DE10240429A1 - Production of a semiconductor structure used in the production of planar logic transistors comprises applying gate stacks onto a gate dielectric over a semiconductor substrate, implanting a dopant, and forming a side wall oxide - Google Patents
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Abstract
Description
Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit einer Mehrzahl von Gate-Stapeln auf einem Halbleitersubstrat und entsprechende HalbleiterstrukturMethod of manufacturing a semiconductor structure with a plurality of gate stacks on a semiconductor substrate and corresponding semiconductor structure
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur mit einer Mehrzahl von Gate-Stapeln auf einem Halbleitersubstrat und eine entsprechende Halbleiterstruktur.The present invention relates to a method for producing a semiconductor structure with a plurality of gate stacks on a semiconductor substrate and a corresponding semiconductor structure.
Planare Auswahl-Transistoren für DRAM-Speichereinrichtungen stoßen bei Gate-Längen unter 100 nm an technologische Grenzen, da einerseits ein ausreichendes Abschaltverhalten der hergestellten Transistoren zu garantieren ist und andererseits die auftretenden elektrischen Felder im Übergangs- bzw. Junction-Bereich kontrollierbar sein müssen. Insbesondere unter Berücksichtigung der im Herstellungsprozess unvermeidbaren Toleranzen müsste für die Einstellung der Einsatzspannung eine derart hohe Dotierung im Kanal gewählt werden, dass die daraus resultierenden elektrischen Felder zu einer unzureichenden Haltedauer der gespeicherten Ladung (retention) führte.Planar selection transistors for DRAM memory devices bump at gate lengths below 100 nm at technological limits, because on the one hand an adequate To guarantee switch-off behavior of the transistors produced and on the other hand the occurring electric fields in the transition or junction area must be controllable. Considering in particular the inevitable tolerances in the manufacturing process would have to be adjusted such a high doping in the channel can be selected that the the resulting electric fields become insufficient Holding period of the stored charge (retention) led.
Bei Logik-Transistoren hingegen führen sehr hohe Kanal- bzw. Halo-Dotierungen, welche zur Verhinderung eines Durchschlags bzw. Punch through nötig sind, durch auftretende hohe Feldstärken zu Problemen in der Zuverlässigkeit an der Drain-Seite. Darüber hinaus erhöhen sich durch die hohen Dotierungen die Serienwiderstände auf Source- und Drain-Seite der Halbleitereinrichtung bzw. des Devices.With logic transistors, however, lead very high Channel or halo doping, which is used to prevent breakdown or punch through necessary are due to high field strengths to problems in reliability on the drain side. Furthermore increase the series resistances due to the high doping Source and drain side of the semiconductor device or the device.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht darin, die Skalierbarkeit von planaran Array-Ruswahl-Transistoren, insbesondere für Gate-Längen unter 100 nm, zu verbessern und ebenfalls eine Verbesserung der Device-Eigen schaften planarer Logik-Transistoren durch Feldreduktion bei Transistoren in unidirektionalem Betrieb vorzusehen.The basis of the present invention lying task is the scalability of planaran Array Ruswahl transistors, especially for Gate lengths below 100 nm, and also improve the Device properties of planar logic transistors through field reduction To provide transistors in unidirectional operation.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch das in Anspruch 1 angegebene Herstellungsverfahren einer Halbleiterstruktur und die entsprechende Halbleiterstruktur nach Anspruch 19 gelöst.According to the invention, this object is achieved by Manufacturing method of a semiconductor structure specified in claim 1 and the corresponding semiconductor structure according to claim 19 solved.
Von Vorteil beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Halbleiterstruktur ist, dass eine weitere Verkleinerung von DRAM-Speicherzellen möglich wird, wodurch ein Kostenvorteil begründet wird. Die Anwendung ist darüber hinaus für alle DRAM-Schaltungen mit sehr stark skalierten Planaren Transistoren vorteilhaft, da dort möglichst kurze Transistoren mit möglichst idealen Schaltereigenschaften (on-off current ratio) bei möglichst niedrigem Gate-Spannungshub erforderlich sind. Weitere vorteilhafte Anwendungen liegen bei hochintegrierten Schaltungen, da durch die im erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren generierte Halbleiterstruktur aufgrund der Reduktion der Halo- bzw. Wannen-Dotierungskonzentration nahe der Source/Drain-Oberfläche ein erhöhter Treiberstrom bei gleichzeitig niedrigem Anschlußwiderstand im Drain-Gebiet ermöglicht wird. Auch reduziert sich dadurch das Drain-seitige Feld des Transistors, das für Degradationseffekte aufgrund von "hot carrier-" oder "non conducting-stress" verantwortlich ist. Dies ist jedoch nur möglich, wenn Source und Drain Design-seitig definiert werden (z.B. bei unidirektionalem Betrieb).An advantage in the method according to the invention to manufacture a semiconductor structure is that another Downsizing of DRAM memory cells becomes possible, creating a cost advantage justified becomes. The application is about it out for all DRAM circuits with very strongly scaled planar transistors advantageous because there possible short transistors with if possible ideal switch properties (on-off current ratio) if possible low gate voltage swing are required. More beneficial Applications are in highly integrated circuits, because of the in the manufacturing process according to the invention generated semiconductor structure due to the reduction of the halo or Well doping concentration near the source / drain surface increased Driver current with low connection resistance in the drain area allows becomes. This also reduces the drain-side field of the transistor, that for Degradation effects due to "hot carrier" or "non conducting stress" responsible for. However, this is only possible if the source and drain Be defined on the design side (e.g. in unidirectional operation).
Die der Erfindung zugrunde liegende Idee besteht im wesentlichen darin, eine einseitige Dotierung in einen Transistor einzubringen (z.B. Bor für einen n-Kanal-Transistor), und zwar selbstjustiert zur Gate-Kante nach Herstellung des Gate-Stack. Bei einer Speichertechnologie erfolgt dies – abhängig vom Layout der Zelle – z.B. durch eine entsprechende Photomaske, auf der die zu implantierende Seite des Devices aufbelichtet ist. So wird beispielsweise für ein MINT-Layout eine Streifenmaske verwendet, im Gegensatz zu einer i-line-Blockmaske bei einem Checkerboard-Layout.The basis of the invention The main idea is to have a one-sided doping in insert a transistor (e.g. boron for an n-channel transistor), namely self-aligned to the gate edge after the gate stack has been produced. At a Storage technology does this - depending on the layout of the cell - e.g. by a corresponding photo mask on which the side to be implanted of the device is exposed. For example, for a MINT layout uses a stripe mask as opposed to an i-line block mask with a checkerboard layout.
Bei Logik-Transistoren wird im Gegensatz dazu die zusätzliche Dotierung durch eine auf der Source-Seite geöffnete Maske eingebracht. In beiden Fällen vergrößert diese zusätzliche Dotierung die Potentialbarierre und erhöht somit die Einsatzspannung im Kurzkanalbereich der Transistoren. Darüber hinaus ist bei Logik-Transistoren eine Erhöhung des Device-Stromes durch den damit verbundenen "velocity"-Overshoot verbunden.In contrast, with logic transistors the additional Doping introduced through a mask opened on the source side. In both cases enlarges this additional Doping the potential barrier and thus increasing the threshold voltage in the short channel area of the transistors. In addition, logic transistors an increase the device current through the associated "velocity" overshoot connected.
Die Implantation der Dotierung wird nach der Ätzung des Gate-Stapels direkt vor oder während der sogenannten Seitenwand-Oxidation durchgeführt. Durch die anschließende Oxidation der Gate-Seitenwand diffundiert der Dotierstoff unter die Gate-Kante. Im Falle einer p-Dotierung mittels Bor beispielsweise verringert sich dadurch die Dotierungskonzentration nahe der freiliegenden Oberfläche neben dem Gate bzw. im sogenannten Source/Drain-Gebiet durch Segregation (Abreicherung ins entstehende Oxid), während die Konzentration an der Gate-Kante durch eine Oxygen-enhanced Diffusion zunimmt.The implantation of the doping will after the etching of the gate stack right before or during the so-called sidewall oxidation carried out. By the subsequent one Oxidation of the gate sidewall diffuses under the dopant the gate edge. in the In the case of p-doping with boron, for example, it decreases thereby the doping concentration near the exposed surface next to the gate or in the so-called source / drain region by segregation (Depletion in the resulting oxide), while the concentration on the gate edge increases due to oxygen-enhanced diffusion.
In der vorliegenden Erfindung wird das eingangs erwähnte Problem insbesondere dadurch gelöst, dass Gate-Stapel auf ein Gate-Dielektrikum über einem Halbleitersubstrat aufgebracht werden, eine Dotierung selbstjustiert zu Kanten der Gate-Stapel implantiert werden, und ein Seitenwand-Oxid an freiliegenden Seitenwänden der Gate-Stapel unter gleichzeitiger Bildung unter die Gate-Kante diffundierter Dotierungsbereiche generiert wird.In the present invention the aforementioned Problem solved in particular by that gate stack on a gate dielectric over a semiconductor substrate be applied, a self-aligned doping to edges of the Implanted gate stack and a sidewall oxide on exposed sidewalls of the Gate stack diffused under the gate edge while forming Doping areas is generated.
In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des jeweiligen Erfindungsgegenstandes.There are advantageous ones in the subclaims Further developments and improvements of the respective subject of the invention.
Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung werden die Gate-Stapel in etwa äquidistant zueinander aufgebracht und unter jedem zweiten benachbarten Gate-Stapel ist im Halbleitersubstrat ein Speicherkondensator angeordnet.According to a preferred further development the gate stacks are approximately equidistant applied to each other and under every other adjacent gate stack a storage capacitor is arranged in the semiconductor substrate.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung erfolgt die Implantation der Dotierung asymmetrisch aus einer vorbestimmten Richtung unter einem vorbestimmten Winkel.According to a further preferred development, the implantation of the doping takes place asym metric from a predetermined direction at a predetermined angle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Gate-Stapel in etwa äquidistant zueinander aufgebracht, wobei alternierend unter jedem dritten oder ersten benachbarten Gate-Stapel im Halbleitersubstrat ein Speicherkondensator angeordnet ist.According to another preferred In a further development, the gate stacks are applied approximately equidistant from one another, alternating among every third or first neighboring A storage capacitor is arranged in the gate stack in the semiconductor substrate is.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zwischen jedem zweiten Gate-Stapelpaar eine Maske vor dem Implantieren der Dotierung vorgesehen.According to another preferred Further training is a mask between every second pair of gate stacks provided before implanting the doping.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildurg wird die Dotierung aus zwei vorbestimmten Richtungen jeweils unter einem vorbestimmten Winkel implantiert.According to another preferred The doping from two predetermined directions is further developed each implanted at a predetermined angle.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Dotierung unter einem vorbestimmten Winkel von α = 0° implantiert.According to another preferred Further training is the doping at a predetermined angle of α = 0 ° implanted.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Dotierung nach der Implantation durch einen vorbestimmt eingestellten Extra-Temperschritt diffundiert.According to another preferred Further training is the doping after implantation by a predetermined temperature step diffuses.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Seitenwand-Oxidation auf zwei oder mehrere Teilschritte aufgeteilt, wobei die Dotierungsimplantation zwischen Teilschritten erfolgt.According to another preferred Further training is the sidewall oxidation on two or more Sub-steps divided, the doping implantation between Partial steps are carried out.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird die Dotierung jeweils auf nur einer Seite der Gate-Stapel implantiert.According to another preferred Further training, the endowment is only on one side of the Implanted gate stack.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren zur Herstellung von Logik-Transistoren. bzw. Logikschaltkreisen, insbesondere für DRAMs, eingesetzt.According to another preferred The process for the production of logic transistors is a further development. or logic circuits, in particular for DRAMs.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren zur Herstellung von Auswahl-Transistoren eingesetzt. Diese Auswahl-Transistoren sind vorzugsweise durch STI (Shallow Trench Isolation)-Gräben voneinander gertrennt.According to another preferred The process for producing selection transistors is further developed used. These selection transistors are preferably through STI (Shallow Trench Isolation) trenches separated from each other.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Gate-Stapel mit einer Länge von unter 100 nm hergestellt.According to another preferred The gate stacks are produced with a length of less than 100 nm.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden die Gate-Stapel parallel, streifenförmig auf dem Halbleitersubstrat vorgesehen.According to another preferred The gate stacks are developed in parallel, in strips the semiconductor substrate provided.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weisen die Gate-Stapel eine untere erste Schicht aus einem Polysilizium und eine darüberliegende zweite Schicht aus einem Metall-Silizid oder einem Metall auf.According to another preferred The gate stacks have a lower first layer a polysilicon and an overlying one second layer of a metal silicide or a metal.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird zum Erstellen der Gate-Stapel ein Aufbringen und Strukturieren der ersten, der darüberliegenden zweiten und einer darauf angeordneten dritten Schicht auf dem Gate-Dielektrikum durchgeführt.According to another preferred Continuing education is an application to create the gate stack and structuring the first, the overlying second and one third layer arranged thereon carried out on the gate dielectric.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung weist die dritte Schicht Siliziumnitrid bzw. -oxid auf.According to another preferred The third layer has silicon nitride or oxide on.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung werden an den Seitenwänden der Gate-Stapel Seitenwand-Spacer vorzugsweise aus Siliziumnitrid bzw. -oxid vorgesehen.According to another preferred Training will be on the side walls of the gate stack side wall spacers preferably made of silicon nitride or oxide.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.Embodiments of the invention are shown in the drawings and in the description below explained in more detail.
Es zeigen:Show it:
In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder funktionsgleiche Bestandteile.In the figures denote the same Reference numerals same or functionally identical components.
In
Gemäß der ersten vorliegenden Ausführungsform sind die Speicherkondensatoren TK1, TK2, TK3 und TK4 derart angeordnet, dass alternierend jeweils jeder dritte oder erste Gate-Stapel GS1, GS4, GS5 und GS8 über einem Kondensator TK1, TK2, TK3, TK4 zu liegen kommen.According to the first present embodiment the storage capacitors TK1, TK2, TK3 and TK4 are arranged in such a way that every third or first gate stack GS1, GS4, GS5 and GS8 over a capacitor TK1, TK2, TK3, TK4 come to rest.
In
Gemäß der ersten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird in von den Maskenabschnitten M nicht
bedeckten Bereichen ein Dotierstoff in das Halbleitersubstrat
Die Implantationsrichtungen I1, I2
bilden mit der Vertikalen einen Winkel α bzw. –α, welcher zwischen 0°, d.h. I1
= I2, und dem Winkel zwischen der Vertikalen und einer Geraden,
welche sich vom unteren Übergang
zwischen Gate-Dielektrikum
Darüber hinaus besteht die Möglichkeit
für die
Verteilung der Dotierstoffe im Halbleitersubstrat
Durch geschicktes Ausnutzen der Segregation (Abreicherung der Dotierung ins entstehende Oxid) in das auf den Übergangs- bzw. Junction-Gebieten aufwachsende Oxid und der Diffusion unter die Gate-Kante kann die Potentialbarierre auf der Source-Seite des Devices beeinflußt, d.h. designed, werden, und die Junction-Felder (E-Felder) auf der Drain-Seite werden stark reduziert. Darüber hinaus kann beispielsweise bei der Verwendung von Bor in einem n-FET-Device ein niedriger Junction-Serienwiderstand generiert werden, ohne dass die erwünschte Erhöhung der Potentialbarierre darunter leidet.By skilfully exploiting segregation (Depletion of doping in the resulting oxide) in the transition or junction areas growing oxide and diffusion under the gate edge can reduce the Potential barrier affected on the source side of the device, i.e. are designed, and the junction fields (E fields) on the drain side are greatly reduced. About that In addition, for example, when using boron in an n-FET device a low junction series resistance can be generated without the desired one increase the potential barrier suffers from it.
In
Eine derart hergestellte Halbleiterstruktur mit asymmetrischer Dotierung, welche direkt vor, direkt nach und/oder wäh rend der Seitenwand-Oxidation durch Diffusion in ihrem Konzentrationsprofil angepasst wird, verbessert das Kurzkanal-Verhalten des Transistors und reduziert zugleich die elektrischen Felder auf der Drain-Seite des Devices. Die Drain-Seite ist im Falle einer Speicherzelle, bei der eine logische "1" als Information gespeichert ist, die Knoten- bzw. Node-Seite mit dem Speicherkondensator, während sie im Fall einer Logik-Anwendung die Seite des Devices mit dem höheren Potential charakterisiert. Prinzipiell kann dieses Verfahren sowohl für n- als auch für p-FET-Strukturen bzw. Devices unter der Verwendung entsprechender Species bzw. Substrat Dotierstoff-Kombinationen eingesetzt werden, wobei die Diffusion unter das Gate und die Segregation in das auf dem Source/Drain-Gebiet aufwachsende Oxid stark von dem verwendeten Dotierstoff abhängt.A semiconductor structure produced in this way with asymmetrical doping, which is immediately before, immediately after and / or while sidewall oxidation by diffusion in their concentration profile is adapted, improves the short-channel behavior of the transistor and reduces at the same time the electrical fields on the drain side of the device. The drain side is in the case of a memory cell in which a logical "1" is stored as information, the node or node side with the storage capacitor while them in the case of a logic application the side of the device with the higher one Characterized potential. In principle, this method can both for n- for as well p-FET structures or devices using appropriate Species or substrate dopant combinations are used, wherein the diffusion under the gate and the segregation in that on the Source / drain region growing oxide depends strongly on the dopant used.
In
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Obwohl die vorliegende Erfindung vorstehend anhand zweier bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkt, sondern auf vielfältige Art und Weise modifizierbar.Although the present invention described above using two preferred exemplary embodiments it is not limited to this, but in a variety of ways and modifiable.
Insbesondere sind die Schichtmaterialien für die Gate-Stapel, deren Anordnung und der genannte Dotierstoff nur beispielhaft. Darüber hinaus ist die vorliegende Erfindung sowie die ihr zugrunde liegende Aufgabe prinzipiell auf beliebige integrierte Schaltungen anwendbar, obwohl sie mit Bezug auf integrierte DRAM-Speicher bzw. Logik-Schaltungen in Silizium-Technologie erläutert wurden. Ebenfalls sind auf Basis des erfindungsgemäßen Herstellungsverfahrens für eine Halbleiterstruktur sowohl n- als auch p-Kanal-Feldeffekt-Transistoren bzw. -Devices realisierbar.In particular, the layer materials for the Gate stacks, their arrangement and the dopant mentioned are only examples. About that In addition, the present invention and the one on which it is based In principle, the task can be applied to any integrated circuits, although they are related to DRAM integrated memories or logic circuits in silicon technology explained were. Are also based on the manufacturing method according to the invention for one Semiconductor structure of both n and p channel field effect transistors or devices can be implemented.
- 11
- HalbleitersubstratSemiconductor substrate
- 55
- Dielektrikumdielectric
- 1010
- Gate-Stapelschicht, vorzugsweise aus PolysiliziumGate stack layer, preferably made of polysilicon
- 2020
- Gate-Stapelschicht, vorzugswseise aus MetallsilizidGate stack layer, preferably made of metal silicide
- 3030
- Gate-Stapelschicht, vorzugswseise aus SiliziumnitridGate stack layer, preferably made of silicon nitride
- 4040
- Seitenwand-OxidSidewall oxide
- 5050
- Seitenwand-Spacer, z.B. aus SiliziumnitridSidewall spacers, e.g. made of silicon nitride
- 60 – 6560-65
- aktive Gebieteactive areas
- 60' – 67'60 '- 67'
- aktive Gebieteactive areas
- 100, 105, 110, 120, 130100 105, 110, 120, 130
- implantierte Dotierung (2-stg.)implanted Doping (2-part)
- 100', 110', 120', 130'100 ', 110 ', 120', 130 '
- diffundierte, impl. Dotierung diffused, impl. endowment
- 105'', 110'', 120'', 130'', 140''105 '' 110 '', 120 '', 130 '', 140 ''
- implant. Dot. (einseitig)implant. Dot. (One-sided)
- 110''', 120''', 130''', 140'''110 '' ', 120 '' ', 130' '', 140 '' '
- diffundierte, impl . Dot diffused, impl. dot
- GS1 – GS8GS1 - GS8
- Gatestapelgate stack
- MM
- Maskemask
- I1I1
- Implantationsrichtung αImplantation direction α
- I2I2
- Implantationsrichtung –αDirection of implantation –α
- I1'I1 '
- Implantationsrichtung αImplantation direction α
- αα
- Implantationswinkel zur Vertikalenimplantation angle to the vertical
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