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GEBIET DER
VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Herstellung integrierter Schaltungen
und betrifft insbesondere das Implantieren von Ionen aus Dotiermaterialien in
Werkstücke
und/oder Substrate, die für
die Herstellung integrierter Schaltungen geeignet sind. Insbesondere
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
flacher "Halo"-Strukturen von Feldeffekttransistoren.
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BESCHREIBUNG
DES STANDS DER TECHNIK
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In
der jüngsten
Vergangenheit hat sich die Anzahl an Schaltungselementen, die auf
Halbleitersubstraten hergestellt werden, ständig vergrößert. Beispielsweise können sich
in modernen integrierten Schaltungsbauteilen ungefähr eine
Milliarde Elemente pro Chip auf Grund der ständigen Miniaturisierung der
Strukturgrößen befinden.
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Gegenwärtig werden
Schaltungselemente üblicherweise
mit minimalen Größen von
weniger als 0.18 μm
hergestellt und der Fortgang in der Herstellungstechnologie scheint
sich in dieser Weise fortzusetzen. Im speziellen Falle von Feldeffekttransistoren stellt
es sich mit der zunehmenden Miniaturisierung der Transistoren jedoch
heraus, dass MOSFETS Kurzkanaleffekte zeigen, die von den standardmäßigen MOSFET-Modellen
nicht vorhergesagt wurden; zu derartigen Kurzkanaleffekten gehören u. a.
die Durchgreifspannung in NMOSFET unterhalb der Oberfläche und
die Durchgreifspannung in PMOSFETS.
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Es
wurden große
Anstrengungen unternommen und zahlreiche Maßnahmen eingeleitet, um zu verhindern,
dass Kurzkanal-MOSFETS den Zustand der Durchgreifspannung erreichen.
Von diesen Maßnahmen
stellt sich das Implantieren von Dotierstoffen unter die Source-Drain-Erweiterungs-(SDE)Gebiete als
die zuverlässigste
heraus und wurde zu der am verbreitesten Technik zum Verhindern
des Durchgreifverhaltens in Feldeffekttransistoren. Derartige Implantationen
wurden als "Halo"-Implantationen bezeichnet.
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Angesichts
der verringerten seitlichen Abmessungen der Transistoren müssen die
Dotierprofile von "Halo"-Implantationen ebenfalls
auf flachere Bereiche beschränkt
werden, d. h. "Halo"-Implantationen müssen auf
flachere Gebiete in der Nähe
der Oberfläche
des Substrats, auf dem die Transistoren zu bilden sind, eingeschränkt werden.
Um die flachen Halo-Dotierprofile, die für die Source/Drain-Erweiterungsgebiete
und Kanäle
erforderlich sind, zu erhalten, müssen alle physikalische Mechanismen,
die ein Eindringen der Dotierstoffe tiefer in das Silizium ermöglichen,
strikt gesteuert oder vermieden werden. Insbesondere das kanalähnliche
Eindringen von Ionen ist ein Hauptfaktor, der gesteuert werden muss. Um
dies zu erreichen, werden häufig
Halo-Dotierprozesse mit flachem Profil, ein sogenannter "Vor-amorphisierungs"-Implantationsschritt,
vor der eigentlichen Halo-Dotierimplantation ausgeführt. Insbesondere
wird für
gewöhnlich
eine amorphe Zone während
einer ersten einzelnen Vor-amorphisierungs-Implantation gebildet
und während
eines nachfolgenden Implantationsprozesses (mit einem einzelnen Schritt
oder mehreren Schritten) werden die dotierten Gebiete (Halo- und
Source/Drain-Erweiterungsgebiete) gebildet. Für gewöhnlich werden schwere inerte
Ionen, wie Germanium oder Xenon mit einer Implantationsenergie von
ungefähr
80 bis 200 KeV implantiert, um das Oberflächengebiet des Substrats vollständig zu
amorphisieren.
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Im
Folgenden wird mit Bezug zu den 1a bis 1d ein
typischer konventioneller Prozess zur Herstellung der aktiven Gebiete
eines Feldeffekttransistors mit einem typischen "Voramophisierungs"-Implantationsschritt sowie einem typischen "Halo"-Implantationsschritt
beschrieben.
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1a zeigt
schematisch einen MOS-Transistor 100, der auf einem Substrat 1,
etwa einer Siliziumscheibe, zu bilden ist. Isolationsstrukturen 2 definieren
ein aktives Gebiet des Transistors 100. Ferner bezeichnet
Bezugszeichen 3 eine Polysiliziumgateelektrode des MOS-Transistors 100.
Bezugszeichen 6 kennzeichnet eine Gateisolationsschicht.
Bezugszeichen 7a bezeichnet einen Ionenstrahl, dem das
Substrat 1 während
eines "Voramorphisierungs"-Implantationsprozess
ausgesetzt ist, und Bezugszeichen 5a bezeichnet amorphe
Gebiete, die in dem Substrat 1 gebildet sind.
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In 1b bis 1d werden
jene Teile, die bereits mit Bezug zu 1a beschrieben
sind, durch die gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ferner kennzeichnet
in 1b Bezugszeichen 7e einen Ionenstrahl,
dem das Substrat 1 zur Ausbildung von Source/Drain- Erweiterungsgebieten
des Transistors 100 ausgesetzt ist. Ferner bezeichnen Bezugszeichen 5'S und 5'D das Sourceerweiterungsgebiet
und das Drainerweiterungsgebiet des Transistors 100.
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1c zeigt
den MOS-Transistor 100, wenn die Gebiete 5h während eines
konventionellen Halo-Implantationsschritts gebildet worden sind.
Insbesondere bezeichnet in 1c die
Bezugszeichen 7ha und 7hb entsprechende unter
einem Winkel auftreffende Ionenstrahlen, denen das Substrat 1 zur Ausbildung
der Halo-Gebiete 5h ausgesetzt ist. Das während eines
derartigen Prozesses eingebrachte Dotiermaterial ist vom selben
Typ, wie das zur Dotierung des Substrats verwendete Dotiermaterial.
D. h., die Halo-Implantationen für
NMOS- und PMOS-Bauteile
werden unter Anwendung eines P-Typ bzw. eines N-Typ-Dotiermaterials ausgeführt. In
gewissem Sinne verstärken
die Halo-Implantationen die Dotierung in dem Substrat.
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In 1d bezeichnet
Bezugszeichen 4 dielektrische Seitenwandabstandselemente,
die an den Seitenwänden
der Polysiliziumlinie 3 gebildet sind, und Bezugszeichen 5S und 5D bezeichnen
Source- und Draingebiete, nachdem ein weiterer Implantationsschritt
mit hoher Konzentration zur Bestimmung der endgültigen Konzentration der Dotierstoffe
in den Source- und Draingebieten ausgeführt worden ist.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der aktiven Gebiete des
Transistors 100 mit den amorphen Gebieten 5A,
den Halo-Strukturen 5H und den Source- und Draingebieten 5S und 5D kann
die folgenden Schritte umfassen.
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Nach
der Herstellung der Gateisolationsschicht 6 und der darüber liegenden
Polysiliziumlinie 3 entsprechend gut bekannter Lithographie-
und Ätzverfahren
werden die amorphen Gebiete 5 während eines ersten Schritts
(siehe 1a) mit einer einzelnen voramorphisierungs-Implantation
gebildet. Dazu wird das Substrat 1 in den Ionenstrahl 7a eingebracht und
es werden schwere Ionen, etwa beispielsweise Phosphor (P), Arsen
(As) und Argon (Ar) in das Substrat bei einer Implantationsenergie
von ungefähr
18 KeV eingebracht.
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Es
stellte sich heraus, dass bei einer vordefinierten Implantationsdosis
lokale amorphe Gebiete durch die in das Substrat eindringenden Ionen
gebildet werden, die sich schließlich überlappen, wenn der Implantationsprozess
fortgeführt
wird, bis eine kontinuierliche amorphe Schicht gebildet ist.
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Diese
amorphe Schicht wird gebildet, um eine Kanalbewegung der Ionen während des
nächsten
Implantationsschrittes zu steuern, um damit flache Implantationsprofile
für die
Halo-Gebiete und die Source- und Draingebiete zu erhalten, die in
dem Substrat zu bilden sind. D. h., die implantierten Ionen dringen
in eine amorphe Schicht nicht so tief als in eine kristalline Schicht
ein, so dass die implantierten Ionen innerhalb flacherer Gebiete
zurückgehalten werden
können
und das eigentliche Dotierprofil und die endgültige Dotierkonzentration derjenigen
Gebiete, die nach dem Vor-amorphisierungs-Implantationsschritt implantiert
wurden, können
besser gesteuert werden.
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In
einem nächsten
Schritt, wie dies in 1b gezeigt ist, wird ein zweiter
Ionenimplantationsschritt ausgeführt,
um die Source- und Drainerweiterungsgebiete 5'S und 5'D zu bilden.
Dazu wird durch Einbringen des Substrats 1 in den Ionenstrahl 7e eine Dosis
von ungefähr
3 × 1013 bis 3 × 10–4 cm–2 Dotierionen
bei geringer Energie (30 bis 50 KeV) implantiert. Dieser Implantationsprozess
bewirkt, dass die Ränder
dieser implantierten Gebiete im Wesentlichen mit dem Rand des Gates
ausgerichtet sind, d. h. dies ist ein selbstjustierender Prozess.
Der zweite Ionenimplantationsschritt wird mit N-Typ bzw. P-Typ Dotiermaterial
für NMOS-
bzw. PMOS-Bauelemente durchgeführt.
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Die
Halo-Gebiete 5h des Transistors 100 werden dann
in einem nachfolgenden Schritt hergestellt, wie dies in 1c gezeigt
ist. Insbesondere wird ein weiterer Ionenimplantationsschritt ausgeführt, in
welchem das Substrat 1 den Ionenstrahlen 7ha und 7hb ausgesetzt
wird. Diese Halo-Implantation ist ebenfalls zu den Kanalrändern selbstjustierend und
es werden Dotierstoffe unterhalb jener Dotierstoffe angeordnet,
die in SDE-Gebiete implantiert sind mit einer Tiefe, die kleiner
als die Tiefe der amorphen Gebiete 5a ist. Wie in 1c gezeigt
ist, werden die Ionenstrahlen 7ha und 7hb während der
Halo-Implantationen unter einem Neigungswinkel von ungefähr 30 Grad
in Bezug auf die Oberfläche
des Substrats 1 gehalten. Insbesondere wird der Implantierschritt
in zwei Teile geteilt: Während
der ersten Hälfte
wird das Substrat dem Ionenstrahl 7ha ausgesetzt und es
wird eine Dosis entsprechend der Hälfte der endgültigen Dosis
implantiert. Wenn der erste Teil abgeschlossen ist, wird das Substrat
um 180° um eine
Achse senkrecht zur Oberfläche
des Substrats gedreht und erneut dem Ionenstrahl 7hb ausgesetzt. In 1c sind
der Einfachheit halber zwei Io nenstrahlen 7ha und 7hb dargestellt;
Während
des zweiten Teils des Implantationsprozesses entspricht jedoch der
Ionenstrahl 7hb dem Ionenstrahl 7ha während des
ersten Teils, wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass
das Substrat 1 um 180° gedreht ist,
sobald der erste Teil eines Implantationsschrittes abgeschlossen
ist. Die Dotierkonzentration in den Gebieten 5h sowie die
Implantationsenergie und die Dotierstoffe werden in Abhängigkeit
von der Art des auf dem Substrat 1 zu bildenden Transistors
gewählt. Beispielsweise
werden Bor-Ionen in NMOS- und Phosphor in PMOS-Transistoren implantiert,
um ein Halo-Durchgreif-Unterdrückungsgebiet
in jedem Bauteil zu bilden. Für
gewöhnlich
wird Phosphor bei 90 KeV mit einer Dosis von 20 × 1013 cm–2 bei
25° Neigungswinkel
in zwei Segmenten implantiert, wobei das Substrat um 180° zwischen
den beiden Segmenten gedreht wird. Ähnliche Prozeduren werden für das Implantieren
von Bor angewendet.
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Es
wird eine Wärmebehandlung,
etwa ein Ausheizschritt, üblicherweise
nach dem Ionen-Implantationsschritt
durchgeführt,
um die Dotierstoffe in das Substrat zu diffundieren.
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Während eines
nachfolgenden Schrittes werden die Source- und Draingebiete 5S und 5D des Transistors 100 vervollständigt, wie
dies in 1d gezeigt ist. Insbesondere
werden die dielektrischen Seitenwandabstandselemente 4 an
den Seitenwänden
der Polysiliziumlinie 3 gemäß gut bekannter Verfahren hergestellt
und es wird ein Implantationsschritt mit hoher Konzentration ausgeführt, um
Dotierstoffe in jene Gebiete des Substrats einzubringen, die nicht von
der Polysiliziumlinie und den Seitenwandabstandselementen 4 abgedeckt
sind. Am Ende des Implantationsschrittes mit hoher Konzentration
sind die Source- und Draingebiete 5S und 5D gebildet,
die die gewünschte
Dotierkonzentration aufweisen. Für NMOS- und PMOS-Bauteile
wird dieser Implantationsschritt mit hoher Konzentration unter Verwendung von
N- bzw. P-Dotiermaterial ausgeführt.
Der Herstellungsprozess wird dann fortgesetzt, um den Transistor 100 entsprechend
wohlbekannter Verfahren fertigzustellen.
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Wie
zuvor erläutert
ist, wird der Vor-amorphisierungs-Implantationsprozess, wie er in 1a dargestellt
ist, zu dem Zwecke ausgeführt,
um die kanalisierende Bewegung der Ionen während der nachfolgenden Implantationsschritte
so zu steuern, um für die
Halo-Strukturen und die Source- und Draingebiete Dotierprofile zu
erhalten, die in Hinblick auf die reduzierten seitlichen Abmessungen
der modernen Transistoren in der erforderlichen Weise flach ausgebildet
sind. D. h., durch das Vor-amorphisieren des Substrats werden die
Dotierstoffe, die während
der nachfolgenden Implantationsprozesse in das Substrat eingebracht
werden, auf flache Gebiete mit reduzierter Tiefe in der Nähe der Oberfläche des
Substrats beschränkt,
wobei diese flachen Gebiete eine gut definierte Dotierkonzentration
und eine reduzierte Übergangstiefe
aufweisen.
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Der
konventionelle Vor-Amorphisierungsprozess, wie er mit Bezug zu 1a dargestellt
ist, ist jedoch relativ problematisch und zeitaufwendig. In der Tat
müssen
schwere Ionen implantiert werden und die Implantation muss für eine Zeitdauer
ausgeführt werden,
die lange genug ist, um die durch die implantierten Ionen erzeugten
Kristallschäden
so anzuhäufen,
um eine kontinuierliche amorphe Schicht zu bilden. Insbesondere
führt die
lange erforderliche Implantationszeit zu einem negativen Einfluss
auf die Produktivität
und zu erhöhten
Produktionskosten. Ferner ist eine Implantationsanlage im großen Maßstab erforderlich,
die ebenso zu höheren
Produktionskosten beiträgt.
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Daher
wäre es
angesichts der zuvor erläuterten
Probleme äußerst wünschenswert,
eine Technik bereitzustellen, die ein oder mehrere dieser Probleme
lösen oder
mindestens verringern kann. Insbesondere wäre es wünschenswert, eine Technik bereitzustellen,
die eine Ionenkanalbewegung während der
Halo-Implantation und während
der Source- und Drainimplantationsprozesse verhindert und/oder reduziert.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE
ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen beruht die vorliegende Erfindung auf der Erkenntnis,
dass die Ionenkanalbewegung verhindert oder reduziert werden kann
und ein flaches Dotierprofil für
eine optimale Tansistorausgestaltung erreicht werden kann, indem
eine Zwei-Schritt-Schädigungs- und Amorphisierungimplantation
ausgeführt
wird. Beispielsweise kann durch Ausführen eines ersten leichten
Ionen-Schädigungsimplantationsschrittes
eine gute Beschränkung
der nachfolgenden Halo-Implantation erreicht werden. Insbesondere
wurde beobachtet, dass die während eines
ersten leichten Ionenimplantationsschrittes hervorgerufenen Kristallschäden eine
befriedigende Beschränkung
der folgenden Halo-Implantation ermöglichen. Ferner kann eine Amorphisierung
des Substrats während
einer nachfolgenden starken Ionenimplantation ausgeführt werden,
um die Kanalbewegung im Wesentlichen zu unterdrücken, die Dotierstoffdiffusion
zu reduzieren und die Aktivierung der folgenden Source/Drain- und Source/Drain-Erweiterungs-Implantationen
zu verbessern. Es ist daher nicht notwen dig, eine sehr hohe Dosis
(über 1014 cm–2) anzuwenden, um das
Substrat vollständig
zu amorphisieren.
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Gemäß einer
Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Amorphisieren
eines kristallinen Substrats. Das Verfahren umfasst das Implantieren
von Ionen eines ersten Dotiermaterials durch eine Oberfläche des
Substrats während
eines ersten Implantationsschrittes, um isolierte Kristallschäden in dem
Substrat bis zu einer ersten vordefinierten Tiefe zu erzeugen. Ferner
umfasst das Verfahren das Implantieren von Ionen eines zweiten Dotiermaterials
durch die Oberfläche
des Substrats während
eines zweiten Implantationsschritts, um im Wesentlichen das Substrat
bis zu einer zweiten vordefinierten Tiefe, die kleiner als die erste
vordefinierte Tiefe ist, zu amorphisieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
mindestens eines Feldeffekttransistors auf einem halbleitenden Substrat.
Das Verfahren umfasst das Herstellen mindestens einer Gatestruktur über einem
aktiven Gebiet des mindestens einen Transistors und das Implantieren
von Ionen eines ersten Dotiermaterials während eines ersten Implantationsschritts
durch die Oberfläche
des Substrats, die nicht von der mindestens einen Gatestruktur bedeckt
ist, um das Substrat zu einer zweiten vordefinierten Tiefe, die
kleiner als die erste vordefinierte Tiefe ist, im Wesentlichen zu
amorphisieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur Herstellung mindestens
eines Feldeffekttransistors auf einem Halbleitersubstrat bereitgestellt.
Das Verfahren umfasst das Bilden mindestens einer Polysiliziumgatestruktur über einem
aktiven Gebiet des mindestens einen Transistors und das Implantieren
von Ionen eines ersten Dotiermaterials während eines ersten Implantationsschritts
durch die Oberfläche des
Substrats, die nicht von der Gatestruktur bedeckt ist, um isolierte
Kristallschäden
in dem Substrat bis zu einer ersten vordefinierten Tiefe zu erzeugen.
Ferner umfasst das Verfahren das Implantieren von Ionen einer ersten
vordefinierten Leitfähigkeitsart
während
eines zweiten Implantationsschritts durch die Oberfläche des
Substrats, die nicht von der Gatestruktur bedeckt ist, um Halo-Strukturen
in den Bereichen des Substrats zu bilden, die die Kristallschäden enthalten,
und das Verfahren umfasst ferner das Implantieren von Ionen eines
zweiten Dotiermaterials während
eines dritten Implantationsschritts in die Halo-Strukturen, um das Substrat bis zu einer
zweiten vordefinierten Tiefe, die kleiner als die erste vordefinierte
Tiefe und kleiner als die Tiefe der Halo-Strukturen ist, im Wesentlichen
zu amorphisieren. Ferner umfasst das Verfahren das Implantieren
von Ionen einer zweiten vordefinierten Leitfähigkeitsart, die entgegengesetzt
zur ersten Leitfähigkeitsart
ist, während
eines vierten Implantationsschritts in das amorphisierte Substrat.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung
mindestens eines aktiven Gebiets in einem kristallinen Substrat.
Das Verfahren umfasst das Implantieren von Ionen eines ersten Dotiermaterials während eines
ersten Implantationsschritts durch mindestens einen Bereich der
Oberfläche
des Substrats, um isolierte Kristallschäden mindestens in einem Bereich
des Substrats bis zu einer ersten vordefinierten Tiefe zu erzeugen,
und das Implantieren von Ionen einer ersten vordefinierten Leitfähigkeitsart während eines
zweiten Implantationsschritts durch mindestens einen Bereich der
Oberfläche,
um Halo-Strukturen in der mindestens einem Bereich des Substrats
mit den Schäden
zu bilden. Das Verfahren umfasst ferner das Implantieren von Ionen
eines zweiten Dotiermaterials während
eines dritten Implantationsschritts in die Halo-Strukturen, um das
Substrat bis zu einer zweien vordefinierten Tiefe, die kleiner als
die erste vordefinierte Tiefe und kleiner als die Tiefe der Halo-Strukturen
ist, im Wesentlichen zu amorphisieren. Ferner umfasst das Verfahren
das Implantieren von Ionen einer zweiten vordefinierten Leitfähigkeitsart,
die entgegengesetzt zu der ersten Leitfähigkeitsart ist, während eines
vierten Implantationsschritts in das amorphisierte Substrat.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Vorteile, Aufgaben und Merkmale sowie 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 identische oder entsprechende Teile durch die gleichen
Bezugszeichen belegt sind.
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1a bis 1d repräsentieren
eine typische Prozesssequenz eines konventionellen Verfahrens zur
Herstellung von Source- und Draingebieten eines Feldeffekttransistors
mit dem Schritt des Implantierens schwerer Ionen, um das Substrat
zu amorphisieren; und
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2a bis 2e repräsentieren
einen Prozessablauf eines Verfahrens zur Herstellung der Source-
und Draingebiete eines Feldeffekttransistors mit einer zweistufigen
Schädigungs- und Amorphisierungsimplantationssequenz
gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Obwohl
die vorliegende Erfindung mit Bezug zu den Ausführungsformen beschrieben ist,
wie sie in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung sowie in
den Zeichnungen gezeigt sind, sollte es selbstverständlich sein,
dass die folgende detaillierte Beschreibung sowie die Zeichnungen
nicht beabsichtigen, die vorliegende Erfindung auf die speziellen
anschaulichen offenbarten Ausführungsformen
einzuschränken,
sondern die beschriebenen anschaulichen Ausführungsformen stellen lediglich
beispielhaft die diversen Aspekte der vorliegenden Erfindung dar,
deren Schutzbereich durch die angefügten Patentansprüche definiert
ist.
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Die
vorliegende Erfindung ist als besonders vorteilhaft zu verstehen,
wenn diese zur Herstellung der aktiven Gebiete von Feldeffekttransistoren
angewendet wird. Aus diesem Grunde werden im folgenden Beispiele
angegeben, in denen entsprechende Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung auf die Herstellung der aktiven Gebiete eines Feldeffekttransistors
angewendet sind. Es ist jedoch zu beachten, dass die Anwendung der
vorliegenden Erfindung nicht auf die Herstellung der aktiven Gebiete
der Feldeffekttransistoren beschränkt ist, sondern dass die vorliegende
Erfindung in jeder anderen Situation anwendbar ist, in der die Realisierung
flacher Dotierprofile in einem Substrat und/oder einem Werkstück erforderlich
ist. Die vorliegende Erfindung kann in all jenen Situationen ausgeführt werden,
in denen es erforderlich ist, die kanalisierende Bewegung der Ionen während der
Ionenimplantationsschritte zum Zwecke der Herstellung gut definierter
Dotierprofile, die eine zuverlässige
Dotierkonzentration sowie flache Dotierprofile aufweisen, zu steuern.
Die vorliegende Erfindung kann in all jenen Situationen ausgeführt werden,
in denen eine optimale Gestaltung dotierter Gebiete in einem Substrat
erforderlich ist. Die vorliegende Erfindung ist daher in diesen
Situationen anwendbar und die Source- und Draingebiete eines in
den folgenden anschaulichen Ausführungsformen
beschriebenen Feldeffekttransistors sollen einen derartigen Bereich
und/oder Gebiet eines Substrats repräsentieren.
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Mit
Bezug zu den 2a bis 2e wird nunmehr
eine anschauliche Ausführungsform
eines zweistufigen Schädigungs-
und Amorphisierungsverfahren der vorliegenden Erfindung beschrieben.
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In 2a bezeichnet
Bezugszeichen 1 ein Substrat, auf dem ein Feldeffekttransistor 100 herzustellen
ist, etwa beispielsweise ein PMOS-, ein NMOS- oder ein CMOS-Transistor.
Bezugszeichen 2 bezeichnet Isolationsstrukturen, die ein
aktives Gebiet des Transistors 100 definieren. Die Isolationsstrukturen 2 sind
als Flachgrabenisolations-(STI)strukturen vorgesehen. Es können jedoch auch
andere Isolationsstrukturen, beispielsweise LOCOS-Strukturen (lokale
Oxidation von Silizium) anstelle der STI-Strukturen hergestellt
werden. Die Isolationsstrukturen 2 umfassen im Wesentlichen
ein isolierendes Material, etwa Siliziumdioxid, Siliziumnitrid oder
dergleichen. Bezugszeichen 3 betrifft eine Polysiliziumgateelektrode,
die im Folgenden auch als eine Polysiliziumgatelinie bezeichnet
wird, die auf einer Gateisolationsschicht 6 gebildet ist,
die auf den aktiven Gebieten des Substrats 1 strukturiert
ist. Ferner bezeichnen in 2a die
Bezugszeichen 8da und 8db entsprechende Ionenstrahlen,
denen das Substrat 1 zum Zwecke des Implantierens von Dotierstoffen
durch die Bereiche der Oberfläche
des Substrats 1, die nicht von der Polysiliziumlinie 3 und der
Gateisolationsschicht 6 bedeckt sind, ausgesetzt ist, um
die kristalline Struktur des Substrats 1 zu schädigen. Schließlich bezeichnet
in 2a das Bezugszeichen 5d die Gebiete des
Substrats 1, in denen die kristalline Struktur des Substrats 1 durch
Einbringen des Substrats in die Ionenstrahlen 8da und 8db geschädigt worden
ist. Die Gebiete 5d sind keine kontinuierlichen amorphen
Gebiete, sondern enthalten isolierte Kristallschäden und/oder nicht überlappende
amorphe Gebiete, wie dies deutlicher aus dem Folgenden hervorgeht.
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In
den 2b bis 2e sind
die Merkmale, die bereits mit Bezug zu 2a beschrieben
sind, durch die gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 2b bezeichnen
die Bezugszeichen 8ha und 8hb Ionenstrahlen, denen
das Substrat 1 zum Zwecke des Implantierens von Dotierstoffen
in das Substrat 1 ausgesetzt ist, um Halo-Strukturen in den
geschädigten
Gebieten 5d zu bilden. Diese Halo-Strukturen sind in 2b durch
das Bezugszeichen 5h gekennzeichnet.
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In 2c bezeichnet
das Bezugszeichen 8a einen Ionenstrahl, dem das Substrat 1 zum
Zwecke des Bildens von amorphen Gebieten 5a innerhalb der geschädigten Gebiete 5d ausgesetzt
ist. Wie aus 2c ersichtlich ist, sind die
amorphen Gebiete 5a bis zu einer Tiefe gebildet, die kleiner
ist als die Tiefe der geschädigten
Gebiete 5d und kleiner als die Tiefe der Halo-Strukturen 5h.
In 2d bezeichnen die Bezugszeichen 5'S und 5'D Source- und Drainerweiterungs-(SDE)gebiete,
die in dem Substrat 1 gebildet sind; Bezugszeichen 8e bezeichnet
einen Ionenstrahl, dem das Substrat 1 zum Zwecke des Herstellens
der Source- und Drainerweiterungsgebiete 5'S und 5'D ausgesetzt ist. Die Source- und
Drainerweiterungsgebiete 5'S und 5'D enthalten
eine geringe Dosis an Dotierstoffen in den bestrahlten Bereichen des
Substrats 1, d. h. in den Bereichen des Substrats, die
nicht von der Polysiliziumlinie 3 und der Gateisolationsschicht 6 bedeckt
sind. Beispielsweise ist im Falle eines PMOS-Transistors eine geringe
Dosis an P-Dotiermaterial, beispielsweise Bor, implantiert, während eine
geringe Dosis an N-Material, beispielsweise Phosphor, im Falle eines
NMOS-Transistors implantiert wird.
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In 2e bezeichnet
Bezugszeichen 7SD einen weiteren Ionenstrahl, dem das Substrat
während
eines weiteren Implantationsprozesses zur Herstellung der Source-
und Draingebiete des Transistors 100 ausgesetzt ist. Insbesondere
sind in 2e diese Source- und Draingebiete
durch die Bezugszeichen 5S bzw. 5D bezeichnet.
Für gewöhnlich wird ein
Implantationsschritt mit hoher Dosis ausgeführt, um die endgültige Konzentration
der Source- und Draingebiete 5S und 5D zu bestimmen.
Für NMOS- bzw.
PMOS-Bauteile wird diese starke Implantation unter Verwendung eines
N- bzw. P-Dotiermaterials durchgeführt.
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Der
Herstellungsprozess für
die Bildung des aktiven Gebiets des Transistors 100, wie
es in 2a dargestellt ist, kann die
folgenden Schritte umfassen.
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Wie
aus 2a ersichtlich ist, wurde zunächst eine Polysiliziumgatestruktur
mit der Polysiliziumlinie 3 und der Gateisolationsschicht 6 gemäß gut bekannter
Verfahren gebildet. Die Herstellung der aktiven Gebiete beginnt
für gewöhnlich nach
der Herstellung der Polysiliziumgatestruktur. Im Folgenden wird
angenommen, dass die Polysiliziumgatestruktur bereits hergestellt
ist und anschließend
Implantationsprozesse ausgeführt
werden, um die aktiven Gebiete des Feldeffekttransistors 100 zu
bilden.
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Während eines
ersten Implantationsschritts gemäß der vorliegenden
Erfindung wird ein leichter Ionenimplantationsschritt ausgeführt, um
Ionen tief in das Siliziumsubstrat einzubringen, um Kristallschäden und/oder
nicht überlappende
amorphe Gebiete bis zu einer vordefinierten Tiefe in dem Substrat 1 hervorzurufen.
Typische Implantationselemente sind Silizium oder Argon mit einer
Implantationsenergie von mehr als 15 KeV. Es wurde beobachtet, dass
bereits ungefähr
10% an Kristallschäden
die kanalisierte Ionenbewegung nachfolgender implantierter Dotierstoffe
deutlich reduzieren. Es ist daher nicht notwendig, eine sehr hohe
Dosis von Dotierstoffen (über 1014 cm–2) anzuwenden, um das
Substrat vollständig zu
amorphisieren. Selbst wenn das Substrat nicht vollständig während des
schädigenden
leichten Ionenimplantationsschrittes amorphisiert wird, erlauben
jedoch die hervorgerufenen Kristallschäden eine ausreichende Beschränkung der
Halo-Implantation, die sich anschließt, so dass flache Halo-Strukturen geschaffen
werden können,
die ein optimal zugeschnittenes Profil zeigen. Der schädigende
leichte Ionenimplantationsschritt kann bei 0° Neigungswinkel oder unter einem
großen
Neigungswinkel, wie dies in 2a dargestellt
ist, abhängig
von den Gegebenheiten ausgeführt
werden. Insbesondere wenn die Implantation unter einem großen Neigungswinkel ausgeführt wird,
wie in 2a gezeigt ist, erstrecken sich
die geschädigten
Gebiete, d. h. die Gebiete des Substrats mit den Kristallschäden, die
durch die Ionenimplantation hervorgerufen werden, tief unterhalb die
Polysiliziumgatestruktur. Wenn dagegen der Implantationsprozess
unter einem Neigungswinkel von ungefähr 0° durchgeführt wird, d.h. das Einbringen des
Substrats in einen Ionenstrahl, der ungefähr senkrecht zu der Oberfläche des
Substrats verläuft, werden
geschädigte
Gebiete erhalten, die im Wesentlichen zu der Polysiliziumgatestruktur
ausgerichtet sind. In dem speziellen Beispiel, das in 2a gezeigt
ist, wird angenommen, dass der Ionenstrahl unter einem Winkel in
Bezug auf die Oberfläche
des Substrats so gehalten wird, dass die geschädigten Gebiete 5d gebildet
werden, die sich tief unterhalb die Polysiliziumgatestruktur erstrecken.
In dem speziellen in 2a gezeigten Falle ist angenommen, dass
der Implantationsprozess zwei Halbperioden aufweist, wobei das Substrat 1 um
180° um
eine Achse senkrecht zu der Oberfläche des Substrats am Ende der
ersten Halbperiode und bei Beginn der zweiten Halbperiode gedreht
wird. In diesem Falle ist das Substrat 1 dem gleichen Ionenstrahl
während
der ersten und der zweiten Halbperiode ausgesetzt, und die Ionenstrahlen 8 da
und 8dd aus 2a zeigen an, dass das Substrat
um 180° gedreht
ist.
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In
jenen Fällen,
in denen der Ionenstrahl bei ungefähr 0° Neigungswinkel in Bezug auf
die Oberfläche
des Substrats gehalten wird, muss natürlich das Substrat 1 nicht
um 180° gedreht
werden und der Implantationsprozess muss nicht in zwei Halbperioden
unterteilt werden.
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Wenn
die geschädigten
Gebiete 5d in der oben beschriebenen Weise gebildet sind,
wird der Herstellungsprozess fortgesetzt, um die Halo-Gebiete in
dem Substrat während
des nachfolgenden Implantationsschritts zu bilden, wie dies in 2d gezeigt
ist. Dazu wird das Substrat 1 den Ionenstrahlen 8ha und 8hb ausgesetzt.
Diese Halo-Implantation ist selbstjustierend zu dem Kanalrand und
die Dotierstoffe werden durch jene Bereiche der Oberfläche des
Substrats 1, die nicht durch die Polysiliziumgatestruktur
bedeckt sind, in die geschädigten
Gebiete 5d implantiert. In der gleichen Weise, wie in dem
ersten Implantationsschritt, der mit Bezug zu 2a beschrieben
ist, können
während
der Halo-Implantationen die Ionenstrahlen 8ha und 8hb unter
einem großen
Neigungswinkel in Bezug auf die Oberfläche des Substrats oder können ungefähr senkrecht
in Bezug auf die Oberfläche
des Substrats, abhängig
von den Gegebenheiten, gehalten werden. Wenn die Ionenstrahlen 8ha und 8hb unter
einem Winkel (z. B. 30°) in
Bezug auf die Oberfläche
des Substrats gehalten werden, wird der Implantationsschritt wiederum
in zwei Teile unterteilt; während
des ersten Teils ist das Substrat dem Ionenstrahl 8ha ausgesetzt
und eine Dosis entsprechend einer Hälfte der endgültigen Dosis
wird implantiert. Wenn der erste Teil abgeschlossen ist, wird das
Substrat um 180° um
eine Achse senkrecht zu der Oberfläche des Substrats gedreht und
dem Ionenstrahl 8hb ausgesetzt. Auch im Falle der 2b sind
die zwei Ionenstrahlen 8ha und 8hb zum Zwecke
der Klarheit dargestellt. Der Ionenstrahl 8hb während des
zweiten Teils entspricht dem Ionenstrahl 8ha während des
ersten Teils mit lediglich dem Unterschied, dass das Substrat 1 um
180° nach
Abschluss des ersten Teils des Halo-Implantationsschritts gedreht
ist. Wenn der Ionenstrahl ungefähr senkrecht
zu der Oberfläche
des Substrats gehalten wird, muss der Implantationsschritt nicht
in zwei Segmente unterteilt werden, sondern es kann ein Implantationsprozess
mit einer einzelnen Implantationsperiode ausgeführt werden, um die gewünschte endgültige Konzentration
in dem Halo-Gebieten 5h zu erreichen. Ein anderer Neigungswinkel
als 0° kann
in jenen Situationen angewendet werden, in denen die Halo-Gebiete
sich deutlich in das Kanalgebiet des Feldeffekttransistors 100 erstrecken
müssen,
d. h. deutlich unterhalb die Polysiliziumgatestruktur und nicht
so sehr in der vertikalen Richtung. Andererseits in jenen Situationen,
in denen die Halo-Strukturen sich deutlich in vertikaler Richtung
und weniger in horizontaler Richtung ausdehnen müssen, ist ein senkrechter Ionenstrahl
vorzuziehen, d. h. ein Ionenstrahl, der unter ungefähr 0° Neigungswinkel
gehalten wird.
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Die
Halo-Gebiete 5h ermöglichen
es, die Kurzkanaleffekte, insbesondere den Durchgreifeffekt, in
dem Transistor 100 zu vermeiden oder zumindest zu reduzieren.
Die Dotierkonzent ration in den Gebieten 5h sowie die Implantationsenergie
und die Dotierstoffe werden in Abhängigkeit von der Art des auf
dem Substrat 1 zu bildenden Transistors gewählt. Beispielsweise
werden Borionen in NMOS- und Phosphorione in PMOS-Transistoren implantiert,
um ein Halo-Durchgreifunterdrückungsgebiet
in jedem Bauteil zu bilden. Typischer Weise wird Phosphor bei 90
KeV mit einer Dosis von 2 × 1013 cm–2 bei 25° Neigungswinkel
in zwei Segmenten implantiert, wobei das Substrat um 180° zwischen
den beiden Segmenten gedreht wird. Ähnliche Prozeduren werden für das Implantieren
von Bor angewendet.
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Es
wird eine Wärmebehandlung,
etwa ein Ausheizschritt, nach dem Halo-Ionenimplantationsschritt ausgeführt, um
die Dotierstoffe in das Substrat zu diffundieren. Auf Grund der
Tatsache, dass die geschädigten
Gebiete 5d zuvor gebildet worden sind, kann die kanalmäßige Ausbreitung
der Ionen während
des Halo-Implantationsschrittes besser gesteuert werden. D. h.,
dass Implantieren der Halo-Dotierstoffe in die geschädigten Gebiete 5d führt zu Halo-Strukturen 5h,
die ein optimal zugeschnittenes Dotierprofil aufweisen. Des weiteren
kann die Tiefe der Halo-Gebiete 5h, d. h. die Ausdehnung
der Halo-Gebiete 5h in
das Substrat, besser vorherdefiniert werden, und flache Halo-Strukturen
können
erhalten werden.
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Während eines
anschließenden
Implantationsschrittes, wie dies in 2c gezeigt
ist, werden die freigelegten Bereiche des Substrats 1,
d. h. die Bereiche des Substrats 1, die nicht von der Polysiliziumgatestruktur
bedeckt sind, im Wesentlichen vollständig amorphisiert. Dazu wird
das Substrat 1 einem Ionenstrahl 8a ausgesetzt,
was zur Herstellung der amorphen Gebiete 5a aus 2c führt. Der
Ionenstrahl 8a kann ungefähr senkrecht oder unter einem Neigungswinkel
in Bezug auf die Oberfläche
des Substrats gehalten werden. Im zuletzt genannten Falle wird der
Implantationsprozess in zwei Segmente unterteilt, wobei das Substrat
um 180° zwischen den
beiden Segmenten gedreht wird.
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Für gewöhnlich werden
schwere inerte Ionen, etwa Germanium oder Xenon, während dieser amophisierenden
Implantationsschritte mit einer Implantationsenergie typischer Weise
unterhalb 150 KeV implantiert. Dieser Implantationsschritt wird
angewendet, um die Kanalwirkung zu unterdrücken, die Dotierdiffusion zu
reduzieren und den Aktivierungsgrad für die folgenden Source-Drain-
und Source-Drain-Erweiterungsimplantationen zu verbessern. Wie aus 2c ersichtlich
ist, erstrecken sich die amorphen Gebiete 5e in vertikaler
Richtung in das Substrat bis zu einer Tiefe, die kleiner als eine
Tiefe der geschädigten
Gebiete 5d und der Halo-Strukturen 5h ist. Diese
flachen amorphen Gebiete 5d können dennoch die Ionenausbreitung
in Kanälen
während
der nachfolgenden Implantationsschritte vermeiden, so dass flache
Source- und Draingebiete gebildet werden können.
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Der
Herstellungsprozess wird dann weitergeführt, um den Transistor 100 gemäß gut bekannter Verfahren
zu vervollständigen.
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Insbesondere
wird während
eines nächsten Schrittes,
wie in 2d gezeigt ist, ein weiterer
Ionenimplantationsprozess ausgeführt,
um die Source/Drain-Erweiterungsgebiete 5'S und 5'D zu bilden. Dazu wird eine Dosis
von ungefähr
3 × 1013 bis 3 × 1014 cm–2 an
Dotierionen bei geringer Energie (30 bis 50 KeV) durch Einbringen
des Substrats 1 in einen Ionenstrahl 8e implantiert.
Für gewöhnlich werden
N- bzw. P-Dotiermaterialien für
NMOS- bzw. PMOS-Bauteile
verwendet.
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Anschließend werden
dann die Source- und Draingebiete 5S und 5D des
Transistors 100 während
eines nachfolgenden Schrittes vervollständigt, wie dies in 2e gezeigt
ist. Insbesondere werden die dielektrischen Seitenwandabstandselemente 4 zuvor
an den Seitenwänden
der Polysiliziumlinie 3 gemäß bekannter Verfahren hergestellt
und ein weiterer Implantationsschritt mit hoher Dosis wird ausgeführt, um
Dotierstoffe in jene Gebiete des Substrats einzubringen, die nicht
von der Polysiliziumlinie 3 und dem Seitenwandabstandselementen 4 bedeckt
sind. Am Ende des starken Ionenimplantationsschrittes werden die
Source- und Draingebiete 5S und 5D gebildet, so
dass diese eine vordefinierte Dotierkonzentration aufweisen. Für NMOS-
und PMOS-Bauelemente wird dieser starke Implantationsschritt unter Verwendung
von N- bzw. P-Dotiermaterial ausgeführt. In den Implantationsschritten,
die in den 2d und 2e zur
Herstellung der Source- und Drainerweiterungsgebiete und der Source-
und Draingebiete gezeigt sind, ist auch die kanalartige Ausbreitung
der Ionen auf Grund der geschädigten
Gebiete 5d und der amorphen Gebiete 5a, die zuvor
erfindungsgemäß gebildet
wurden, reduziert.
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Sobald
die Source- und Draingebiete 5S und 5D gebildet
sind, wird der Herstellungsprozess zur Vervollständigung des Transistors 100 gemäß bekannter
Techniken fortgesetzt.
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Alle
Implantationsschritte, die mit Bezug zu den 2a bis 2e beschrieben
sind, können
unter einem Neigungswinkel von 0° oder
unter einen großen
Neigungswinkel ausgeführt
werden.
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Ferner
ist die Sequenz der Implantationsschritte nicht festgelegt, sondern
kann entsprechend den Gegebenheiten geändert werden. Beispielsweise
kann die Amorphisierungssimplantation mit schweren Ionen zur Schaffung
der amorphen Gebiete 5a zuerst ausgeführt werden und die schädigende leichte
Ionenimplantation zur Herstellung der geschädigten Gebiete 5D kann
danach durchgeführt werden.
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Der
Vorteil der Anwendung einer zweistufigen Schädigungs- und Amorphisierungsimplantationssequenz
gemäß der vorliegenden
Erfindung beruht auf der Tatsache, dass das Ausbreiten von Ionen in
Kanälen
reduziert werden kann, ohne das Substrat während eines starken Ionenimplantationsschrittes vollständig zu
armorphisieren. Dies wird erreicht, in dem das kristalline Substrat
während
eines ersten leichten Ionenimplantationsschrittes vorgeschädigt wird,
und anschließend
das Substrat bis zu einer Tiefe armorphisiert wird, die geringer
als eine Tiefe ist, bis zu der das Substrat geschädigt ist.
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Das
Schädigen
des Substrats während
eines leichten Ionenimplantationsprozesses führt zu der Ausbildung isolierter
Kristallschäden
und/oder nicht überlappende
amorphe Gebiete, wodurch die Herstellung flacher Halo-Strukturen
möglich
ist. Isolierte Kristallschäden
und/oder nicht überlappende
amorphe Strukturen sind Stellen und/oder relativ kleine Gebiete,
in denen die kristalline Struktur des Substrats geschädigt und/oder
zerstört
ist, d. h., in denen die Substratatome auf Grund der Kollisionen
(sowohl nuklearer als auch elektronischer Art) der implantierten
Ionen gegen die Substratatome aus ihren Gitterplätzen versetzt werden.
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Das
Substrat kann dann im Wesentlichen vollständig bis zu einer verringerten
Tiefe während
eines anschließenden
starken Ionenimplantationsschrittes amorphisiert werden, in dem
isolierte Schäden
und/oder nicht überlappende
amorphe Gebiete zur Überlappung
gebracht werden, um eine im Wesentlichen kontinuierliche amorphe
Schicht zu bilden. Das Ausbilden einer kontinuierlichen amorphen Schicht
kann beitragen, um das Ausbreiten von Ionen in Kanälen während nachfolgender
Ionenimplantationsschritte zur Herstellung der Source- und Drainerweiterungsgebiete
und der Source- und Draingebiete zu reduzieren, so dass sehr flache
Source- und Drainerweiterungsgebiete und Source- und Draingebiete geschaffen
werden können,
die ein optimales Dotierprofil aufweisen.
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Anders
ausgedrückt,
durch Ausführen
einer zweistufigen Schädigungs-
und Amorphisierungsimplantationssequenz gemäß der vorliegenden Erfindung
können
flache Implantationsprofile erhalten werden, wobei das Substrat
jedoch nicht bis zu einer großen
Tiefe vollständig
amorphisiert werden muss.
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Der
Herstellungsvorgang wird dadurch vereinfacht, die zeitaufwendigen
konventionellen Armophisierungsimplantationsschritte können vermieden
und die Herstellungskosten können
minimal gehalten werden.
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Es
sollte ferner beachtet werden, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf die Herstellung aktiver Gebiete eines Feldeffekttransistors
beschränkt ist,
sondern dass sie all jenen Fällen
angewendet werden kann, in denen die Ionenausbreitung in Kanälen während Ionenimplantationsschritte
zu vermeiden ist und die Realisierung eines flachen Implantationsprofils
erforderlich ist.
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Die
vorliegende Erfindung erfordert nicht das Bereitstellen einer speziellen
Ausstattung, sondern kann in einem beliebigen herkömmlichen
Herstellungsprozess ohne zusätzliche
Kosten oder Komplexität
implementiert werden.
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Es
sollte ferner beachtet werden, dass ein weiter Bereich an Änderungen
und Modifikationen an den zuvor beschriebenen Ausführungsformen
vorgenommen werden kann. Es sind daher die Ansprüche, einschließlich aller Äquivalente,
die den Schutzbereich der Erfindung definieren sollen.