DE10058031A1 - Verfahren zur Bildung leicht dotierter Gebiete in einem Halbleiterbauelement - Google Patents

Verfahren zur Bildung leicht dotierter Gebiete in einem Halbleiterbauelement

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Abstract

Es ist ein Verfahren offenbart, in dem ein leicht dotiertes Gebiet in einem Substrat erhalten wird, indem Dotieratome einer ersten und zweiten Art in das darunterliegende Substrat diffundiert werden. Vorzugsweise wird das Verfahren auf die Bildung leicht dotierter Source- und Draingebiete in einem Feldeffekttransistor angewendet, um einen erforderlichen graduellen Übergang der Dotierkonzentration von dem Kanalgebiet zu den Drain- und Sourcegebieten zur Vermeidung des Hot Carrier Effects zu erhalten. Vorteilhafterweise wird eine Diffusion der Dotieratome während eines Oxidationsschritts eingeleitet, in dem die Dicke der Gateisolierschicht an deren Randbereichen vergrößert wird.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG 1. Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft das Gebiet der Halbleiterherstellung und betrifft insbe­ sondere die Bildung leicht dotierter Gebiete in einem Halbleiterbauelement.
2. Beschreibung des Standes der Technik
Der Produktionsprozess integrierter Schaltungen beinhaltet die Herstellung zahlreicher Halbleiterelemente auf einem einzelnen Substrat, etwa einem Siliciumwafer. In moder­ nen integrierten Schaltungen, die aus Millionen von Halbleiterelementen wie etwa Feld­ effekttransistoren mit isoliertem Gate bestehen, ist eine große Anzahl komplexer und komplizierter Verfahrensschritte erforderlich, um schließlich diese Halbleiterelemente herzustellen und diese elektrisch zur Bildung einer Schaltung mit der gewünschten Funktionalität zu verbinden. Da kritische Abmessungen bzw. Dimensionen der Bauteil­ strukturen, etwa die Gatelänge von Feldeffekttransistoren ständig verkleinert werden, um die Integrationsdichte zu erhöhen und die Bauteilleistung, beispielsweise mit Hin­ sicht auf Signalverarbeitungszeit und Leistungsaufnahme zu verbessern, muss jeder dieser Verfahrensschritte mit einem entsprechend anwachsenden Grad an Genauigkeit durchgeführt werden, um die Designanforderungen für diese Bauteilstrukturen zu erfül­ len. Andererseits sollte aus wirtschaftlichen Gründen jeder Verfahrensschritt zeiteffizient durchgeführt werden, um einen hohen Durchsatz zu gewährleisten und die Produktivität zu verbessern, wobei die Anlagen zur Herstellung so effizient wie möglich verwendet werden.
Ein wichtiger Verfahrensschritt bei der Bildung beispielsweise von Feldeffekttransistoren mit isoliertem Gate, der zunehmend an Bedeutung gewinnt, wenn Strukturgrößen wie die Gatelänge des Transistors und die Dicke der Gateisolierschicht reduziert werden, ist das Bilden leicht dotierter Gebiete in einer Halbleiterschicht. In modernen Feldeffekt­ transistoren wird die Dicke der Gateisolierschicht, die die Gateelektrode von dem darunterliegenden transistoraktiven Gebiet trennt, auf lediglich einige Nanometer reduziert. Ferner wird die Gatelänge des Transistors und damit die Kanallänge ständig verkleinert, wobei die an das Gate, Source- und Drainanschlüsse des Transistorbauteils angelegten Spannungen nur zu einem geringen Grade verkleinert werden, so dass das laterale e­ lektrische Feld, das im Kanalgebiet des Bauteils vorherrscht, anwächst. Folglich können Ladungsträger in dem Kanal genügend Energie aufnehmen, um die Potentialbarriere zwischen dem Kanal und der Gateisolierschicht zu überwinden, und können daher in die Gateisolierschicht eindringen. Diese Ladungsträger können durch Verunreinigungsato­ me und Fehlstellen in der Gateisolierschicht eingefangen werden, woraus letztlich eine Ansammlung von Ladungsträger in der Gateisolierschicht resultiert, die signifikant die elektrischen Eigenschaften eines Bauteils, etwa die Schwellwertspannung des Transis­ tors, beeinflusst. (Derartige Effekte werden ebenfalls als Hot Carrier Effect bezeichnet.) Diese Problematik verstärkt sich noch mehr mit der ständig kleiner werdenden Gateiso­ lierschichtdicke, da eine gewisse Menge an Ladungsträger, die in die Gateisolierschicht eindringen, durch die Gateisolierschicht hindurchgeht und zu einem ungewünschten parasitären Gateleckstrom beiträgt.
Als eine mögliche Lösung für dieses Problem ist typischerweise der Ionenimplantati­ onsschritt, der zur Ausbildung dotierter Gebiete für das Drain und das Source des Tran­ sistors erforderlich ist, in zwei oder mehr Implantationsschritte aufgeteilt. In einem ersten Implantationsschritt werden Dotieratome in das transistoraktive Gebiet mit einer relativ geringen Dosis implantiert und in einem anschließenden raschen thermischen Tem­ perschritt werden diese Dotieratome aktiviert, d. h. zur Diffusion gebracht, um Gitterplät­ ze in dem Halbleitergitter zu besetzen. Anschließend werden sogenannte Seitenwand­ abstandselemente benachbart zu den Seitenwänden der Gateelektrode gebildet, um eine Maske für einen zweiten Implantationsschritt mit einer relativ hohen Konzentration an Dotieratomen zu bilden, um die erforderliche Leitfähigkeit für jeweils das Drain und das Source zu erhalten. In einem zweiten raschen thermischen Temperschritt werden die Dotieratome mit der hohen Konzentration ebenfalls aktiviert. Als Folge werden Drain- und Sourcegebiete gebildet, in denen ein glatterer Übergang in der Konzentration der Dotieratome der Drain- und Sourcegebiete zu dem invers leicht dotierten Kanalgebiet erhalten wird. Insbesondere die Bereiche der Drain- und Sourcegebiete, die benachbart zur Gateisolierschicht sind, zeigen eine deutlich reduziertere Dotierkonzentration, so dass das resultierende laterale elektrische Feld verringert ist und die Wahrscheinlichkeit, dass Ladungsträger die Potentialbarriere überwinden, verkleinert ist.
Für Strukturgrößen modernster Halbleiterbauelemente, d. h. für eine Kanallänge von 0.2 µm und weniger und für eine Gateisolierschichtdicke von 2 nm oder weniger, ist ein allmählicherer Übergang der Konzentration erforderlich, um die Spitzenintensität des lateralen elektrischen Feldes auf eine geeignete Größe zu beschränken. Daher wird typischerweise eine modifizierte Implantationstechnik mit zusätzlichen Implantations­ schritten verwendet, um eine ausreichende Reduzierung einer Ladungsträgerakkumula­ tion in der Gateisolierschicht und eine erforderliche Reduzierung parasitärer Leckströme zu erreichen. In diesen zusätzlichen Implantationsschritten wird ein sogenanntes Halo- Gebiet gebildet, in dem die Konzentration der Dotieratome im Vergleich zu einer einfa­ chen "Zwei-Schritt"-Implantation gradueller abfällt. Um das die leicht dotierten Gebiete umgebende Halo-Gebiet zu erhalten, wird typischerweise zumindest ein Implantations­ schritt unter einem Neigungswinkel ausgeführt, um Dotieratome der gleichen Art wie das Substrat mit einer sich ändernden Konzentration im Bereich benachbart zu dem leicht dotierten Gebiet und sich unterhalb der Gateelektrode erstreckend abzuscheiden. Drain- und Sourcegebiete, die in der oben erläuterten Art und Weise gebildet werden, zeigen eine allmählich abfallende Dotieratomkonzentration von dem stark dotierten Source- und Draingebiet zu dem leicht dotierten Gebiet und zu den Halo-Gebieten, die sich mehr oder weniger unter die Gateelektrode erstrecken. Die Halo-Gebiete bilden einen Kontakt zu dem invers dotierten Kanalgebiet und liefern während des Betriebs des Bauteils ein laterales elektrisches Feld mit einer verringerten maximalen Intensität an dem Drain- Gate-Rand des Transistors, wodurch die Wahrscheinlichkeit für ein Ladungsträgerein­ dringen in die Gateisolierschicht signifikant verringert wird.
Um jedoch vorhersagbare Bauteileigenschaften zu erhalten, ist es wichtig, in genauer Weise Dimensionen und die Form des Halo-Gebietes zu steuern. Somit trägt das her­ kömmliche Verfahren zur Bildung leicht dotierter Drain- und Sourcegebiete nicht nur zu einem komplexeren Gesamtverfahrensablauf aufgrund der zur Erzeugung des Halo- Gebietes erforderlichen zusätzlichen Implantationsschritten bei, sondern trägt ebenfalls zur Komplexität des einzelnen Implantationsschritts bei, da es schwierig ist, die Kon­ zentration und die Eindringtiefe der Dotieratome genau zu steuern, was erforderlich ist, um die leicht dotierten Gebiete reproduzierbar und zuverlässig zu bilden. Somit ist gemäß dem typischen herkömmlichen Prozessablauf, der diese komplexe Implantations­ technologie erfordert, der Durchsatz und damit die Produktivität verringert.
Angesichts des oben Gesagten besteht ein Bedarf für ein verbessertes Verfahren zur Bildung leicht dotierter Gebiete in einem Halbleiterbauelement, wobei die Form eines leicht dotierten Gebietes in genauer Weise steuerbar ist, ohne sich nachteilig auf die Produktivität des Herstellungsprozesses auszuwirken.
ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
Angesichts der oben aufgeführten Probleme umfasst gemäß einem Aspekt der vorlie­ genden Erfindung ein Verfahren zur Bildung eines leicht dotierten Gebietes in einem Substrat: Bereitstellen eines Substrates mit einer Gateisolierschicht und einer darauf gebildeten Gateelektrode, Bilden einer dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Substrat, wobei die dielektrische Schicht erste und zweite Arten von Dotier­ atomen umfasst. Ferner beinhaltet das Verfahren das Ausführen eines Wärmebehand­ lungsprozesses, um die ersten und zweiten Arten von Dotieratomen aus der dielektri­ schen Schicht in das Substrat auszudiffundieren.
Das Verfahren ist vorteilhafterweise auf die Herstellung von Feldeffekttransistoren an­ wendbar, die ein Dotierprofil benötigen, wobei die Notwendigkeit für einen komplexen und komplizierten Implantationsschritt vermieden wird.
Einer weiteren Ausführungsform entsprechend wird die die Dotieratome umfassende dielektrische Schicht strukturiert, um Seitenwandabstandselemente benachbart zu der Gateelektrode zu bilden. Folglich ist die Diffusion der Dotieratome im Wesentlichen auf das Halbleitergebiet, das unterhalb der Seitenwandabstandselemente liegt, beschränkt. Somit erlaubt die vorliegende Erfindung die Bildung eines leicht dotierten Gebietes mit einer benötigten Ausdehnung und einer Dotierkonzentration ohne, im Gegensatz zum typischen konventionellen Prozessablauf, einen zusätzlichen Herstellungsschritt.
In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Gateisolierschicht ein Oxid und die Wärmebehandlung wird in einer oxidierenden Umgebung durchgeführt, um eine Dicke der Gateisolierschicht an deren Randbereichen zu erhöhen. Somit kann die Bildung einer erhöhten Randdicke der Gateisolierschicht, was ein Standardverfahren in einem konventionellen Prozessablauf darstellt, mit der Bildung des leicht dotierten Gebietes kombiniert werden, so dass eine Reduzierung der Gesamtanzahl an Verfahrensschrit­ ten, die zur Herstellung eines Feldeffekttransistors notwendig ist, erreicht wird.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zur Bildung eines leicht dotierten Gebietes in einem Substrat: Bereitstellen eines Substrats mit einer Gateisolierschicht und einer darauf gebildeten Gateelektrode, Bilden einer ersten dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Substrat, wobei die erste dielektrische Schicht eine erste Art an Dotieratomen umfasst. Ferner umfasst das Ver­ fahren das Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Substrat, wobei die zweite dielektrische Schicht eine zweite Art Dotieratome umfasst, und Ausführen eines Wärmebehandlungsverfahrens, um die erste und zweite Art der Dotieratome von der dielektrischen Schicht in das Substrat auszudiffundieren.
Folglich kann die Diffusion in zwei separate Schritte aufgeteilt werden, was bei Anpas­ sung der vorliegenden Erfindung an einen gegebenen Prozessablauf vorteilhaft sein kann, oder beispielsweise im Falle von deutlich verschiedenen Parametern der Dotier­ atome der ersten und zweiten Art, etwa der Diffusionslänge, wenn eine Diffusion in ei­ nem einzelnen Schritt nicht das gewünschte Dotierprofil der leicht dotierten Gebiete zur Folge hätte.
In einer weiteren Ausführungsform wird die erste dielektrische Schicht in einer oxidie­ renden Umgebung gebildet, so dass die Dicke der Gateisolierschicht in der Nähe der Seitenwandränder der Gateelektrode im gleichen Prozessschritt vergrößert wird. Die zweite dielektrische Schicht kann abgeschieden und strukturiert werden, um Seiten­ wandabstandselemente für die Gateelektrode zu bilden, so dass der Vorgang des Bil­ dens der ersten und zweiten dielektrischen Schichten mit den ersten und zweiten Arten an Dotieratomen komplett mit einem standardmäßigen Prozessablauf kompatibel ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Weitere Vorteile und Aufgaben der vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierten Beschreibung und den angefügten Patentansprüchen ersichtlich, wenn die­ se mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen betrachtet werden; es zeigen:
Fig. 1(a) bis 1(c) schematisch Querschnittsansichten eines Feldeffekttransistors mit einem leicht dotierten Gebiet während diverser Herstellungsstadien in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Er­ findung; und
Fig. 2(a) bis 2(b) schematisch Querschnittsansichten eines Feldeffekttransistors mit leicht dotierten Gebieten während diverser Herstellungsstadien ge­ mäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
Der Fachmann erkennt leicht, dass die Figuren lediglich schematischer Natur sind und dass Grenzen und Übergänge zwischen unterschiedlichen Materialschichten, die in den Figuren als scharfe Linie dargestellt sind, in Wirklichkeit nicht notwendigerweise scharfe Übergänge bilden. Insbesondere die Grenzen der leicht dotierten Gebiete zeigen einen relativ glatten Übergang zu benachbarten Bereichen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen, wie sie in der folgenden detaillierten Beschreibung sowie in den Zeichnungen dargestellt sind, be­ schrieben wird, ist es selbstverständlich, das die folgende detaillierte Beschreibung so­ wie die Zeichnungen nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf eine spezielle offenbarte Ausführungsform zu beschränken, sondern die beschriebene Ausführungs­ form zeigt lediglich in beispielhafter Weise die diversen Aspekte der vorliegenden Erfin­ dung auf, deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert ist.
Fig. 1(a) zeigt schematisch eine Querschnittansicht eines Feldeffekttransistorbauteils in einem anfänglichen Herstellungsstadium gemäß einer Ausführungsform der vorliegen­ den Erfindung. Über einem Substrat 101, das ein Siliciumsubstrat, ein Germaniumsub­ strat, oder ein anderes Halbleitersubstrat wie etwa ein II-IV Halbleiter oder ein III-V Halbleiter, oder ein isolierendes Substrat mit einer darauf gebildeten Halbleiterschicht sein kann, ist eine Gateelektrode 103 angeordnet und elektrisch von dem Substrat 101 durch eine Gateisolierschicht 102 isoliert. Die Gateelektrode 103 kann eine Gatelänge, d. h. eine horizontale Ausdehnung der Gateelektrode 103 in Fig. 1(a), von ungefähr 0.2 µm oder weniger aufweisen, da die Anwendung der vorliegenden Erfindung auf technologisch fortgeschrittene Halbleiterbauelemente besonders vorteilhaft ist. Diese Transistordimension ist aber lediglich nur ein Beispiel und die vorliegende Erfindung kann bei Bauteilen mit anderen Abmessungen angewendet werden. Die Gateelektrode 103 kann aus einem geeigneten Gateelektrodenmaterial, etwa polykristallinem Silicium (Polysilicium) oder einem anderen leitenden Material, etwa einem geeigneten Metall und dergleichen gebildet sein. In einer Ausführungsform umfasst die Gateisolierschicht 102 zumindest teilweise Siliciumdioxid. An den Seitenwänden 120 der Gateelektrode 103 sind Seitenwandabstandselemente 104 gebildet. Die Seitenwandabstandselemente 104 umfassen Dotieratome einer ersten Art 105 und Dotieratome einer zweiten Art 106.
In dem dargestellten Beispiel haben die Dotieratome der ersten Art eine Wertigkeit von 5, die durch ein Minuszeichen angedeutet ist, und somit n-dotierend sind, und die Do­ tieratome der zweiten Art 106 haben eine Wertigkeit von 3, durch Pluszeichen gekenn­ zeichnet, und erzeugen somit eine p-Dotierung. Da das vorliegende Beispiel anhand eines n-Kanal-Feldeffekttransistors dargestellt ist, ist eine Konzentration der Dotierato­ me der ersten Art 105 deutlich größer als die Konzentration der Dotieratome der zweiten Art 106, so dass schließlich ein n-dotiertes Gebiet erhalten wird. Für n-Kanal- Transistoren sind beispielsweise die erste Art 105 von Dotieratomen n-Typ Dotieratome, die eine Konzentration im Bereich von ungefähr 1 × 1021 - 1 × 1019 Atome/cm3 aufweisen. Zu derartigen Dotieratomen gehören Phosphor, Arsen, Wismut, etc.. Ferner sind für ei­ nen n-Kanal-Transistor die Dotieratome der zweiten Art 106 p-Typ Dotieratome mit einer Konzentration im Bereich von ungefähr 1 × 1019 - 1 × 1017 Atome/cm3. Zu derartigen Do­ tieratomen können Bor, Indium, Aluminium, etc. gehören.
Ein typischer Prozessablauf zum Bilden der in Fig. 1(a) dargestellten Struktur kann die folgenden Schritte umfassen. Zunächst wird die Gateisolierschicht 102 gebildet und an­ schließend wird das Gateelektrodenmaterial abgeschieden, um die Gateelektrode 103 mittels Fotolithografie und Ätzen zu bilden, wie dies dem Fachmann geläufig ist. An­ schließend wird eine Materialschicht über der Struktur beispielsweise mittels einer che­ mischen Dampfabscheidung (CVD) abgeschieden, wodurch eine dielektrische Materialschicht gebildet wird mit beispielsweise Siliciumdioxid. Während des Abscheideschritts werden zusätzliche Reaktionsgase mit Dotieratomen der ersten und zweiten Art in eine entsprechende CVD-Kammer (nicht gezeigt) eingeleitet. Das benötigte Verhältnis der Konzentration der Dotieratome der ersten und zweiten Art kann in genauer Weise durch Steuern der Durchflussrate der entsprechenden Gase, die in die Reaktionskammer ein­ geleitet werden, gesteuert werden. In dem vorliegenden Beispiel werden Bor und Phos­ phor enthaltende Gas, etwa Diboran, Phosphin, etc. mit einem TEOS enthaltendem Gas gemischt, um eine Siliciumdioxidschicht mit Bor- und Phosphoratomen mit einer vordefi­ nierten Konzentration mit einer bekannten Diffusionslänge für eine gegebene Tempera­ tur in dem Silicium des darunterliegenden Substrats 101 abzuscheiden. Für ein n-Kanal- Bauteil können beispielsweise die Gase Arsen und/oder Diboran mit Konzentrationen im Bereich von ungefähr 0.1-10 Gew.-% für eine Dauer im Bereich von ungefähr 60- 600 Sekunden zugeführt werden. Für PMOS-Bauelemente können die Gase Diboran und/oder Phosphin bei Konzentrationen im Bereich von ungefähr 0.1-10 Gew.-% für eine Dauer im Bereich von ungefähr 60-600 Sekunden zugeführt werden. Anschlie­ ßend wird die dielektrische Schicht durch anisotropes Ätzen strukturiert, um die Seiten­ wandabstandselemente 104 zu bilden.
Fig. 1(b) zeigt eine schematische Querschnittsansicht des in Fig. 1(a) dargestellten Bauteils zu einem fortgeschrittenen Herstellungsstadium. Fig. 1(b) zeigt einen Bereich 107 mit erhöhter Dicke der Gateisolierschicht 102 benachbart zu den jeweiligen Seiten­ wandabstandselementen 104. Aus Gründen der Klarheit ist lediglich eines der Gebiete 107 im Detail in Fig. 1(b) dargestellt. In dem Substrat 101 unter entsprechenden Seiten­ wandabstandselementen 104 und teilweise unter der Gateisolierschicht 102 angeordnet ist ein leicht n-dotiertes Gebiet 108 gebildet, das von einem sogenannten Halo-Gebiet 109 umschlossen ist, das ebenfalls eine n-Dotierung zeigt, aber mit verringerter Kon­ zentration im Vergleich zu dem leicht n-dotierten Gebiet 108.
Zur Bildung des Bereichs 107 mit erhöhter Dicke und des leicht dotierten Gebietes 108 und des Halo-Gebietes 109 wird die in Fig. 1(a) dargestellte Struktur für eine vordefi­ nierte Zeitdauer einer oxidierenden Umgebung mit einer vorbestimmten Temperatur in einer vordefinierten Sauerstoffkonzentration ausgesetzt. In dem vorliegenden Beispiel sind die folgenden Parameter für den Oxidationsschritt verwendet. Es wurde eine Tem­ peratur von 1050°C für 60 Sekunden in reinem Sauerstoff gewählt.
Die oxidierende Umgebung bewirkt ein weiteres "Anwachsen" der Siliciumdioxi­ dabstandselemente 104 auf und in das Gateelektrodenmaterial 104, das in dem vorlie­ genden Beispiel Polysilicium ist. Diese zusätzliche Produktion von Siliciumdioxid führt zu einer leicht vergrößerten Dicke der Gateisolierschicht 102 an der Grenzfläche zu den Seitenwandabstandselementen 104, um damit die Bereiche 107 zu bilden. Gleichzeitig werden die Dotieratome der ersten Art 105 und die Dotieratome der zweiten Art 106 teilweise in das Substrat 101 diffundiert, um damit das leicht dotierte Gebiet 108 und das Halo-Gebiet 109 zu bilden. Da die Dotieratome 105 und 106 eine bekannte Diffusions­ länge und eine gut steuerbare Konzentration aufweisen, ist die Ausdehnung des diffun­ dierten leicht dotierten Gebietes 108 und des diffundierten Halo-Gebietes 109 durch Einstellen der Temperatur und des Zeitintervalls für den Diffusionsschritt in genauer Weise steuerbar.
In dem vorliegenden Beispiel ist die Diffusionslänge der Dotieratome 105 (n-Typ) kleiner als die Diffusionslänge der Dotieratome 106 (p-Typ), so dass entsprechend der ange­ legten Temperatur und der Dauer des Oxidationsschritts die durchschnittliche Eindring­ tiefe der Dotieratome 106 (p-Typ) größer ist als die durchschnittliche Eindringtiefe der Dotieratome 105 (n-Typ). Da die Konzentration der Dotieratome 105 (n-Typ) deutlich höher als die Konzentration der Dotieratome 106 (p-Typ) ist, enthält das Gebiet 108 eine größere Anzahl an Dotieratomen 105 (n-Typ) aufgrund der geringeren Diffusionslänge und diese fällt rasch mit anwachsender Eindringtiefe ab. Andererseits ist die Konzentra­ tion der Dotieratome 106 (p-Typ) klein, wohingegen deren Diffusionslänge größer als die der Dotieratome 105 (n-Typ) ist, so dass im Vergleich zu dem leicht dotierten Gebiet 108 in diesem Bereich eine höhere Konzentration an Dotieratomen 106 (p-Typ) vorhanden ist. Folglich ist der Nettobetrag der n-Dotierung in dem Halo-Gebiet 109 deutlich kleiner als in dem leicht dotierten Gebiet 108. Dies liefert einen relativ glatten Übergang der Dotierkonzentration zu einem Gebiet, das unterhalb der Gateisolierschicht 102 liegt und das Kanalgebiet für den zu bildenden Feldeffekttransistor bildet. Ferner ist die laterale Ausdehnung der Gebiete 108 und 109 durch die laterale Ausdehnung der Seitenwand­ abstandselemente 104 beeinflusst, da diese Abstandselemente als eine Dotierquelle dienen. Somit kann die laterale Ausdehnung der Gebiete 108 und 109 durch geeignetes Einstellen der lateralen Abmessung der Seitenwandabstandselemente 104 variiert wer­ den. In einer anschaulichen Ausführungsform reicht die laterale Ausdehnung des Seitenwandabstandselementes 104 am Übergang zum Substrat 101 von ungefähr 20- 100 nm.
Fig. 1(c) zeigt einen schematischen Querschnitt des endgültigen Transistorbauelemen­ tes mit Drain- und Sourcegebieten 110, die entsprechend einem typischen Prozessab­ lauf nach dem Stand der Technik gebildet sein können, d. h. durch Ionenimplantation unter Verwendung der Seitenwandabstandselemente 104 als eine Maske und einem anschließenden raschen thermischen Temperschritt.
Wie aus der obigen Ausführungsform zu ersehen ist, wird eine dielektrische Schicht mit Dotieratomen zweier Arten abgeschieden, die anschließend in einem einzelnen Diffusi­ onsschritt ausdiffundiert werden, um ein leicht dotiertes Gebiet und ein das leicht do­ tierte Gebiet umschließendes Halo-Gebiet zu bilden. Die Verwendung zweier unter­ schiedlicher Arten von Dotieratomen erlaubt die Möglichkeit, ein benötigtes endgültiges Dotierprofil zu schaffen, indem Dotierkandidaten mit geeigneten Parametern wie etwa Diffusionslänge und Wertigkeit ausgewählt werden. Es soll erwähnt werden, dass mehr als zwei Arten an Dotieratomen verwendet werden können, um ein gewünschtes Dotier­ profil zu erhalten. Vorzugsweise wird der Diffusionsschritt in einer oxidierenden Umge­ bung ausgeführt, um einen weiteren Prozessschritt zur Bildung von Randbereichen an der Gateisolierschicht mit vergrößerter Dicke zu vermeiden. Wie zuvor erwähnt wurde, kann die Form und der Grad der Dotierung des leicht dotierten Gebietes und des Halo- Gebietes durch bekannte Abscheideparameter und die Art der als die Dotieratome der ersten und zweiten Art gewählten Atome gesteuert werden.
Mit Bezug zu den Fig. 2(a) bis 2(c) wird eine weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Fig. 2(a) zeigt schematisch eine Querschnittsansicht eines Feldeffekttransistors in einem anfänglichen Herstellungsstadium. In Fig. 2(a) ist eine Gateelektrode 203 über einem Substrat 201 angeordnet und davon elektrisch durch eine Gateisolierschicht 202 isoliert. Hinsichtlich des Substrats 201 und des Materials für die Gateelektrode 203 und die Ga­ teisolierschicht 202 gelten, die gleichen Kriterien die zuvor mit Bezug zu Fig. 1 angeführt wurden.
Fig. 2(b) zeigt schematisch das Bauteil aus Fig. 2(a) mit einer ersten dielektrischen Schicht 220, die Dotieratome einer ersten Art 205 enthält. Ferner sind Bereiche 207 mit erhöhter Dicke an den Rändern der Gateisolierschicht 202 gebildet. In der vorliegenden Ausführungsform ist die erste dielektrische Schicht 220 im Wesentlichen eine Oxid­ schicht, die gebildet ist, indem die Struktur aus Fig. 2(a) einer oxidierenden Umgebung ausgesetzt wird, die zusätzlich Dotieratome der ersten Art 205 mit einer spezifizierten Konzentration enthält. Für einen anschaulichen n-Kanal-Transistor werden die Dotier­ atome der ersten Art 205 durch ein Minuszeichen dargestellt. Während der Oxidation wird Silicium des Substrats 201 und des Gateelektrodenmaterials, etwa Polysilicium, verbraucht und eine erste dielektrische Schicht 220 mit Siliciumdioxid wird auf dem Sub­ strat 201 und der Gateelektrode 203 gebildet. Der Oxidationsprozess hat die Bildung der Bereiche 207 mit erhöhter Dicke zur Folge. In diesem Beispiel sind die Dotieratome 205 von einer Art, die zu einem n-leitfähigen Gebiet führen, wenn diese in das Substrat 201 diffundieren. Es sollte erwähnt werden, dass p-Dotieratome ebenfalls als Dotieratome in der ersten dielektrischen Schicht 220 verwendet werden können. Ferner können die Dotieratome der oxidierenden Umgebung in einer anfänglichen Phase des Oxidations­ schritts hinzugefügt werden, woraus eine allmähliche Diffusion der Dotieratome in das Substrat 201 während des gesamten Oxidationsschritts resultiert, oder die Dotieratome können der oxidierenden Umgebung während einer Schlussphase des Oxidations­ schritts zugesetzt werden, um eine Dotieratomkonzentration zu erzeugen, die im We­ sentlichen auf die erste dielektrische Schicht 220 beschränkt ist. Dotieratome können der Schicht 220 hinzugefügt werden, indem ungefähr 600-1200 sccm Arsengas wäh­ rend der Oxidation eingeführt werden, um eine n-dotierte dielektrische Schicht 220 zu bilden. Die Dotieratome können der Schicht 220 hinzugefügt werden, indem ungefähr 300-600 sccm Diborangas während des Oxidationsvorgangs eingeleitet werden, um eine p-dotierte dielektrische Schicht 220 zu bilden. Alternativ kann die dielektrische Schicht 220 durch einen Abscheidevorgang mit einem entsprechenden Gas, das p- und/oder n-Dotieratome enthält, die der Reaktionskammer zugeführt werden, wie dies zuvor mit Bezug zu den Fig. 1 erläutert wurde, gebildet werden.
Fig. 2(c) zeigt schematisch eine Querschnittsansicht des endgültigen Bauteils. In Fig. 2(c) sind Seitenwandabstandselemente 204 mit Dotieratomen einer zweiten Art 206, durch Pluszeichen gekennzeichnet, mit einer spezifizierten Konzentration an den Sei­ tenwänden der Gateelektrode 203 gebildet. Eine typische Konzentration reicht von ungefähr 1 × 1021 bis ungefähr 1 × 1017 Atome pro cm3. Unterhalb der Seitenwandabstands­ elemente 204 und teilweise unterhalb der Gateisolierschicht 202 ist ein leicht n-dotiertes Gebiet 208, das von einem Halo-Gebiet 209 umgeben ist, gebildet. Benachbart zu dem leicht dotierten Gebiet 208 und dem Halo-Gebiet 209 sind stark dotierte Drain- und Sourcegebiete 210 gebildet.
Die in Fig. 2(c) dargestellte Struktur kann gemäß dem folgenden Prozessablauf gebildet werden. Nach Ausbilden der ersten dielektrischen Schicht 220 wird eine zweite dielektri­ sche Schicht über der Struktur mit den Dotieratomen 206 der zweiten Art mit einer spe­ zifizierten Konzentration abgeschieden. Wie zuvor mit Bezug zu Fig. 1 erläutert wurde, wird die Konzentration der Dotieratome 206 durch Zuführen einer gasförmigen Kompo­ nente in die Reaktionskammer zum Abscheiden der zweiten dielektrischen Schicht ge­ steuert. Die zweite dielektrische Schicht kann beispielsweise Siliciumnitrid oder Silici­ umdioxid aufweisen. Anschließend werden die Seitenwandabstandselemente 204 aus der zweiten dielektrischen Schicht durch anisotropes Ätzen entsprechend einem her­ kömmlichen Prozessablauf strukturiert. Danach wird die Struktur einer Wärmebehand­ lung unterzogen, in der eine spezifizierte Temperatur für eine spezifizierte Zeitdauer angewendet wird, um es den Dotieratomen der ersten Art 205 und den Dotieratomen der zweiten Art 206 zu ermöglichen, in das Substrat 201 zu diffundieren. Typische Tem­ peraturen liegen im Bereich von 900 bis 1100°C für einige Minuten, um das leicht do­ tierte Gebiet 208 (das üblicherweise auch als Erweiterungsgebiet bezeichnet wird) mit einer Eindringtiefe von ungefähr 50 nm und darunter, und die Halo-Gebiete 209, die tiefer als die leicht dotierten Gebiete 208 sind, zu bilden.
Wie zuvor erwähnt wurde, können die Dotieratome der ersten Art 205 während einer anfänglichen Phase des Oxidationsschritts zugesetzt werden, so dass der Hauptteil der Dotieratome während des Oxidationsschritts in das darunterliegende Gebiet diffundiert ist, was dann als ein erster Diffusionsschritt aufgefasst werden kann. Entsprechend der jeweiligen Diffusionslänge und Konzentrationen sowie der angelegten Temperatur und der Zeitdauer des Diffusionsschritts werden das leicht n-dotierte Gebiet 208 und das Halo-Gebiet 209 in der gleichen Art und Weise gebildet, wie dies mit Bezug zu Fig. 1 erläutert wurde. Schließlich werden die Drain- und Sourcegebiete 201 durch herkömmli­ che Ionenimplantation und ein anschließendes rasches thermisches Tempern herge­ stellt. Somit weist der Halbleiter aus Fig. 2(b) einen allmählichen Übergang der Konzentration auf, so dass ein laterales elektrisches Feld, das während des Betriebs des Bau­ teils an das Drain und das Source angelegt ist, eine Spitzenintensität in einem Bereich aufweist, der lateral weiter von der Gateisolierschicht entfernt ist, so dass das Eindrin­ gen von Ladungsträgern in die Gateisolierschicht und die Gateelektrode deutlich verrin­ gert ist. Anzumerken ist, dass mehr als eine Art von Dotieratomen in der dielektrischen Schicht 220 und/oder in den Seitenwandabstandselementen 204 verwendet werden kann, um ein gewünschtes Dotierprofil in den Gebieten 208 und 209 zu schaffen.
Folglich erlaubt die vorliegende Erfindung das leicht dotierte Gebiet und das Halo-Gebiet durch einen Diffusionsschritt anstatt durch Ionenimplantation zu bilden. Somit wird eine genaue Steuerung der Form und der Ausdehnung der leicht dotierten Gebiete erhalten, wobei die Notwendigkeit komplexer Implantationsschritte vermieden wird. Wenn der Diffusionsschritt in einer oxidierenden Umgebung ausgeführt wird, kann das Vergrößern der Gateisolierschicht an den Rändern benachbart zu den Seitenwänden der Gatee­ lektrode im gleichen Prozessschritt ausgeführt werden, wodurch sich die Anzahl an Verfahrensschritten verringert, wodurch wiederum eine höhere Effizienz in der Produkti­ vität erreicht wird. Obwohl die vorliegende Erfindung mit Bezug zu einem n-Kanal- Feldeffekttransistor beschrieben wurde soll angemerkt werden, dass die Bildung eines leicht dotierten Gebietes mit einer äußeren Sphäre mit weiterhin verringerter Dotierkon­ zentration (Halo-Gebiet) mittels der Bildung benachbarten dielektrischer Schichten ein­ schließlich der benötigten Dotieratome und anschließendes Diffundieren der Dotierato­ me in das benachbarte Gebiet auf eine beliebige andere Halbleiterstruktur angewendet werden kann.
Obwohl ferner Bezug zu Dotieratomen einer ersten und zweiten Art genommen wurde, kann eine beliebige Anzahl an Dotieratomarten verwendet werden, um eine erforderliche Nettokonzentration in einem spezifizierten Gebiet zu erhalten. In der mit Bezug zu Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform kann beispielsweise eine erste dielektrische Schicht 220 p-Dotieratome und die Seitenwandabstandselemente können n-Dotieratome ent­ halten. Ferner müssen die Dotieratome der ersten und zweiten Art nicht notwendiger­ weise eine unterschiedliche Wertigkeit aufweisen, sondern können beide p-Typ oder n- Typ Atome repräsentieren, die eine unterschiedliche Diffusionslänge zeigen.
Weitere Modifikationen und alternative Ausführungsformen diverser Aspekte der Erfin­ dung werden dem Fachmann angesichts dieser Beschreibung offenkundig. Folglich ist diese Beschreibung als lediglich illustrativ gedacht und dient dem Zwecke, dem Fach­ mann die allgemeine Art und Weise des Ausführens der vorliegenden Erfindung zu ver­ mitteln. Die Formen der Erfindung, die hier gezeigt und beschrieben sind, sind selbst­ verständlich als die gegenwärtig bevorzugten Ausführungsformen aufzufassen. Ele­ mente und Materialien, die hierin gezeigt und beschrieben sind, können ersetzt werden.

Claims (27)

1. Verfahren zum Bilden eines leicht dotierten Gebietes in einem Substrat, mit:
Bereitstellen eines Substrats mit einer Gateisolierschicht und einer darauf gebil­ deten Gateelektrode;
Bilden einer dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Substrat, wo­ bei die dielektrische Schicht Dotieratome einer ersten und zweiten Art umfasst; und
Ausführen einer Wärmebehandlung, um die Dotieratome der ersten und zweiten Art von der dielektrischen Schicht in das Substrat zu diffundieren.
2. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dotieratome der ersten Art eine erste Konzentration und eine erste Diffusionslänge hinsichtlich des Materials des Sub­ strats aufweisen, und die Dotieratome der zweiten Art eine zweite Konzentration und eine zweite Diffusionslänge hinsichtlich des Materials des Substrats aufwei­ sen.
3. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Wärmebehandlung durchgeführt wird, indem eine vordefinierte Temperatur für eine vordefinierte Zeitdauer auf das Sub­ strat angewendet wird, um es den Dotieratomen der ersten und zweiten Art zu er­ möglichen, in das Halbleitergebiet einzudringen, um das leicht dotierte Gebiet in dem Substrat mit einer Form und einer lokalen Dotierkonzentration zu erzeugen, die von der vordefinierten Temperatur, der vordefinierten Zeitdauer den ersten und zweiten Konzentrationen und den ersten und zweiten Diffusionslängen abhängt.
4. Das Verfahren nach Anspruch 3, wobei die vordefinierte Temperatur im Bereich von ungefähr 900 bis ungefähr 1100°C liegt.
5. Das Verfahren nach Anspruch 2, wobei die erste Diffusionslänge unterschiedlich zur zweiten Diffusionslänge ist.
6. Das Verfahren nach Anspruch 1, ferner mit Strukturieren der dielektrischen Schicht, um Seitenwandabstandselemente benachbart zu den Seitenwänden der Gateelektrode zu bilden.
7. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht durch chemische Dampfabscheidung gebildet wird, wobei gasförmige Komponenten zugeführt wer­ den, die die Dotieratome der ersten und zweiten Art enthalten.
8. Das Verfahren nach Anspruch 6, wobei die Seitenwandabstandselemente und die Gateisolierschicht ein Oxid umfassen.
9. Das Verfahren nach Anspruch 8, wobei der Wärmeprozess in einer oxidierenden Umgebung ausgeführt wird, um die Dotieratome der ersten und zweiten Art in das Substrat zu diffundieren, und um gleichzeitig eine Dicke der Gateisolierschicht be­ nachbart zu den Seitenwandabstandselementen zu vergrößern.
10. Das Verfahren nach Anspruch 1, wobei die dielektrische Schicht mehrere Dotier­ atome umfasst, wobei jede Art der Dotieratome eine unterschiedliche Wertigkeit o­ der Diffusionslänge aufweist.
11. Verfahren zur Bildung eines leicht dotierten Gebietes in einem Substrat, mit:
Bereitstellen eines Substrats mit einer Gateisolierschicht und einer darauf gebil­ deten Gateelektrode;
Bilden einer ersten dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Sub­ strat, wobei die erste dielektrische Schicht eine erste Art an Dotieratomen umfasst;
Bilden einer zweiten dielektrischen Schicht über der Gateelektrode und dem Sub­ strat, wobei die zweite dielektrische Schicht eine zweite Art Dotieratome umfasst; und
Durchführen einer Wärmebehandlung, um die erste und zweite Art Dotieratome aus den ersten und zweiten dielektrischen Schichten in das Substrat zu diffundie­ ren.
12. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste und zweite Art Dotieratome je­ weils mit einer ersten und zweiten Konzentration bereitgestellt werden.
13. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die erste Konzentration im Bereich von ungefähr 1 × 1021 bis ungefähr 1 × 1019 Atome pro cm3 liegt.
14. Das Verfahren nach Anspruch 12, wobei die zweite Konzentration im Bereich von ungefähr 1 × 1019 bis ungefähr 1 × 1017 Atome pro cm3 liegt.
15. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Wärmebehandlung ferner das Aus­ führen einer ersten Wärmebehandlung vor der Bildung der zweiten dielektrischen Schicht umfasst, um Dotieratome der ersten Art in das Substrat zu diffundieren.
16. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste dielektrische Schicht gebildet wird, indem das Substrat und das Gateelektrodenmaterial oxidiert wird, während Dotieratome der ersten Art in die oxidierende Atmosphäre eingeführt werden.
17. Das Verfahren nach Anspruch 16, wobei die Gateisolierschicht ein Oxid umfasst, und wobei eine Dicke der Gateisolierschicht an Randbereichen während der Bil­ dung der ersten dielektrischen Schicht vergrößert wird.
18. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei das Bilden der zweiten dielektrischen Schicht das Strukturieren der zweiten dielektrischen Schicht umfasst, um Seiten­ wandabstandselemente benachbart zu Seitenwänden der Gateelektrode zu bilden.
19. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite dielektrische Schicht durch chemische Dampfabscheidung gebildet wird und die Konzentration der Dotierato­ me der zweiten Art durch Zuführen einer gasförmigen Komponente mit einer spe­ zifizierten Durchflussrate während der Abscheidung der zweiten dielektrischen Schicht eingestellt wird.
20. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste dielektrische Schicht zwei oder mehr Dotieratome unterschiedlicher Arten umfasst, wobei jede Art Dotieratome ei­ ne unterschiedliche Wertigkeit oder Diffusionslänge aufweist.
21. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite dielektrische Schicht zwei oder mehr Dotieratome unterschiedlicher Arten umfasst, wobei jede Art Dotieratome ei­ ne unterschiedliche Wertigkeit oder Diffusionslänge aufweist.
22. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die erste dielektrische Schicht n- oder p- Dotieratome umfasst.
23. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei die zweite dielektrische Schicht n- oder p- Dotieratome umfasst.
24. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Diffusionslänge der ersten Art Do­ tieratome während des Wärmeprozesses sich von einer Diffusionslänge der zwei­ ten Art Dotieratome unterscheidet.
25. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Temperatur der Wärmebehandlung sich von einer Temperatur der ersten Wärmebehandlung unterscheidet.
26. Das Verfahren nach Anspruch 11, wobei eine Temperatur der Wärmebehandlung im Bereich von ungefähr 900 bis ungefähr 1100°C liegt.
27. Das Verfahren nach Anspruch 15, wobei eine Temperatur der ersten Wärmebe­ handlung im Bereich von ungefähr 900 bis ungefähr 1100°C liegt.
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