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GEBIET DER VORLIEGENDEN ERFINDUNG
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Im
Allgemeinen betrifft die vorliegende Erfindung die Herstellung integrierter
Schaltungen und betrifft insbesondere Messverfahren, die das Abschätzen von
Dotierprofilen in aktiven Halbleitergebieten, etwa den Drain- und
Sourcegebieten von Feldeffekttransistoren, ermöglichen.
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BESCHREIBUNG DES STANDS DER
TECHNIK
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US 2002/0102752 A1 offenbart
ein CV-Verfahren zum Messen einer effektiven Kanallänge in einer
Vorrichtung, mit dem gleichzeitig eine Überlappung zwischen Gate und
Drain und eine Änderung
einer Gatelänge
beim Ätzen
bestimmt werden kann.
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Druckschrift
US 6 166 558 offenbart ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Berechnen einer Gatelänge und
einer Überlappung
zwischen Gate und Source bzw. Drain durch Messen der Gatekapazität.
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Druckschrift
US 6 327 555 B1 offenbart
ein Verfahren, bei dem Dotierprofile unter denselben Bedingungen
experimentell und durch eine Simulation untersucht werden und Fehler
der Simulation korrigiert werden.
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W.
Rösner
et al., Symposium an VLSI Technology, San Diego, S. 9 f, Mai 1988
offenbart ein Verfahren zum Bestimmen eines lateralen Drainprofils durch
Messung von Kapazitäten.
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In
der Halbleiterindustrie wird ständig
versucht, die Strukturgrößen von
Schaltungselementen zu verringern, um damit das Bauteilleistungsverhalten
und die Packungsdichte zu verbessern. Ein wesentlicher Anteil der
heutzutage hergestellten integrierten Schaltungen sind digitale
Bauteile, die mittels der sogenannten MOS-Technologie hergestellt werden,
die die Herstellung einer großen
Anzahl von Feldeffekttransistorelementen, die im Wesentlichen als
Schalter arbeiten, mit einschließt. In diesen Transistorelementen
trennt ein leicht dotiertes Signalgebiet stark dotierte Source-
und Draingebiete, wobei eine Gateelektrode, die die Ausbildung eines
Kanals in dem Kanalgebiet bei Anlegen einer geeigneten Steuerspannung
steuert, über
dem Kanalgebiet angeordnet und davon durch eine dünne Isolationsschicht
getrennt ist. Die Grenzfläche
zwischen dem Drain- oder dem Sourcegebiet und dem invers leicht dotierten
Kanalgebiet bildet einen PN-Übergang,
wobei insbesondere die Form und die Abmessung jenes Teiles des PN-Übergangs,
der das Drain- oder Sourcegebiet mit dem Kanal verbindet, für das Transistorverhalten
von großer
Bedeutung ist. Ferner ist der Abstand zwischen dem Source- und dem
Draingebiet, der auch als Kanallänge
bezeichnet wird, ein kritischer Entwurfsparameter des Feldeffekttransistors, da
die Kanallänge
im Wesentlichen die Stromtreiberfähigkeit und die Schaltgeschwindigkeit
des Transistorbauteils beeinflusst.
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Während der
letzten Jahre wurden die Bauteilabmessungen dieser Feldeffekttransistoren
stetig bis zu Kanallängen
von 0.1 μm
und darunter reduziert, wodurch die Bauteilleistungsfähigkeit
verbessert wurde, während
gleichzeitig eine lediglich bescheidene Leistungsaufnahme erforderlich
ist, wenn integrierte C-MOS-Schaltungen betrachtet werden. Daher
ist diese Art der Schaltungsarchitektur zur dominierenden Technologie
für integrierte
Schaltungen geworden. Beim ständigen
Verringern der Strukturgrößen von
Transistorelementen ist ein wesentliches Problem die Herstellung
dotierter Gebiete mit gut definierten Formen und Abmessungen, um
damit ein erforderliches Dotierstoffprofil in diesen Gebieten zu
erreichen. Da diese Dotierstoffprofile im Wesentlichen die Ladungsträgerverteilung
sowie die Verteildung des in dem Bauteil während des Betriebs vorherrschenden
elektrischen Feldes bestimmen, ist das strikte Steuern der Dotierstoffprofile
wesentlich, um ein verbessertes Bauteilverhalten zu erreichen. Insbesondere
für äußerst größenreduzierte
Schaltungen mit Abmessungen im Bereich deutlich unter 1 μm treten
zusätzliche
Probleme auf, die bislang für
Transistorelemente im Bereich von 1 μm unbekannt waren, so dass sogar
noch strengere Anforderungen bei der Herstellung geeigneter Dotierstoffprofile
erforderlich sind.
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In
technisch fortschrittlichen Transistorelementen muss das Dotierstoffprofil
in zumindest zwei Dimensionen, d. h. in einer Tiefenrichtung in
Bezug auf ein das Schaltungselement tragenden Substrats und in einer
Richtung senkrecht zu der Tiefenrichtung, die auch als laterale
Richtung bezeichnet werden kann, gesteuert werden, um die erforderliche
Ladungsträger-
und Feldverteilung bereitzustellen. Da es konventionelle Diffusionsverfahren
im Allgemeinen nicht erlauben, ein spezifiziertes Dotierstoffprofil in
einer Richtung zu bilden, die von einer Dotierstoff speisenden Materialschicht
wegzeigt, – mit
Ausnahme einer graduell abnehmenden Dotierstoffkonzentration auf
der Grund der Natur des Diffusionsprozesses – wurde das Implantieren von
Ionen die bevorzugte Technik zum Einführen von Dotierstoffatome in einer
gewünschten
Konzentration bei einer gewünschten
Tiefe eines spezifischen Gebietes. Das laterale Profil oder der
laterale Einschluss der implantierten Dotierstoffe wird für gewöhnlich erreicht,
indem entsprechende Implantationsmasken gebildet werden, die die
darunter liegenden Gebiete teilweise oder vollständig abschirmen, wodurch das
geforderte laterale Profil erzeugt wird. Obwohl die Ionenimplantation
die Herstellung eines Dotierstoffkonzentrationsspitzenwertes innerhalb
relativ beschränkter
Bauteilgebiete ermöglicht,
ist die endgültige
Form und Abmessung des Dotierstoffprofils dennoch teilweise durch
die Diffusionsprozesse bestimmt, d. h. durch Ausheizprozesse, die
zum Aktivieren der Dotierstoffatome erforderlich sind, d. h. zum
Anordnen der Dotierstoffatome an regulären Gitterplätzen und
zum zumindest teilweise Ausheilen von Kristallschäden, die durch
die Implantation hervorgerufen wurden.
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In
technisch sehr weit entwickelten Transistorelementen sind die Abmessungen
der dotierten Gebiete, beispielsweise der Source- und Draingebiete
mit dem dazwischen angeordneten Kanalgebiet, äußerst klein und werden in künftigen
Bauteilgenerationen weiter reduziert, so dass die Prozessgrenzen bei
der Implantation und dem Ausheizen, d. h. Diffusionsprozessen, zunehmend
restriktiver werden. Daher sind zuverlässige und effiziente Messtechniken erforderlich,
um die Dotierstoffprofile, die durch die angewendeten Implantations-
und Ausheizprozesse geschaffen werden, ständig zu überwachen. Aus diesem Grunde
werden große
Anstrengungen unternommen, um Techniken für das Gewinnen von Informationen über Dotierstoffprofile
innerhalb von Schaltungselementen zu entwickeln. Es stellt sich
heraus, dass die Dotierstoffkonzentration in der Tiefenrichtung
mit sehr hoher Genauigkeit messbar ist, wohingegen im Wesentlichen
keine Information gesammelt werden kann, die sich auf das laterale
Dotierstoffprofil bezieht, was jedoch für die Funktionalität des Transistorelements
entscheidend ist. Folglich wurden eine Vielzahl von Messtechniken
entwickelt, um ein zweidimensionales Bild der Ladungsträgerverteilung und
damit des Dotierstoffprofils, das eng mit der während des Betriebs des Bauteils
gemessenen Ladungsträgerverteilung
verknüpft
ist, mehr oder minder zu bestimmen. Zu entsprechenden Verfahren können die
Abtastkapazitätsmikroskopie
(SCM), die Nano-Verteilungswiderstandsprofilierung
(nano-SRP), die Bindungskräftemikroskopie
mit Ätzanalyse
oder die Transmissionselektronenmikroskopie mit Ätzanalyse, die Kelvinsonden-Kräfteabtastmikroskopie,
und dergleichen gehören.
Einige dieser Verfahren können
eine räumliche
Auflösung
von ungefähr
10 nm liefern, wie dies für
gegenwärtige
und künftige
Bauteilgenerationen als notwendig erachtet wird. Die meisten dieser
Techniken sind gegenwärtig nicht
unter praktischen Bedingungen erprobt und sind noch in der Untersuchungsphase,
so dass entsprechende Anlagen mit hoher Auflösung und Genauigkeit momentan
kommerziell nicht erhältlich sind.
Ferner erfordern die zuvor genannten Techniken einen großen Aufwand
hinsichtlich der Probenpräparation
und der Anlagenhandhabung, wodurch das Entwickeln und das Testen
neuer Technologie bei der Herstellung von Dotierstoffprofilen für künftige Bauteilgenerationen
deutlich verlangsamt wird.
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Angesichts
der zuvor beschriebenen Probleme besteht daher ein Bedarf für ein verbessertes
Verfahren zur Bestimmung des lateralen Ladungsträger- und/oder Dotierstoffprofils
in Schaltungselementen.
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ÜBERBLICK ÜBER DIE ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Technik zur Bewertung der lateralen
Abmessung eines Dotierstoffprofils durch Bestimmen einer Überlappkapazität des Profils
in einer Struktur, die einen „Kondensator" bildet, wobei die Überlappkapazität mit einer „Referenz-"kapazität verglichen wird.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren die Merkmale des
Anspruchs 1.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Weitere
Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung sind in den angefügten Patentansprüchen definiert
und gehen deutlicher aus der folgenden detaillierten Beschreibung
hervor, wenn diese mit Bezug zu den begleitenden Zeichnungen studiert wird;
es zeigen:
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1a schematisch
eine Querschnittsansicht einer Transistorstruktur, die zur Bestimmung
einer lateralen Abmessung eines Dotierstoffprofils gemäß einer
anschaulichen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung benutzt wird;
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1b bis 1d schematisch
Querschnittsansichten eines Teils einer Transistorstruktur während diverser
Schritte beim Bestimmen einer lateralen Ausdehnung eines Dotierstoffprofils;
und
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1e einen
Graphen, der Messwerte einer Überlappkapazität für veränderliche
seitliche Positionen der Referenzprofile und für ein zu messendes Profil enthält.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Die
vorliegende Erfindung basiert auf der Überlegung, dass in einer Transistorstruktur
eine sogenannte Überlappkapazität, d. h.
die Kapazität,
die durch den Betrag des Überlapps
des Drain- oder des Sourcegebiets mit der darüber liegenden Gateelektrode
erzeugt wird, direkt einer Änderung
in der lateralen Position des Dotierstoffprofils, das das Drain- oder
Sourcegebiet bildet, entspricht. Durch Erzeugung einer Transistorstruktur,
die die Messung der Überlappkapazität eines
bekannten Dotierstoffprofils – oder
eines Profils, das durch gut bekannte Prozessparameter gebildet
wird – für eine oder
mehrere bekannte Offset-Positionen erlaubt, um einen Referenzwert
zu erhalten, kann ein neues Dotierstoffprofil bewertet werden, indem
die entsprechende Überlappkapazität für eine bekannte
Offset-Position bestimmt und mit dem Referenzwert verglichen wird.
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Es
sollte beachtet werden, dass die folgenden anschaulichen Ausführungsformen
sich auf die Bestimmung des lateralen Ladungsträgerprofils und damit des Dotierstoffprofils
eines Drain- oder Sourcegebiets eines Feldeffekttransistors beziehen,
da die genaue Steuerung dieser Dotierstoffprofile wichtig für gegenwärtige und
zukünftige
Bauteilgenerationen mit äußerst reduzierter
Kanallänge
und fortschrittlichen Gateisolationsstrukturen sind, an die die
Gestaltung der Drain- und Sourcegebiete anzupassen ist. Die vorliegende
Erfindung ist daher äußerst vorteilhaft
bei der Bewertung und Entwicklung von Implantations-, Diffusions-
und Ausheizabläufen
zum Ermitteln neuer Arten von Dotierstoffprofilen und zum Verbessern
gegenwärtig
etablierter Prozesssequenzen bei der Herstellung dotierter Halbleitergebiete.
In den offenbarten Ausführungsformen
können
die lateralen Profile unter Anwendung einer Transistorstruktur bestimmt
werden. Die Prinzipien der vorliegenden Erfindung können jedoch
auch auf eine beliebige Halbleiterstruktur, die nicht notwendigerweise
eine Transistorstruktur ist und komplexe Dotierstoffprofile enthält, die
durch einen entsprechenden Implantations- und/oder Diffusions- und/oder
Ausheizzyklus gebildet werden, angewendet werden, wobei die Transistorstruktur,
die zur Ermittlung der Information über das laterale Dotierstoffprofil
ein Messwerkzeug für
eine beliebige Halbleiterstruktur mit einem dotieren Gebiet repräsentieren
kann. D. h., eine beliebige Prozesssequenz zur Schaffung eines Dotierstoffprofils
in Übereinstimmung
mit spezifizierten Prozesserfordernissen kann in effizienter Weise
durch die hierin beschriebenen Verfahren bewertet werden, solange
das interessierende Dotierstoffprofil als ein Drain- und Sourceprofil
eines entsprechend gestalteten Transistors „verwendet" werden kann. Wenn beispielsweise die
Wirkungen eines geänderten
Prozessrezeptes zu untersuchen sind, kann das Profil in der Tiefenrichtung
durch gut bekannte Verfahren bewertet werden, wohingegen das laterale
Profil dann bewertet werden kann, indem eine Transistorstruktur mit
dem vorhergehenden und dem geänderten
Prozessrezept gebildet wird, um deren Unterschied zu bestimmen.
Die Transistorstruktur kann daher lediglich ein Mittel repräsentieren,
um die erforderlichen Messergebnisse zu erhalten und muss nicht
notwendigerweise selbst der Gegenstand der Untersuchung sein.
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Mit
Bezug zu den 1a bis 1c werden nun
weitere anschauliche Ausführungsformen
der vorliegenden Erfindung detaillierter beschrieben.
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1a zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht einer Transistorstruktur 100 mit
einem Substrat 101, die ein darin gebildetes aktives Gebiet 110 aufweist,
d. h., ein Gebiet, das aus einem halbleitendem Material mit einer
gewissen Menge darin vorgesehener Dotierstoffatome einer spezifizierten
Leitfähigkeitsart
gebildet ist. In dem aktiven Gebiet 110 sind ein erstes
dotiertes Gebiet 102 und eines zweites dotiertes Gebiet 103 gebildet,
die auch als Source- und Draingebiete bezeichnet werden können, wobei
auf Grund der üblicherweise
symmetrischen Konfiguration der Transistorstruktur 100 das
Gebiet 102 oder das Gebiet 103 als das Source
oder Drain des Transistors dienen können. Das erste und das zweite
dotierte Gebiet 102, 103 enthalten Dotierstoffe einer
zweiten Leitfähigkeitsart,
die invers zur Leitfähigkeitsart
der Dotierstoffe in dem aktiven Gebiet 110 sind, so dass
das aktive Gebiet 110 und das erste und das zweite dotierte
Gebiet 102, 103 voneinander mittels eines PN-Übergangs
getrennt sind. Das erste und das zweite dotierte Gebiet 102, 103 oder
das Drain- und Sourcegebiet sind in lateraler Richtung, die in 1a als
die horizontale Richtung gekennzeichnet ist, und die für gewöhnlich als
die Längendimension
der Transistorstruktur 100 bezeichnet wird, durch ein Kanalgebiet 104 getrennt,
das auch im Vergleich zu den ersten und den zweiten dotierten Gebiet 102, 103 invers
dotiert ist. Eine Gateelektrode 106, die beispielsweise
aus dotierten Polysilizium gebildet ist, ist über dem Kanalgebiet 104 und
einem Teil des ersten und des zweiten dotierten Gebiets 102, 103 gebildet
und ist davon durch eine Gateisolationsschicht 105 getrennt.
Dielektrische Abstandselemente 107 sind an den Seitenwänden der
Gateelektrode 106 gebildet. Obwohl die Abstandselemente 107 in
Bezug auf eine Tiefenrichtung, d. h. in 1a die
vertikale Richtung, nicht symmetrische sein müssen, kann den Abstandselementen 107 eine
Dicke zugeordnet werden und diese kann durch die laterale Ausdehnung
an der Unterseite der Abstandselemente 107 gekennzeichnet
sein, die durch das Bezugszeichen 109 bezeichnet ist. In
anderen Ausführungsformen
können
die Abstandselemente 107 eine im Wesentlichen gleichförmige Dicke über die
gesamte Ausdehnung in der Tiefenrichtung aufweisen.
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Wie
durch das Bezugszeichen 108 angedeutet ist, besitzen das
zweite dotierte Gebiet 103 (und selbstverständlich das
erste dotierte Gebiet 102) ein Überlappgebiet in Bezug auf
die Gateelektrode 106, das ein gewisses Maß an kapazitiver
Kopplung der Gateelektrode 106 zu dem zweiten dotierten
Gebiet 103 während
des Betriebs der Transistorstruktur 100 hervorruft. Die
Größe der kapazitiven
Kopplung wird allgemein als Überlappkapazität bezeichnet.
Es sollte beachtet werden, dass die Überlappkapazität von den
Betriebsbedingungen der Transistorstruktur 100 abhängen kann.
Diese Abhängigkeit,
falls diese vorhanden ist, kann in einfacher Weise durch Betreiben der
Transistorstruktur unter definierten Bedingungen eliminiert werden.
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Ein
typischer Prozessablauf zur Herstellung der Transistorstruktur 100 kann
technisch fortschrittliche Abscheide-, Photolithographie- und Ätzverfahren
zur Herstellung der Gateisolatationsschicht 105 und der
Gateelektrode 106 in Übereinstimmung
mit den Entwurfserfordernissen beinhalten. Es sollte betont werden,
dass die Abmessungen und die Prozesse zur Herstellung der Gateelektrode 106 und
der Gateisolationsschicht 105 nicht kritisch sind, sofern nicht
die Transistorstruktur 100 selbst der Gegenstand des Interesses
ist. D. h., das Diffusionsverhalten der Dotierstoffe kann, abgesehen
von vielen anderen Aspekten, von dem Vorhandensein einer speziellen
Grenzfläche
abhängen,
so dass sogar die laterale Diffusion unter eine dünne Siliziumdioxidschicht
sich von der Diffusion unter eine dielektrische Schicht mit großem ε unterscheiden
kann. Danach können
die Abstandselemente 107 durch Abscheiden eines dielektrischen
Materials, beispielsweise einer dünnen Siliziumnitridschicht,
an die sich eine Siliziumdioxidschicht anschließt, und durch anisotropes Ätzen der
Materialschicht zur Herstellung der Abstandselemente 107 in
einer selbstjustierenden Weise gebildet werden. Die Abscheideverfahren
zur Herstellung einer dielektrischen Materialschicht mit gut definierter
Dicke sind gegenwärtig
gut etabliert und können
Prozessverfahren mit einschließen,
wie die chemische Dampfabscheidung (CVD), plasmaunterstützte CVD,
Atomschichtenabscheidung (ALD), und dergleichen. Diese Verfahren
erlauben ein Abscheiden von Materialschichten in einer äußerst konformen
Weise, wobei die Schichtdicke gut steuerbar ist, so dass die Abstandselementsbreite 109 in
genauer Weise innerhalb eines Bereichs von ungefähr 1 nm oder sogar weniger – abhängig von
der verwendeten Abscheidetechnik – steuerbar ist.
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Anschließend werden
das erste und das zweite dotierte Gebiet 102, 103,
d.h. das Source- und Draingebiet, beispielsweise durch Ionenimplantation mit
einer spezifizierten Dotierstoffspezies mit einer vordefinierten
Implantationsenergie und Dosis für eine
definierte Zeitdauer gebildet, um somit das Dotierstoffprofil in
der Tiefenrichtung zu steuern. Während
des Implantationsprozesses dienen die Abstandselemente 107 und
die Gateelektrode 106 als eine Implantationsmaske, um einen
erforderlichen Versatz bzw. „Offset" des Dotierstoffprofils
nach dem Implantieren von dem Kanalgebiet 104 zu erzeugen. Abhängig von
dem geforderten Dotierstoffprofil der Gebiete 102, 103 werden
die Implantationsparameter so gewählt, um letztlich ein gewünschtes
Dotierstoffprofil zu erreichen. Somit kann in gewissen Fällen die
Implantationssequenz mehrere Implantationsschritte aufweisen, die
mit unterschiedlichen Neigungswinkeln, d. h. der Winkel, der zwischen
der Richtung senkrecht zur Substratoberfläche und der Trajektorie der
implantierten Ionen gebildet ist, wobei die Dosis und/oder die Implantationsenergie und/oder
die Art der Dotierstoffatome auch geändert werden kann. In anderen
Im plantationsabläufen
können
ein oder mehrere entfernbare Abstandselemente (nicht gezeigt) verwendet
werden, um ein erforderliches laterales Dotierstoffprofil in den
Gebieten 102, 103 zu schaffen. In anderen fortschrittlichen
Implantationssequenzen können
sogenannte Amorphisierungsimplantationsschritte vor und/oder während der Implantationsschritt
zum Einführen
der Dotierstoffatome ausgeführt
werden. Diese Amorphisierungsschritte können kanalisierende Effekte
reduzieren, d. h. die richtungsabhängige Ausbreitung von Ionen,
die in das aktive Gebiet 104 eindringen, und können das Ausheilen
von Gitterschäden
in nachfolgenden Ausheizzyklen verbessern. In anderen Dotiersequenzen kann
das Einbringen von Dotierstoffatomen in die Gebiete 102, 103 zusätzlich die
Diffusion des Dotierstoffes in das darunter liegende Material durch
Bereitstellen einer Diffusionsschicht mit einer darin eingebrachten
hohen Konzentration an Dotierstoffatomen (nicht gezeigt) beinhalten,
oder die Abstandselemente 107 können Dotierstoffatome in hoher
Konzentration enthalten, die dann in die darunter liegenden Gebiete 102, 103 diffundieren
können.
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Unabhängig von
der Technik zur Einführung der
Dotierstoffatome in das Gebiet 102, 103 werden typischer
Weise ein oder mehrere Ausheizzyklen durchgeführt, um die Dotierstoffatome
zu diffundieren, um damit zumindest einen Teil davon zu aktivieren
und um Kristallschäden,
die durch die vorhergehenden Implantationsschritte hervorgerufen
wurden, auszuheilen. Abhängig
von dem angewendeten Implantationsschema liegen typische Ausheiztemperaturen
in einem Bereich von ungefähr
500°C bis
1100°C für eine Zeitdauer
von ungefähr
0.1 Sekunde bis einige Minuten. Während dieses Ausheizzyklusses
und möglicherweise
während
Wärmebehandlungsprozessen,
die in späteren
Phasen des Herstellungsprozesses durchgeführt werden, tritt eine Diffusion
der Dotierstoffatome auf und führt
zu einer Änderung
des implantierten Dotierstoffprofils, und folglich müssen diese
Diffusionseffekte von Prozessingenieuren berücksichtigt werden, wenn Prozesssequenzen
zur Herstellung von Dotierstoffprofilen entworfen und entwickelt
werden.
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Danach
können
weitere Schritte ausgeführt werden,
um die Transistorstruktur 100 fertigzustellen, etwa das
Herstellen von Silizidgebieten (nicht gezeigt) auf der Gateelektrode 106 und
den Gebieten 102, 103. Ferner können entsprechende
Kontakte auf den Gebieten 102, 103 und der Gateelektrode 106 durch
gut bekannte Prozesstechniken- gebildet werden-, um die korrekte
Transistorfunktion während des
Betriebs des Bauteils 100 sicherzustellen.
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In
anderen Ausführungsformen
können
die Gebiete 102, 103 entsprechend zu Implantationschematas
mit einem ersten Dotierzyklus zur Bildung von Erweiterungsgebieten
(nicht gezeigt) hergestellt werden, wobei möglicherweise zusätzliche
Seitenwandabstandselemente (nicht gezeigt) verwendet werden. Dann
können
die Abstandselemente 107 gebildet werden und danach kann
eine zweite Implantationssequenz ausgeführt werden, beispielsweise
in der zuvor beschriebenen Weise, um die Gebiete 102, 103 zu
bilden, wobei der zweite Implantationszyklus somit mit einem variierenden
lateralen Versatz durchgeführt
wird. Abhängig
von dem gewünschten
Prozessschema kann ein Ausheizzyklus nach der ersten Implantationssequenz
ausgeführt
werden, oder es kann ein gemeinsamer Ausheizzyklus nach dem ersten
und dem zweiten Implantationsprozess durchgeführt werden. Das schließlich erhaltene
Dotierstoffprofil der Gebiete 102, 103 kann verwendet
werden beim Bestimmen einer Abhängigkeit
insbesondere zwischen dem in dem zweiten Implantationsprozess geschaffenen
Profil und dem entsprechend erzeugten Überlapp, wobei die erste Implantation
hilfreich sein kann, um eine „effiziente" Transistorstruktur
für eine
nachfolgende Messung einer Überlappkapazität zu schaffen.
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Während des
Betriebs wird eine geeignete Steuerspannung an die Gateelektrode 106 angelegt, und
mit einer geeigneten und bekannten Versorgungsspannung kann der
Strom in der Transistorstruktur 100 gemessen werden. Aus
den gemessenen Werten und den Transistorparametern, etwa der Kanallänge, der
Dicke der Gateisolationsschicht 105 und deren Dielektrizitätskonstante,
sowie den Transistorabmessungen in der Breitenrichtung, d. h. in
der Richtung senkrecht zur Zeichenebene aus 1,
der Gatekapazität,
d. h. der Kapazität
zwischen der Gateelektrode 106 und dem Kanalgebiet 104,
kann die Überlappkapazität und eine
eventuelle Streukapazität
mit hoher Genauigkeit ermittelt werden. Offensichtlich steht die Überlappkapazität in direkter
Beziehung zu der Größe des Überlappgebiets 108 und kann
damit ein Maß der
lateralen Position des Gebiets 103 in Bezug auf die Gateelektrode 106 repräsentieren.
Wie aus 1a deutlich wird, kann die laterale
Größe des Überlappgebiets 108 geändert werden,
indem die Abstandselementsbreite 109 während der Herstellung der Abstandselemente 107 variiert
wird, wenn die nachfolgenden Implantations-, Diffusions- und Ausheizschritte
im Wesentlichen ohne Modifizierung ausgeführt werden. Beispielsweise
erhöht
ein Verringern der Abstandselementsbreite 109 das Überlappgebiet 108,
wohingegen ein Vergrößern der
Abstandselementsbreite 109 zu einer Verringerung des Überlappgebiets 108 führt, während die
Gesamteigenschaften des Gebiets 103 im Wesentlichen unverändert bleiben.
Da die durch das Überlappgebiet 108 erzeugte Überlappkapazität direkt
mit der tatsächlichen
Größe des Überlappgebiets 108 in
Beziehung steht, entspricht eine Änderung der Überlappkapazität, die mit
hoher Genauigkeit messbar ist, einer Änderung der lateralen Position
des Gebiets 103 und erlaubt damit eine äußerst kosteneffiziente und
präzise
Bewertung von Implantations-, Diffusions- und Ausheizvarianten,
wie dies detaillierter mit Bezug den 1b bis 1e erläutert wird.
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1b zeigt
schematisch eine Querschnittsansicht eines Teils einer Halbleiterstruktur 100a,
die im Wesentlichen von der gleichen Art wie die Transistorstruktur 100,
die in 1a gezeigt ist, sein kann. Der
Einfachheit halber sind ähnliche
oder äquivalente
Teile mit den gleichen Bezugszeichen belegt, wohingegen andere Merkmale,
die im Wesentlichen den in 1a gezeigten
Merkmalen entsprechen, davon aber durch Größe oder Position abweichen,
mit einem zusätzlichen „a" in den Bezugszeichen
gekennzeichnet sind. Die Transistorstruktur 100a aus 1b kann
entsprechend den Prozessschritten hergestellt werden, die mit Bezug
zu 1a beschrieben sind, wobei gut definierte Prozessbedingungen
verwendet wurden, um die Abstandselemente 107 mit einer
vordefinierten Breite 109a, deren Genauigkeit durch die
Abscheidegenauigkeit bestimmt ist, wie dies zuvor erläutert ist,
zu bilden. Ferner weist das dotierte Gebiet 103a ein gut
spezifiziertes Dotierstoffprofil auf, das der Einfachheit halber
ebenso als 103a bezeichnet wird und als ein Referenzprofil
verwendet werden kann. Wie zuvor erläutert ist, ist die Größe des Überlappgebiets 108a durch
die Abstandselementsbreite 109a und die Prozessparameter
bei der Herstellung des Referenzprofils 103a bestimmt. Da
die Abstandselementsbreite 109a bekannt ist, kann die Überlappkapazität der Transistorstruktur 100a,
die durch das Überlappgebiet 108a erzeugt wird,
in einfacher Weise bestimmt werden und diese ist als CA bezeichnet.
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1c zeigt
schematisch einen Teil einer Transistorstruktur 100b, die
im Wesentlichen von der gleichen Art ist wie jene in 1b.
Die entsprechenden Teile oder Komponenten sind durch die gleichen Bezugszeichen
gekennzeichnet, wohingegen Abmessungen und Teile, die sich von 1b unterscheiden,
ein zusätzliches „b" aufweisen. Die Transistorstruktur 100b umfasst
die Abstandselemente 107 mit einer Breite 109b,
die im Vergleich zur Abstandselementsbreite 109a in 1b größer ist. Folglich
ist die Größe des Überlappgebiets 108b geringer
als jene des Überlappgebiets 108a,
da das Gebiet 103a in 1c im
Wesentlichen identisch zu jenem in 1b ist,
d. h. die Dotierstoffprofile sind im Wesentlichen identisch auf
Grund der im Wesentlichen gleichen Prozessbedingungen bei der Herstellung
des dotierten Gebiets 103a der Strukturen 100a und 100b.
Wie zuvor beschrieben ist, wird eine Überlappkapazität CB erhalten,
die dem Überlappgebiet 108b entspricht.
Somit kann aus den experimentell ermittelten Überlappkapazitäten CA und
CB eine Abhängigkeit
erstellt werden, die die laterale Position des Referenzprofils 103a mit
einem lateralen Offset- bzw. Versatz in Bezug auf die Gateelektrode 106 verknüpft.
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Die
Gateelektrode 106 und das Abstandselement 107 können als
eine stufenartige Implantationsmaske betrachtet werden, die zu der
gleichen Dotierstoffverteilung führt,
d. h. der Ausdehnung des Referenzprofils 103a unter die
stufenartige Implantationsmaske, die durch die Gateelektrode 106 und
das Abstandselement 107 gebildet ist, ist im Wesentlichen die
gleiche. D. h., die Größe des Überlappgebiets 108a plus
die Abstandselementsbreite 109a ist ungefähr gleich
der Größe des Überlappgebiets 108b plus der
Abstandselementsbreite 109b. Andererseits kann ein unterschiedlicher
Herstellungsprozess eines beliebigen Dotierstoffprofils, das damit
eine unbekannte Ausdehnung unter die stufenartige Struktur, die
durch die Gateleketrode 106 und das Abstandselement 107 gebildet
ist, aufweist, durch die entsprechende Überlappkapazität charakterisiert werden,
die durch das unbekannte Dotierstoffprofil erzeugt wird. Für eine gegebene
Breite der Abstandselemente 107 kann dann die Überlappkapazität des unbekannten
Profils auf der Grundlage des Profils 103a bewertet werden,
wie dies nachfolgend detaillierter beschrieben ist.
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1d zeigt
schematisch eine Transistorstruktur 100c, die sehr ähnlich ist
zu beispielsweise der Struktur 100a aus 1c,
mit Ausnahme des dotierten Gebiets, d. h. des Dotierstoffprofils 103c,
da das Dotierstoffprofil 103c mit mindestens einem unterschiedlichen
Prozessparameter im Vergleich zu den bei der Herstellung des Referenzprofils 103a verwendeten
Prozesssequenzen hergestellt wurde. Folglich kann das Überlappgebiet 108c eine
unterschiedliche Größe aufweisen,
selbst wenn die Abstandselementsbreite 109b der des Abstandselements 107 aus 1c entspricht.
Während
des Betriebs der Transistorstruktur 100c kann die entsprechende Überlappkapazität, die als
CC bezeichnet ist, gemessen werden und kann dann verwendet werden,
um einen Unterschied in der lateralen Ausdehnung des Dotierstoffprofils 103c im
Vergleich zu jener des Referenzprofils 103a zu bestimmen.
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1e zeigt
schematisch einen Graphen, der die Messergebnisse für die Überlappkapazitäten CA,
CB und CC in Bezug auf die entsprechenden Abstandselementsbreiten 109a und 109b zeigt.
Die vertikale Achse repräsentiert
das Messergebnis der Überlappkapazität in femto-Farad
(fF), wohingegen die horizontale Achse die Abstandselementsbereite in
Nanometer bezeichnet. In 1e sind
die Überlappkapazitäten CA,
CB mit Werten von 0.4 und 0.3 fF für das Referenzprofil 103 gegen
die entsprechende Abstandselementsbreite 109a, 109b aufgezeichnet,
die in dem vorliegenden Beispiel zu 10 nm bzw. 15 nm bestimmt wurde.
Unter Annahme einer linearen Abhängigkeit
zwischen der Überlappkapazität und der
Abstandselementsbreite, wie dies durch die CA und CB verbindende
gerade Linie angedeutet ist, ändert
sich die Überlappkapazität mit 0.1
fF pro 5 nm Änderung
in der Abstandselementsbreite. Die Überlappkapazität CC wird
mit 0.38 fF für
die Abstandselementsbreite 109b mit 15 nm bestimmt. Aus
dem Graphen aus 1e oder durch Berechnung kann die
entsprechende Abstandselementsbreite abgeschätzt werden und beträgt ungefähr 11 nm.
Dies bedeutet, dass die Überlappkapazität CC eine
Abstandselementsbreite von 11 nm erfordern würde, wenn die laterale Ausdehnung
des Profils 103c der lateralen Ausdehnung des Referenzprofils 103a entspräche. Da
die tatsächliche
Abstandselementsbreite, die zur Herstellung des Profils 103c verwendet
wurde, im Wesentlichen gleich der Abstandselements 109b mit 15
nm war, kann das Dotierstoffprofil 103c eine um ungefähr 4 nm
größere laterale
Ausdehnung aufweisen. Somit kann der Prozess zur Herstellung des Profils 103c zu
einer deutlich größeren lateralen
Ausdehnung im Vergleich zu dem Prozess, der zur Herstellung des
Referenzprofils 103a verwendet wurde, führen.
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Es
sollte beachtet werden, dass das zuvor beschriebene Beispiel lediglich
anschaulicher Natur ist und das eine Vielzahl von Variationen und
Modifikationen durchgeführt
werden können,
ohne vom Gegenstand der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Beispielsweise
können
in einer Ausführungsform
eine Vielzahl unterschiedlicher Abstandselementsbreiten bei der
Herstellung der Referenzprofile 103a zur Aufstellung einer
entsprechenden Abhängigkeit
zwischen der entsprechenden Überlappkapazität und der
Abstandselementsbreite mit höherer Genauigkeit
verwendet werden. In 1e ist eine zusätzliche Überlappkapazität CD von
ungefähr
0.2 fF bei einer Abstandselementsbreite von 20 nm als ein dritter
Referenzwert zum Ermitteln der Änderung
der Überlappkapazität mit variierender
Abstandselementsbreite gezeigt. In anderen Fällen kann eine Vielzahl von
Referenzüberlappkapazitäten verwendet
werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann eine komplexere mathematische Funktion auf der Grundlage der
Messergebnisse für
mehrere Überlappkapazitäten, etwa
CA, CC und CD, erstellt werden, um einen analytischen Ausdruck oder
eine entsprechende Referenzkurve bereitzustellen. Beispielsweise
können
die Messergebnisse oder theoretische Überlegungen eine nichtlineare
Abhängigkeit
zwischen der Überlappkapazität und der
Abstandselementsbreite auf Grund beispielsweise eines lateralen
Konzentrationsgradienten in den Profilen 103a und 103b nahe legen.
Die mathematische Funktion kann es dann ermöglichen, eine beliebige Abstandselementsbreite zu
einer entsprechenden Überlappkapazität selbst für ein nichtlineares
Verhalten zuzuordnen. Das Ermitteln eines analytischen Ausdrucks
für die
Referenzkurve kann durch bekannte Fit-Verfahren erreicht werden.
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Wenn
eine entsprechende Abhängigkeit
zwischen der Überlappkapazität und der
Abstandselementsbreite für
ein Referenzprofil, etwa das Referenzprofil 103a, erstellt
wurde, muss die Abstandselementsbreite zum Messen der Überlappkapazität CC des
Profils 103c nicht mit eine der Abstandselementsbreiten übereinstimmen,
die zur Messung der Referenzwerte CA, CC oder CD verwendet wurden.
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In
einer anschaulichen Ausführungsform können die
Messergebnisse für
die Überlappkapazität mit entsprechenden
zweidimensionalen Simulationsberechnungen für Implantations- und Diffusionszyklen
verglichen werden, und entsprechende Nutzsignalsimulationsberechnungen
für das
Bauteil können
ausgeführt
werden, um die Messergebnisse, beispielsweise die Ergebnisse CA,
CC, CD, CB mit den entsprechenden Berechnungsergebnissen auf der Grundlage
der Nutzsignalsimulation und der zweidimensionalen Prozesssimulation
zu vergleichen. Auf diese Weise kann ein Absolutwert für die Größe des Überlappgebiets 108 bestimmt
werden, oder es kann zumindest die Genauigkeit der experimentell
bestimmten Offset-Differenzen des zu bewertenden Profils verbessert
werden. Ferner können
die Messergebnisse, die eigentlich laterale Ladungsträgerprofile
repräsentieren,
in Dotierstoffprofile „übersetzt" werden, indem diese
mit den Simulationsberechnungen verglichen werden.
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Ferner
kann eine systematische Abweichung der berechneten lateralen Dotierstoffprofile
im Vergleich zu den Messergebnissen benutzt werden, um die Simulationsprogramme
an die Messergebnisse anzupassen und danach können statistische Schwankungen
in weiteren Messzyklen verringert werden, selbst wenn lediglich
eine geringe Anzahl von Messungen durchgeführt wird, da das angepasste
Simulationsprogramm in der Lage sein kann, die ermittelten Messergebnisse
zu „glätten". Somit können bereits
für eine
geringe Anzahl an Teststrukturen die Eigenschaften des Ladungsträgerprofils
und damit der Prozesssequenz zur Herstellung des entsprechenden
Dotierstoffprofils mit hoher Genauigkeit bestimmt werden. In einer
weiteren Ausführungsform können die
durch eine der zuvor beschriebenen Ausführungsformen gewonnenen Messergebnisse
verwendet werden, um ein zweidimensionales Prozesssimulationsprogramm
zu kalibrieren, was dann dazu befähigt, eine entsprechende Prozesssequenz
zur Herstellung dotierter Gebiete mittels Software innerhalb kurzer
Zeitintervalle zu entwickeln und zu gestalten, ohne teure Prozess-
und Messanlagen zu erfordern.
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In
anderen Ausführungsformen
kann ein Referenzprofil, etwa das Profil 103a, für zwei oder
mehr unterschiedliche Abstandselementsbreiten durch andere Verfahren,
wie sie zuvor erwähnt
sind, untersucht werden, um einen Anpassungs- oder Korrekturfaktor
zu ermitteln, der eine Umwandlung von Messergebnissen gemäß der vorliegenden
Erfindung und Messergebnissen, die durch andere Verfahren ermittelt
wurden, ermöglicht.
Auf diese Weise kann eine Bibliothek aus unterschiedlichen Referenzprofilen
erstellt werden, wobei diverse Referenzkurven, die durch die vorliegende
Erfindung erzeugt wurden, mit entsprechenden Messergebnissen in
Beziehung gesetzt werden, die durch andere Verfahren ermittelt wurden.
Dies erlaubt Prozessingenieuren in bequemer Weise experimentelle
Daten, die durch unterschiedliche Verfahren für diverse Arten von Referenzprofilen
gewonnen wurden, zu vergleichen und zu bewerten.
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In
einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung können
zwei oder mehr der Transistorstrukturen 100a, 100b und 100c auf
dem gleichen Substrat gebildet werden, so dass eine Parameterverschiebung
von Prozessschritten, die im Wesentlichen in der gleichen Weise
für alle
Transistorstrukturen ausgeführt
werden, im Wesentlichen eliminiert werden kann, wodurch die Messgenauigkeit
verbessert wird. Zum Beispiel können
die Transistorstrukturen 100a, 100b, 100c in
einem gemeinsamen Herstellungsprozess hergestellt werden, wobei
unterschiedliche Dicken der dielektrischen Schicht während der
Herstellung der Abstandselemente 107 vorgesehen werden.
Zum Beispiel kann der Substratbereich, der die Transistorstruktur 100a trägt, mit
einer Lackmaske nach dem Abscheiden einer spezifizierten Dicke von
beispielsweise Siliziumdioxid bedeckt werden, die geeignet ist,
um die Abstandselementsbreite 109a zu ergeben. Nach der
Herstellung der Maske kann der Abscheideprozess fortgesetzt werden,
um an jenen Bereichen des Substrats, die die Strukturen 100b, 100c tragen,
eine Schichtdicke bereitzustellen, die geeignet ist, um die Abstandselementsbreite 109b zu
erhalten. Danach können
die Profile 103a in den Strukturen 100a, 100b mittels
eines spezifizierten Implantationsablaufs gebildet werden, während die
Struktur 100c von einer Lackmaske bedeckt ist. Anschließend wird
das Dotierstoffprofil 103c hergestellt, während die
Strukturen 100a und 100b durch eine entsprechende
Lackmaske bedeckt sind. Diese Ausführungsform kann vorteilhaft
sein, wenn die gleichen Ausheizbedingungen für die Aktivierung der Profile 103a und 103c verwendet
werden. Zum Beispiel kann der Einfluss des Neigungswinkels bei der
Implantation im einfacher Weise untersucht werden, indem mehrere
nachfolgende Maskierungs- und Implantationsschritte ausgeführt werden.
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In
anderen Ausführungsformen
kann eine Vielzahl an Referenzprofilen 103a, die sich voneinander
unterscheiden können,
und/oder eine Vielzahl von zu untersuchenden Profilen 103c auf
einem einzelnen Substrat während
des gleichen Herstellungsprozesses gebildet werden.
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In
weiteren Ausführungsformen
können
die Transistorstrukturen 100a, 100b und 100c auf
unterschiedlichen Substraten gebildet werden, wobei vorteilhafter
Weise diese Substrate innerhalb eines beschränkten Zeitrahmens verarbeitet
werden, um somit Variationen der Prozesse zu minimieren, die für alle Transistorstrukturen
identisch sind. Auf diese Weise können sogar subtile Unterschiede,
die durch unterschiedliche Ausheizbedingungen eingeführt werden,
bestimmt werden.