise in Verbindung mit einem größeren Abstand zu heißen Punkten, was zu einer geringeren Zuverlässigkeit der chipinternen Temperatursteuerung führen kann.
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Die
US 6 230 497 B1 offenbart einen Halbleiterschaltkreis, der auf einem Kühler angeordnet ist. Der Kühler weist thermoelektrische Kühlerzellen auf, die n- und p-dotiertes Halbleitermaterial umfassen, das in Form von Tellurit, Silizium/Germanium oder Wismut/Antimon bereitgestellt wird. Der Kühler kann ferner beliebige Temperatursensoren, z. B. Dioden, die in das dotierte Halbleitermaterial geätzt sind, aufweisen.
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Die
DE 10 2006 002 904 A1 offenbart eine Bauelementanordnung und ein Verfahren zum Bestimmen einer Temperatur in einem Halbleiterbauelement, wobei der Temperatursensor, der als Diode ausgebildet sein kann, in dem selben Halbleiterkörper aber entfernt von dem Punkt angeordnet sein kann, an dem die Temperatur bestimmt werden soll.
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Die
GB 2 261 321 A offenbart ein Halbleitersubstrat, in dem ein Leistungsfeldeffekttransistor und eine Temperatursensordiode angeordnet ist.
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Die
DE 18 08 661 A offenbart Feldeffekttransistoren mit Schutzdioden, die das Gatedielektrikum gegen einen elektrischen Durchbruch schützen.
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Angesichts der zuvor beschriebenen Situation ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung Verfahren und Halbleiterbauelemente bereitzustellen, die eine verbesserte Temperaturüberwachung ermöglichen, während eines oder mehrere der oben erkannten Probleme vermieden oder zumindest in ihrer Auswirkung reduziert werden.
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Überblick über die Erfindung
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Im Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung Halbleiterbauelemente und Verfahren, die für verbesserte Temperaturüberwachungseigenschaften in Halbleiterbauelementen sorgen, wobei der Flächenbedarf verringert und/oder eine höhere Effizienz zum Bewerten von Temperaturen, beispielsweise von kritischen Bauteilgebieten, erreicht wird, indem die Temperaturempfindlichkeit thermischer Fühlerdiodenstrukturen verbessert wird. Zu diesem Zweck wird gemäß der vorliegenden Erfindung die Verwendung eines Halbleitermaterials mit einer geringeren Bandlückenenergie im Vergleich zu Silizium eingeführt, woraus sich eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit einer Diodenstruktur mit einem pn-Übergang, der Material mit einer geringeren Bandlückenenergie aufweist, ergibt. In anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird ein Germaniummaterial in die Diodenstruktur für siliziumbasierte Halbleiterbauelemente eingebaut, wodurch sich eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit ergibt, was zu einem geringeren Flächenverbrauch der Diodenstrukturen führt, die für thermische Überwachungsanwendungen eingesetzt werden, wenn dies mit konventionellen Siliziumdiodenstrukturen verglichen wird. In einigen anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird der Einbau des Germaniummaterials, beispielsweise in Form einer Silizium/Germanium-Legierung, mit einem hohen Maß an Kompatibilität mit Prozesstechniken erreicht, die zur Herstellung von Transistorelementen in der Bauteilschicht von SOI-Bauelementen oder von Vollsubstratbauelementen und auch in dem kristallinen Siliziumsubstrat von SOI-Bauelementen eingesetzt werden, wenn Germaniummaterial für die Leistungssteigerung von Transistorelementen eingesetzt wird, etwa von p-Kanaltransistoren, wie dies typischerweise in modernsten Halbleiterbauelementen der Fall ist. Folglich kann die Temperaturempfindlichkeit der thermischen Fühlerdiodenstrukturen verbessert werden, woraus sich ein geringerer Flächenbedarf ergibt, wobei im Wesentlichen eine zusätzliche Prozesskomplexität vermieden wird, wenn Germaniummaterial zur Bereitstellung von verformungsinduzierenden Mechanismen zumindest in einer Art von Transistorelementen eingesetzt wird. Somit kann ein höheres Maß an Abdeckung von interessierenden Bereichen innerhalb eines Chipgebiets erreicht werden, da die thermischen Fühlerdioden mit geringerer Größe ein höheres Maß an Flexibilität im Hinblick auf Entwurfsrandbedingungen für kritische Bauteilbereiche bieten, wie dies zuvor erläutert ist. Aus diesem Grund wird die gesamte chipinterne Temperatursteuerung verbessert, wodurch die Gesamtzuverlässigkeit moderner Halbleiterbauelemente gesteigert wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird speziell durch die Vorrichtungen der Ansprüche 1 und 9 und durch das Verfahren des Anspruches 17 gelöst.
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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 des Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer thermischen Fühlerdiodenstruktur und entsprechender Transistorelemente in einer Vollsubstratkonfiguration gemäß anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
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1d schematisch das Halbleiterbauelement während einer fortgeschrittenen Fertigungsphase mit einer Diodenstruktur zeigt, die ein Germaniummaterial gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen enthält;
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1e schematisch das Halbleiterbauelement in einer SOI-Konfiguration mit einer Diodenstruktur zeigt, die ein Germaniummaterial gemäß noch weiteren anschaulichen Ausführungsformen enthält;
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1f und 1g schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer Diodenstruktur mit einer Silizium/Germanium-Legierung zeigen, wobei ein n-dotiertes Gebiet und ein p-dotiertes Gebiet durch eine Isolationsstruktur gemäß anschaulicher Ausführungsformen getrennt sind;
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1h bis 1i schematisch Querschnittsansichten eines Halbleiterbauelements in einer SOI-Konfiguration während diverser Fertigungsphasen bei der Herstellung einer thermischen Fühlerdiode in dem kristallinen Substratmaterial des Bauelements gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigen;
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1j schematisch das Halbleiterbauelement gemäß einer SOI-Konfiguration zeigt, wobei ein p-dotiertes Gebiet und ein n-dotiertes Gebiet auf der Grundlage einer Silizium/Germanium-Legierung mit einem pn-Übergang gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen zeigt; und
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2 schematisch ein Halbleiterbauelement mit einer thermischen Fühlerdiodenstruktur auf Silizium/Germanium-Basis zeigt, die mit einer thermischen Hilfsschaltung gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen verbunden ist.
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Detaillierte Beschreibung
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Generell betrifft die vorliegende Erfindung verbesserte Techniken zur Überwachung der Temperaturverteilung in einem Halbleiterchip durch Vorsehen von temperaturempfindlichen Temperaturstrukturen mit verbesserter Temperaturempfindlichkeit und/oder geringerem Flächenbedarf. Die erhöhte Temperaturempfindlichkeit bietet eine größere Signalstärke, wodurch ebenfalls zu einer verbesserten Temperatursteuerungszuverlässigkeit in anspruchsvollen Anwendungen beigetragen wird. In anschaulichen hierin offenbarten Aspekten wird die Temperaturempfindlichkeit der Diodenstrukturen für thermische Überwachungsanwendungen verbessert, indem Germaniummaterial eingebaut wird, das im Vergleich zu Silizium eine geringere Bandlücke aufweist, woraus sich eine erhöhte Änderungsrate des Diodenstroms gegenüber der Diodentemperatur ergibt. Das Germaniummaterial kann auf der Grundlage einer beliebigen geeigneten Fertigungstechnik eingebaut werden, die im Stand der Technik gut bekannt ist, da Germaniummaterial häufig in Verbindung mit modernen Halbleiterbauelementen eingesetzt wird, um damit die Ladungsträgerbeweglichkeit zu erhöhen, indem ein Silizium/Germanium-Material an oder in der Nähe des Kanalgebiets geeignet angeordnet wird, um damit darin die Gitterstruktur zu modifizieren. Beispielsweise kann in modernen CMOS-Techniken das Leistungsverhalten von p-Kanaltransistoren verbessert werden, indem ein verformtes Silizium/Germanium-Legierungsmaterial in den Drain- und Sourcebereichen vorgesehen wird, woraus sich eine erhöhte Löcherbeweglichkeit ergibt, was sich wiederum direkt in einem größeren Durchlassstrom ausdrückt. Das Silizium-Germaniummaterial kann effizient auf Grundlage selektiver epitaktischer Aufwachsverfahren bereitgestellt werden, wobei das Silizium/Germaniummaterial in zuvor ausgebildeten Vertiefungen bzw. Aussparungen aufgewachsen wird, die somit bis zu einem geeigneten Höhenniveau aufgefüllt werden, wobei das Silizium/Germanium-Material auch in den Diodenstrukturen vorgesehen wird, wodurch zusätzliche Fertigungsschritte im Vergleich zu konventionellen Strategien im Wesentlichen vermieden werden. In anderen Fällen wird das Germaniummaterial in die thermischen Fühlerdiodenstrukturen während einer beliebigen geeigneten Fertigungsphase auf der Grundlage separater Prozessschritte in Abhängigkeit von den insgesamt gewünschten Diodeneigenschaften eingebaut.
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Mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen detaillierter beschrieben.
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1a zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Halbleiterbauelements 100 mit einem Substrat 101, über welchem eine siliziumenthaltende Halbleiterschicht 103 gebildet ist. In der gezeigten Ausführungsform repräsentiert das Halbleiterbauelement 100 eine „Vollsubstratkonfiguration”, die als eine Bauteilarchitektur zu verstehen ist, in der die Halbleiterschicht 103 eine Dicke besitzt, so dass Schaltungselemente oder Teile davon, auf einem darunter liegenden siliziumenthaltenden kristallinen Material gebildet werden, das somit die diversen Schaltungselemente elektrisch verbindet. Beispielsweise ist die Dicke der Halbleiterschicht 103 größer als eine maximale Tiefe von Isolationsstrukturen 104, zum Unterteilen entsprechender Bauteilgebiete, etwa aktiver Transistorgebiete und dergleichen, vorgesehen sind. Beispielsweise repräsentiert die Halbleiterschicht 103 einen oberen Bereich des Substrats 101, der in Form eines im Wesentlichen kristallinen siliziumenthaltenden Halbleitermaterials vorgesehen ist. Das Halbleiterbauelement 100 umfasst ferner ein Gebiet 120, das einem Bereich entspricht, in welchem eine Diodenstruktur für thermische Überwachungsanwendungen in und über der Schicht 103 zu bilden ist. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 100 mehrere „reguläre” Schaltungselemente, die in der gezeigten Ausführungsform durch einen ersten Transistor 130 und einen zweiten Transistor 140 repräsentiert sind. Einer oder beide Transistoren 130, 140 sind Teil einer Schaltung, beispielsweise einer Hilfsschaltung für die thermische Fühlerdiodenstruktur, die noch in dem Gebiet 120 zu bilden ist, oder einer oder beide Transistoren 130, 140 repräsentierten Schaltungselemente für funktionelle Logikblöcke, Speicherbereiche und dergleichen, wie sie für die grundlegende Schaltungsfunktion des Bauelements 100 erforderlich sind. Beispielsweise sind die Transistoren 130, 140 ein Teil eines kritischen Signalpfades, der bei höherer Frequenz betrieben wird, so dass eine deutliche Menge an Wärme erzeugt wird und abzuführen ist. In diesem Falle kann das Gebiet 120 in der Nähe der Transistoren 130, 140 angeordnet werden, wodurch ein Signal bereitgestellt wird, das korreliert ist mit dem thermischen Status dieser Schaltungselemente. In einer anschaulichen Ausführungsform sei angenommen, dass der erste Transistor 130 eine Halbleiterlegierung erhält, etwa ein Silizium/Germanium-Material, um damit dessen Leistungsverhalten zu verbessern, beispielsweise durch Erzeugen einer entsprechenden Verformung, wie dies zuvor erläutert ist. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) werden der erste und der zweite Transistor 130, 140 auf der Grundlage des Materials der Schicht 103 ohne Einführen eines Materials zur Verringerung der Bandlückenenergie, etwa Germanium, oder Erzeugung von Verformung auf der Grundlage relaxierter oder verformter Halbleiterverbindungen gebildet.
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Die Transistoren 130, 140 weisen in der gezeigten Fertigungsphase Gateelektroden 131, 141 mit einem geeigneten Material, etwa Polysilizium und dergleichen, auf, das von dem gleichen Material der Halbleiterschicht 103 durch Gateisolationsschichten 132, 142 getrennt ist. Die Gateisolationsschichten 132, 142 können aus einem beliebigen geeigneten Material aufgebaut sein, etwa Siliziumdioxid, stickstoffenthaltendem Siliziumdioxid, dielektrischen Materialien mit großem ε und dergleichen. Der Bereich der Halbleiterschicht 103, der dem Transistor 140 entspricht, ist durch eine Maskenschicht 105 abgedeckt, die beispielsweise aus Siliziumnitrid und dergleichen aufgebaut ist, während der Bereich der Schicht 103, der dem ersten Transistor 130 entspricht, im Wesentlichen frei liegt, wobei lediglich die Gateelektrode 131 durch eine Abstandshalterstruktur 105a und eine Deckschicht 133 eingekapselt ist. Beispielsweise sind die Abstandshalterstruktur 105a und die Deckschicht 133 aus einem geeigneten Material aufgebaut, etwa Siliziumnitrid und dergleichen. Ferner ist in der gezeigten Fertigungsphase eine Ätzmaske so vorgesehen, dass der erste Transistor 130 und das Gebiet 120 freigelegt sind.
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Das in 1a gezeigte Halbleiterbauelement 100 kann auf der Grundlage der folgenden Prozesse hergestellt werden. Vor oder nach der Herstellung der Isolationsstrukturen 104 wird das grundlegende Dotierprofil in der Halbleiterschicht 103 hergestellt, was durch gut etablierte Implantationsprozesse bewerkstelligt werden kann. Beispielsweise werden aktive Bereiche für die Transistoren 130, 140 gebildet, wobei angenommen wird, dass der Transistor 130 einen p-Kanaltransistor repräsentiert, wodurch eine n-Dotierung erforderlich ist. Andererseits erhält der Transistor 140, wenn dieser einen n-Kanaltransistor repräsentiert, eine grundlegende p-Dotierung, während das Gebiet 120 in einer beliebigen Weise vordotiert werden kann, wie dies für den Betrieb der Diodenstrukturen, die noch zu bilden sind, erforderlich ist. In der gezeigten Ausführungsform sei angenommen, dass eine Basisdotierung in dem Gebiet 120 erzeugt wird. Die diversen Basisdotierprofile können auf der Grundlage geeigneter Maskierungsschemata und entsprechend ausgewählter Implantationsparameter geschaffen werden. Die Isolationsstrukturen 104 können durch moderne Lithographie, Ätz-, Abscheide- und Einebnungstechniken gemäß gut etablierter Prozessstrategien hergestellt werden. Danach werden geeignete Materialien für die Gateisolationsschichten 132, 142, beispielsweise durch Oxidation und/oder Abscheidung gebildet, woran sich das Abscheiden eines geeigneten Materials für die Gateelektroden 131, 141 anschließt, die dann unter Anwendung modernster Lithographie- und Ätztechniken strukturiert werden, wobei auch die Deckschicht 133 und eine entsprechende Deckschicht 143 in dem Transistor 140 gebildet werden. Als nächstes wird die Maskenschicht 105 abgeschieden, beispielsweise durch plasmaunterstützte CVD, thermisch aktivierte CVD und dergleichen, wodurch ein geeignetes Material, etwa Siliziumnitrid und dergleichen aufgebracht wird. Anschließend wird die Lackmaske 106 gebildet, wobei im Gegensatz zu konventionellen Strategien, in denen eine siliziumbasierte Diodenstruktur vorgesehen wird, das Gebiet 120 durch die Maske 106 freigelegt ist, um damit die Gebiete 130, 120 für das epitaktische Aufwachsen eine germaniumenthaltenden Materials vorzubereiten. Des weiteren legt die Lackmaske 106 die Maskenschicht 105, die über dem Transistor 130 gebildete ist, frei, so dass die Schicht 105 einer geeignet gestalteten anisotropen Ätzprozessumgebung zum Entfernen von Material der Schicht 105 von horizontalen Bauteilbereichen ausgesetzt ist. Somit wird während des Ätzprozesses die Halbleiterschicht 103 in dem Bauteilgebiet 120 und in dem Transistor 130 freigelegt, während Seitenwände bedeckt bleiben, wodurch die Abstandshalterstruktur 105a gebildet wird. Ferner bleibt die oberste Fläche der Gateelektrode 131 durch die zuvor gebildete Deckschicht 133 bedeckt. Danach kann eine weitere selektive Ätzumgebung 107 eingerichtet werden, die zum selektiven Entfernen von Material der Halbleiterschicht 103 in Bezug auf die Lackmaske 106 und die Abstandshalterstruktur 105a und die Deckschicht 133 gestaltet ist. Zu diesem Zweck können gut etablierte chemische Bedingungen und Ätztechniken eingesetzt werden. Während des Ätzprozesses 107 wird eine Vertiefung 103r in dem Diodengebiet 120 geschaffen, während eine Aussparung 103a in der Nähe der Gateelektrode 121 gebildet wird, wobei ein lateraler Abstand der Aussparungen 103a in Bezug auf die Gateelektrode 131 im Wesentlichen durch die Breite der Abstandshalterstruktur 105a und die Eigenschaften des Ätzprozesses 107 bestimmt ist. Des weiteren kann der Ätzprozess 107 so gesteuert werden, dass eine gewünschte Tiefe der Aussparungen 103a und auch der Vertiefung 103r erreicht wird. Als nächstes wird die Lackmaske 106 unter Anwendung gut etablierter plasmaunterstützter oder nasschemischer Lackabtragungstechniken in Abhängigkeit von den gesamten Prozesserfordernissen entfernt.
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1b zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen Fertigungsstadium. Wie gezeigt, unterliegt das Bauelement 100 einem selektiven epitaktischen Wachstumsprozess 108, während welchem die Aussparungen 103a und die Vertiefung 103r gemeinsam mit einem Silizium/Germanium-Legierungsmaterial 109 gefüllt werden. Da das Silizium/Germanium-Material 109 zur Verbesserung des Leistungsverhaltens des Transistors 130 vorgesehen wird, wird die Germaniumkonzentration im Hinblick auf eine Leistungssteigerung des Transistors 130 so gewählt, dass eine Germaniumkonzentration des Materials 109 bei ungefähr 15 Atomprozent oder höher liegt, beispielsweise bei 20 Atomprozent bis 30 Atomprozent oder mehr, solange eine gewünschte Kristallkonfiguration während des Prozesses 108 erreicht wird. Während des selektiven epitaktischen Wachstumsprozesses 108 dient das freiliegende Material der Schicht 103 als ein kristallines Schablonenmaterial, woraus sich ein kristallines Wachstum des Materials 109 mit einer Gitterkonstante ergibt, die im Wesentlichen der Gitterkonstante des Schablonenmaterials entspricht. Folglich wird das Material 109 in einem moderat verformten Zustand bereitgestellt, wobei dies von der Germaniumkonzentration in dem Material 109 abhängt, da die natürliche Gitterkonstante einer Silizium/Germaniumlegierung größer ist als die Gitterkonstante von im Wesentlichen reinem Siliziummaterial. Aus diesem Grunde führt das Material 109 in dem Transistor 130 zu einer entsprechenden kompressiven Verformungskomponente in einem Kanalgebiet 134 des Transistors 130, wobei die Ladungsträgerbeweglichkeit darin erhöht wird. Andererseits kann das verformte Material 109 in dem Gebiet 120 zu einer erhöhten Temperaturempfindlichkeit auf Grund der geringeren Bandlückenenergie des Silizium/Germaniumverbindungsmaterials führen, wodurch sich eine stärkere Temperaturabhängigkeit eines Diodenstroms einer Diodenstruktur, die noch in dem Gebiet 120 zu bilden ist, ergibt. D. h., auf Grund der reduzierten Bandlückenenergie gehen bei einer gegebenen Temperatur eine größere Menge an Ladungsträger in das Leitungsband im Vergleich zu einem Siliziummaterial über. Folglich besitzt die Diodencharakteristik einer Diodenstruktur, die auf der Grundlage des Materials 109 gebildet ist, eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit im Vergleich zu konventionellen siliziumbasierten Diodenstrukturen.
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Es sollte beachtet werden, dass das germaniumenthaltende Material 109 separat in dem Gebiet 120 auf der Grundlage geeigneter Prozesstechniken gebildet werden kann, etwa durch Implantation, selektive epitaktische Wachstumsverfahren, wie sie in 1b gezeigt sind, und dergleichen, während die Transistoren 130, 140 maskiert werden, um die Transistoren 130, 140 nicht unnötig zu beeinflussen, wenn das Vorhandensein von Germaniummaterial darin als ungeeignet erachtet wird oder wenn unterschiedliche Arten von germaniumenthaltendem Material in dem Transistor 130 und dem Gebiet 120 vorzusehen sind.
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1c zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer weiter fortgeschrittenen Fertigungsphase. Wie gezeigt, enthält der Transistor 130 Drain- und Sourcegebiete 135, wovon ein Teil durch die Silizium/Germanium-Legierung 109 repräsentiert ist. In der gezeigten Ausführungsform repräsentieren die Drain- und Sourcegebiete 135 p-dotierte Gebiete mit einer moderat hohen Dotierstoffkonzentration einer geeigneten p-Dotiersorte. In ähnlicher Weise ist ein stark dotiertes Gebiet 125 in dem Gebiet 120 gebildet, wobei in der gezeigten Ausführungsform das dotierte Gebiet 125 ein p-dotiertes Gebiet mit einem ähnlichen vertikalen Dotierstoffprofil wie die Drain- und Sourcegebiete 135 des Transistors 130 repräsentiert. Wenn beispielsweise die Source- und Draingebiete 135 sich über die Tiefe des Silizium/Germanium-Materials 109 erstrecken, besitzt auch das dotierte Gebiet 125 einen Bereich 125a, der einem p-dotierten Silizium/Germanium-Material entspricht, und einen Bereich 125b, der einem p-dotierten siliziumbasierten Gebiet entspricht. In anderen anschaulichen Ausführungsformen ist die vertikale Erstreckung der Dotierstoffsorte in dem Gebiet 125 im Wesentlichen auf das Material 109 begrenzt, während in anderen Fällen die entsprechende Dotierstoffsorte im Wesentlichen vollständig innerhalb des Materials 109 vorgesehen wird. Es sollte beachtet werden, dass die vertikale Erstreckung der Drain- und Sourcegebiete 135 im Wesentlichen der Dotierstoffverteilung in dem Gebiet 125 entspricht, wenn identische Implantationsbedingungen für das Bauteilgebiet 120 und den Transistor 130 angewendet werden. In anderen anschaulichen Ausführungsformen wird, wenn eine individuelle Anpassung der Eindringtiefe erforderlich ist, eine Pufferschicht in dem Gebiet 120 vorgesehen, wodurch die Eindringtiefe für einen gegebenen Satz an Implantationsparametern erreicht wird, und/oder es wird eine Maskierung in Verbindung mit unterschiedlichen Implantationsparametern eingesetzt, um individuell die Tiefe der Gebiete 135 und 125 einzustellen.
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Des weiteren ist eine Lackmaske 110 über dem Bauteil 100 so gebildet, dass der Transistor 140 und ein Bereich 126 des Gebiets 120 während eines Implantationsprozesses 111 zum Einführen einer Dotierstoffsorte mit inverser Leitfähigkeitsart, im Vergleich zu dem Gebiet 125, frei liegen. In der gezeigten Ausführungsform wird eine n-Dotierstoffsorte auf der Grundlage geeignet ausgewählter Prozessparameter eingebaut, wodurch ebenfalls Drain- und Sourcegebiete 145 in dem Transistor 140 gebildet werden. Wie zuvor mit Bezug zu dem p-dotierten Gebiet 125 erläutert ist, kann auch in diesem Falle das n-dotierte Gebiet 126 ein dotiertes Gebiet 126a innerhalb des Silizium/Germanium-Materials 109 in Verbindung mit einem Gebiet 126b in dem Siliziummaterial der Schicht 103 aufweisen. Somit bilden die Gebiete 126 und 125 einen pn-Übergang 120p, wobei zumindest ein Teil davon innerhalb des Silizium/Germanium-Materials 109 ausgebildet ist, während auch ein Teil davon durch das p-dotierte Gebiet 125 in Verbindung mit dem umgebenden n-dotierten Wannengebiet repräsentiert sein kann. Nach dem Implantationsprozess 111 wird die Lackmaske 110 entfernt und es werden geeignete Ausheizprozesse ausgeführt, um die Dotierstoffsorte zu aktivieren und durch Implantation hervorgerufene Schäden zu rekristallisieren.
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1d zeigt schematisch das Bauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen Fertigungsstadium. Wie gezeigt, umfassen die Transistoren 130 und 140 entsprechende Metallsilizidgebiete 138, 148, um damit den Kontaktwiderstand zu verringern. In ähnlicher Weise ist eine thermische Fühlerdiodenstruktur 127, die aus dem p-dotierten Gebiet 125 und dem n-dotierten Gebiet 126 aufgebaut ist, in dem Diodengebiet 120 gebildet und enthält Metallsilizidgebiete 128, um damit den Kontaktwiderstand für die Diodenstruktur 127 zu reduzieren.
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In der gezeigten Ausführungsform besitzt die Diodenstruktur 127 einen direkten pn-Übergang innerhalb des Silizium/Germanium-Materials 109, wodurch ein oder mehrere Prozessschritte vor oder nach der Herstellung der Metallsilizidgebiete 138, 148 und 128 erforderlich sein können. Beispielsweise werden die Metallsilizidgebiete 138, 148 auf der Grundlage einer selbstjustierten Technik hergestellt, wobei die Silizidherstellung im Wesentlichen durch die Abstandshalterstrukturen 136, 146 unterdrückt wird, während eine entsprechende Silizidblockierschicht nicht über dem Material 109 in dem Gebiet 120 vorhanden ist. Somit wird in diesem Falle ein geeigneter Blockierschichtbereich, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid und dergleichen über dem Material 109 in der Diodenstruktur 127 gebildet, um damit einen direkten Kontakt zwischen dem p-dotierten Gebiet 125 und dem n-dotierten Gebiet 126 zu vermeiden. Dies kann bewerkstelligt werden, indem ein geeignetes Material abgeschieden und dieses mittels Lithographie strukturiert wird. In anderen Fällen wird das Metallsilizid in der Diodenstruktur 127 zuerst gebildet und strukturiert mittels der Maskierung der Transistoren 130, 140. Folglich enthält das Halbleiterbauelement 100 die Diodenstruktur 127, die für die thermische Temperaturüberwachung verwendet wird, wobei das Silizium/Germanium-Material 109 für eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit sorgt, wobei auch nur ein geringer Flächenbedarf notwendig ist, um ein geeignetes temperaturabhängiges Signal aus der Diodenstruktur 127 zu erhalten. In der gezeigten Ausführungsform repräsentiert zumindest die Grenzfläche zwischen den dotierten Gebieten 125a und 126a einen pn-Übergangsbereich, der das Silizium/Germanium-Material aufweist, wodurch für die erhöhte Temperaturempfindlichkeit gesorgt wird. Andererseits kann der Bereich 120b des gesamten pn-Übergangs einen im Wesentlichen „standardmäßigen” Silizium-pn-Übergang repräsentieren, wobei jedoch eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit erreicht wird. In anderen Fällen wird, wie zuvor beschrieben ist, die Eindringtiefe zumindest der Dotierstoffsorte in dem dotierten Gebiet 125 so gewählt, dass auch der Bereich 120b innerhalb des Silizium/Germanium-Materials 109 liegt, wodurch für eine weiter erhöhte Temperaturempfindlichkeit gesorgt wird.
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Es sollte beachtet werden, dass die Leitfähigkeitsart der in der Diodenstruktur 127 gezeigten Dotierstoffsorte im Hinblick auf das Wannengebiet in Abhängigkeit von den Bauteilerfordernissen invertiert werden kann.
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1e zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 gemäß noch weiterer anschaulicher Ausführungsformen mit einer vergrabenen isolierenden Schicht 102, beispielsweise einer Siliziumdioxidschicht und dergleichen, die zwischen der siliziumenthaltenden Halbleiterschicht 103 und dem Substrat 101 angeordnet ist, wodurch eine SOI-Konfiguration gebildet wird. In der gezeigten Ausführungsform erstreckt sich das Dotierstoffprofil des Transistors 130 bis hinab zu der vergrabenen isolierenden Schicht 102 und auch die p-Dotierstoffsorte und die n-Dotierstoffsorte in den Gebieten 125 und 126 der thermischen Temperaturfühlerdiodenstruktur 127 erstreckt sich bis zu der vergrabenen isolierenden Schicht 102. In diesem Falle enthält der pn-Übergang 120p den Bereich 120a, der deutlich länger ist im Vergleich zu dem Bereich 120b, so dass der wesentliche Teil des pn-Übergangs 120p, d. h. der Bereich 120a, durch ein Silizium/Germanium-Material gebildet ist, wodurch die gewünschte erhöhte Temperaturempfindlichkeit erzeugt wird. Im Hinblick auf Fertigungstechniken zur Herstellung des Bauelements 100 in Form eines SOI-Bauelements können ebenfalls gut etablierte Prozesstechniken eingesetzt werden, wodurch ebenfalls ein hohes Maß an Kompatibilität mit konventionellen Strategien erreicht wird.
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Mit Bezug zu den 1f und 1g werden weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen ein direkter Kontakt des p-dotierten Silizium/Germanium-Gebiets und des n-dotierten Silizium/Germanium-Gebiets vermieden wird, indem eine Isolationsstruktur eingesetzt wird, wodurch ein selbstjustiertes Verhalten während der Herstellung der Metallsilizidgebiete vermieden wird.
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1f zeigt schematisch das Bauelement 100 während des Ätzprozesses 107 zur Herstellung der Aussparungen 103a in dem Transistor 130. In ähnlicher Weise werden die Vertiefungen 103r in dem Bauteilgebiet 120 gebildet, wobei eine Isolationsstruktur 104 vorgesehen ist, um die Vertiefungen 103r zu trennen. Somit werden das p-dotierte Gebiet und das n-dotierte Gebiet in dem Gebiet 120 in individuellen Vertiefungen 103r erzeugt, die durch die Isolationsstruktur 104 getrennt sind. Im Hinblick auf Prozessparameter oder Strategie für den Ätzprozess 107 gelten die gleichen Kriterien, wie sie zuvor erläutert sind.
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1g zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einem weiter fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Wie gezeigt, ist das Silizium/Germanium-Material 109 in dem Transistor 130 und auch in dem Gebiet 120 ausgebildet. Des weiteren sind die Drain- und Sourcegebiete 135 in dem Transistor 130 gebildet, wobei auch das p-dotierte Gebiet 125 in einem Teil des Materials 109 ausgebildet ist, während das n-dotierte Gebiet 126 in dem anderen Teil gebildet ist, der durch die Isolationsstruktur 104 abgetrennt ist. In einer anschaulichen Ausführungsform wird das Material 109 durch die epitaktische Wachstumstechnik gebildet, wie sie zuvor beschrieben ist, wobei zusätzlich Silizium/Germaniummaterial 109 in Form eines p-dotierten Materials vorgesehen werden kann, wodurch der pn-Übergang 120p in der n-Wanne 103 gebildet wird. In diesem Falle wird das n-dotierte Gebiet 126 durch geeignetes Gegendotieren des Materials 109 bis hinab zu einer Tiefe, die im Wesentlichen den Tiefen der Vertiefungen 103r entspricht, gebildet, wodurch ein pn-Übergang in dem Gebiet 126 innerhalb der n-Wanne 103 vermieden wird. Folglich wird auch in diesem Falle eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit auf der Grundlage eines gut definierten Gradienten an den pn-Übergang 120p erreicht, da die Dotierstoffkonzentration durch den selektiven epitaktischen Wachstumsprozess festgelegt werden kann.
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Mit Bezug zu den 1h bis 1j werden nunmehr weitere anschauliche Ausführungsformen beschrieben, in denen das Bauelement 100 eine SOI-Konfiguration repräsentiert, wobei die Diodenstruktur 127 in dem Substrat 101 gebildet wird.
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1h zeigt schematisch das Bauelement 100 mit der vergrabenen isolierenden Schicht 102, auf der die Schicht 103 in Verbindung mit entsprechenden Isolationsstrukturen 104 gebildet ist. Der Einfachheit halber wird die Kombination der siliziumenthaltenden Schicht 103 und der Isolationsstrukturen 104 als Bauteilschicht 103d bezeichnet. In der gezeigten Ausführungsform ist das Gebiet 120 über einer geeignet dimensionierten Isolationsstruktur 104 positioniert, während der Transistor 130 über einem entsprechenden aktiven Transistorgebiet ausgebildet ist, wie dies zuvor erläutert ist. In der gezeigten Fertigungsphase ist eine Ätzmaske 112 mit einer Öffnung vorgesehen, um damit einen Teil der Isolationsstruktur 104 in dem Gebiet 120 freizulegen. Ferner deckt die Maske 112 den Transistor 130 ab, der in der gezeigten Fertigungsphase die Gateelektrode 131 mit einer Deckschicht 134 aufweist. Die Ätzmaske 112 kann auf der Grundlage gut etablierter Lithographietechniken hergestellt werden. Anschließend wird ein anisotroper Ätzprozess ausgeführt, um durch die Bauteilschicht 103d und die vergrabene isolierende Schicht 102 zu ätzen.
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1i zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 nach der zuvor beschriebenen Ätzsequenz und dem Entfernen der Ätzmaske 112. Somit ist eine Öffnung 120a in dem Bauteilgebiet 120 gebildet, wodurch das Substrat 101 freigelegt ist, um darin die Diodenstruktur 127 mit einem Germaniummaterial zur Verbesserung der Temperaturempfindlichkeit zu bilden. Zu diesem Zweck können im Wesentlichen die gleichen Prozessstrategien angewendet werden, wie sie zuvor mit Bezug zu den 1a bis 1b beschrieben sind. D. h., bei Bedarf werden Aussparungen für den Transistor 130 und auch in dem freigelegten Bereich des Substrats 101 gebildet, um damit das Bauelement 100 für das epitaktische Aufwachsen des Silizium/Germanium-Materials vorzubereiten. In anderen anschaulichen Ausführungsformen (nicht gezeigt) ist der Transistor 130 durch eine geeignete Maskenschicht abgedeckt, etwa die Maskenschicht 105 in 1a, die für den Transistor 140 vorgesehen ist, um damit eine Abscheidung eines Silizium/Germanium-Materials im Wesentlichen zu vermeiden, wenn ein entsprechendes Material in dem Transistor 130 nicht gewünscht ist. In diesem Falle wird das Silizium/Germanium-Material selektiv innerhalb der Öffnung 102a bis zu einer gewünschten Höhe aufgewachsen und anschließend wird die Diodenstruktur gemäß den Prozesstechniken hergestellt, wie sie zuvor beschrieben sind.
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1j zeigt schematisch das Halbleiterbauelement 100 in einer fortgeschrittenen Fertigungsphase, wobei in der gezeigten Ausführungsform eine Vertiefung 101r während des Ätzprozesses 107 zusammen mit den Aussparungen 103a gebildet wird. In diesem Falle deckt die Lackmaske 106 in Verbindung mit einer Maskenschicht, etwa der Maskenschicht 105 (siehe 1a) andere Bauteilbereiche ab, in denen eine Vertiefung und ein epitaktisches Aufwachsen von Silizium/Germanium-Material nicht gewünscht ist. Somit ist die Gateelektrode 121 des Transistors 130 durch die Deckschicht 134 und die Abstandshalterstruktur 105a eingekapselt, während eine entsprechende Abstandshalterstruktur 105a auch an Seitenwänden der Öffnung 102a gebildet ist. Somit wird nach dem Ende des Ätzprozesses 107 die Lackmaske 106 entfernt und der selektive epitaktische Wachstumsprozess 108 (siehe 1b) wird ausgeführt, um die Aussparungen 103a und die Vertiefung 101r mit dem Silizium/Germanium-Material zu füllen. Danach wird die weitere Bearbeitung fortgesetzt, indem die Drain- und Sourcegebiete in dem Transistor 130 gebildet werden, wobei auch ein p-dotiertes Gebiet in der wieder aufgefüllten Vertiefung 101r geschaffen wird. Bei der Herstellung der Drain- und Sourcegebiete von n-Transistoren wird ein entsprechendes n-dotiertes Gebiet gebildet, das in direkten Kontakt mit dem p-dotierten Gebiet ist, wodurch zumindest ein Teil eines pn-Übergangs gebildet wird, der das Silizium/Germanium-Material mit der erhöhten Temperaturempfindlichkeit beinhaltet, wie dies zuvor erläutert ist.
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Somit kann eine sehr temperaturempfindliche Diodenstruktur in dem Substrat 101 eingerichtet werden, ohne dass eine zusätzliche Prozesskomplexität im Vergleich zu konventionellen Strategien für Substratdioden auf der Grundlage eines Siliziummaterials hervorgerufen wird.
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2 zeigt schematisch ein Halbleiterbauelement 200 in einer schematischen Draufsicht gemäß weiterer anschaulicher Ausführungsformen. Wie gezeigt umfasst das Halbleiterbauelement 200 ein Bauteilgebiet 230, das einen Teil einer integrierten Schaltung repräsentiert, in der mehrere Transistorelemente enthalten sind, deren Betrieb zu einem mehr oder weniger ausgeprägten Erzeugen von Wärme führen kann, wie dies zuvor erläutert ist. Beispielsweise sind schnell schaltende Transistorelemente in einem geschwindigkeitskritischen Schaltungsbereich innerhalb des Bauteilgebiets 230 vorgesehen, wodurch erhöhte thermische Verluste entstehen, die zu einer entsprechend lokalen Aufheizung des Halbleiterbauelements 200 führen. Des weiteren umfasst das Halbleiterbauelement 200 eine Temperaturfühlerdiodenstruktur 227, die ein Germaniummaterial zumindest in einigen Bereichen eines entsprechenden pn-Übergangs aufweist, um damit eine erhöhte Temperaturempfindlichkeit im Vergleich zu Siliziumdioden zu erhalten, wie dies zuvor beschrieben ist. Somit enthält die thermische Fühlerdiode 227 p-dotiertes Gebiet 225 mit Germanium, beispielsweise in Form eines Silizium/Germanium-Legierungsmaterials, wie dies zuvor erläutert ist, und enthält ein n-dotiertes Gebiet 226, das ebenfalls Germanium enthält, beispielsweise in Form eines Silizium/Germaniummaterials. Zumindest eines der Gebiete 225, 226 erzeugt einen pn-Übergang, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen die Gebiete 225 und 226 in direktem Kontakt sind, um damit einen entsprechenden pn-Übergang 220p zu bilden, wobei auch ein verbleibender Teil des Gebiets 225 oder 226 zusätzlich einen pn-Übergang mit einem siliziumbasierten Material bildet, das mit der Diodenstruktur 227 in Kontakt ist. Es sollte beachtet werden, dass die Diodenstruktur 227 eine beliebige geeignete Konfiguration besitzen kann, beispielsweise ist die Diodenstruktur 227 in der Bauteilschicht gebildet, in der auch entsprechende Transistorelemente ausgebildet sind, wie dies zuvor erläutert ist, während in anderen Fällen die Diodenstruktur 227 in dem Substrat einer SOI-Konfiguration angeordnet ist, wie dies auch zuvor erläutert ist. Die Diodenstruktur 227 umfasst einen Kontaktbereich mit erhöhter Leitfähigkeit 228, beispielsweise in Form eines Metallsilizids, wenn die entsprechende Germaniumkonzentration die Ausbildung eines Metallsilizids zulässt, während in anderen Fällen eine geeignete Siliziumkonfiguration zumindest in dem Kontaktbereich 228 vorgesehen wird, um die Ausbildung eines Metallsilizids bei Bedarf zu ermöglichen. Wie zuvor erläutert ist, werden entsprechende Maskierungsschemata eingesetzt, wenn die Gebiete 225 und 226 in direktem Kontakt sind, um damit eine definierte Trennung der Kontaktbereiche, die mit dem Gebiet 225 verbunden sind, und Kontaktbereichen, die mit dem Gebiet 226 verbunden sind, zu erreichen. Ferner sind entsprechende Kontaktelemente 229 so vorgesehen, um eine Verbindung mit den Gebieten 228 und zu einem darüber liegenden Metallisierungssystem (nicht gezeigt) herzustellen, das die erforderlichen elektrischen Verbindungen innerhalb des Halbleiterbauelements 200 bereitstellt.
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Es sollte beachtet werden, dass 2 eine sehr schematische Ansicht ist, wobei beispielsweise entsprechende Verbindungen der Verdrahtungsebene des Bauelements 200 durch einfache Linien 260 dargestellt sind, die daher die Gesamtheit der Schaltungselemente in der Verdrahtungsebene repräsentieren, die für ein geeignetes Verbinden der einzelnen Elemente des Bauelements 200 erforderlich sind, um damit Signale zwischen der Struktur 227 und der Schaltung 250 auszutauschen. Beispielsweise sind die Kontaktelemente 229, die dem p-dotierten Gebiet 225 entsprechen, verbunden und es sind auch entsprechende Kontaktelemente 229, die dem n-dotierten Gebiet 226 entsprechen, verbunden. Des weiteren ist die Diodenstruktur 227 mit einer thermischen Überwachungsschaltung 250 verbunden, die geeignete Schaltungselemente, etwa Transistoren und dergleichen aufweist, um ein temperaturempfindliches Signal zu empfangen und ein geeignetes Ausgangssignal bereitzustellen, das zum Abschätzen und/oder zum Steuern der thermischen Bedingungen in dem Bauelement 200 verwendet wird. Beispielsweise liefert die thermische Überwachungsschaltung 250 eine geeignete Spannung an die thermische Fühlerdiode 227, wobei ein resultierender Strom von den thermischen Bedingungen innerhalb der Diodenstruktur 227 abhängt. Somit gibt die Größe des durch die thermische Überwachungsschaltung 250 erkannten Stromes eine Angabe über die Temperaturbedingungen der Diode 227 und damit über das Bauteilgebiet 230, das mit der Diode 227 thermisch gekoppelt ist, wie dies durch 270 angegeben ist. Auf Grund der erhöhten thermischen Empfindlichkeit der Diode 227, die das Germaniummaterial enthält, kann deren Größe im Vergleich zu siliziumbasierten Diodenstrukturen verringert werden, wodurch eine verbesserte Abdeckung der jeweiligen Bauteilgebiete 230 über das gesamte Bauelement 200 hinweg möglich ist oder wodurch eine erhöhte Packungsdichte in den Bauteilgebieten 230 für ein gewünschtes Maß an Abdeckung im Hinblick auf die thermische Überwachung des Bauelements 200 möglich ist.
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Es gilt also: Die vorliegende Erfindung stellt Halbleiterbauelemente und Verfahren bereit, wobei eine verbesserte Temperatursteuerungseffizienz erreicht wird, indem ein Germaniummaterial in einer thermischen Fühlerdiodenstruktur eingesetzt wird, was zu einem geringeren Flächenverbrauch für die Diodenstruktur auf Grund der erhöhten Temperaturempfindlichkeit der germaniumbasierten pn-Übergänge führt. Folglich kann die lokale Temperatur in modernen Halbleiterbauelementen mit erhöhter Zuverlässigkeit und bei Bedarf mit größerer Abdeckung detektiert werden, wodurch ebenfalls die Effizienz der chipinternen Temperaturüberwachungs- und Steuerungssysteme verbessert wird, was schließlich zu einer insgesamt erhöhten Bauteilzuverlässigkeit führt. Da ein gewisses Maß an Temperatursteuerungszuverlässigkeit erreicht wird, indem weniger Chipfläche verbraucht wird, kann die Packungsdichte von Halbleiterbauelementen erhöht werden. Das Germaniummaterial kann in die thermische Fühlerdiodenstruktur auf der Grundlage gut etablierter Prozesstechniken eingebaut werden, wobei in einigen anschaulichen Ausführungsformen ein hohes Maß an Kompatibilität mit anspruchsvollen Fertigungsstrategien erreicht wird, in denen Silizium/Germanium-Legierungsmaterial für eine höhere Transistorleistungsfähigkeit verwendet wird. In einigen anschaulichen Ausführungsformen wird das Germaniummaterial in die thermischen Fühlerdiodenstrukturen ohne zusätzliche Prozessschritte im Vergleich zu konventionellen siliziumbasierten Techniken eingebaut, wobei gleichzeitig das Silizium/Germanium-Material in Transistorelementen, etwa p-Kanaltransistoren, vorgesehen wird.
