DE3900147C2 - Verfahren zur Herstellung eines MIS Transistors - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines MIS Transistors (Metall-Isolator-Semiconductor) mit Kanaldo­ tierung.

MIS Transistoren mit Kanaldotierung sind aus der DE-OS 20 47 777 bekannt. Gemäß diesem Stand der Technik werden in den Kanalbereich des Transistors Störstellen eines dem Halblei­ tersubstrat entgegengesetzten Leitungstyps ionenimplantiert, um die Schwellenspannung zu erniedrigen, bzw. solche dessel­ ben Leitungstyps, um die Schwellenspannung heraufzusetzen. Auf diese Weise läßt sich durch die Kanaldotierung die Schwellenspannung beeinflussen.

Bei MIS Transistoren mit Kanaldotierung wird die Schwel­ lenspannung im allgemeinen über die Menge der zur Kanaldo­ tierung implantierten Ionen in bezug auf die Störstellen­ dichte des Substrats gesteuert. Das heißt, die Kanaldotierung zur Steuerung der Schwellenspannung durch selektives Implan­ tieren von Störstellenionen in die Kanalzone eines MIS Tran­ sistors macht in bester Weise Gebrauch von der guten Steue­ rungsfähigkeit einer Dotierung mit niedriger Dichte. Dabei wird die Schwellenspannung nach Maßgabe der Speisespannung bestimmt, und der untere Grenzwert der Schwellenspannung wird nach Maßgabe des Ruhestromverbrauchs festgelegt. Dagegen wird bei der Menge der zur Einstellung der Schwellenspannung in den Kanal implantierten Störstellenionen ausschließlich die Schwellenspannung, nicht aber der sogenannte Swing berück­ sichtigt, der einen großen Einfluß auf den Ruhestromverbrauch ausübt. Unter "Swing" versteht man die Änderung der Schwel­ lenspannung, die erforderlich ist, um den Wert des Drain­ stroms im Subschwellenspannungsbereich um eine Größenordnung zu ändern. Der Swing und der Drainstrom, der fließt, wenn die Gatespannung 0 V ist, das heißt der Sperrstrom, sind im ein­ zelnen in der Druckschrift "Physics of Semiconductor Devices" von Sze.S.M., herausgegeben von John Wiley Interscience (1981) erläutert.

Wenn die Menge der zur Kanaldotierung implantierten Ionen ausschließlich im Hinblick auf die Schwellenspannung ohne Berücksichtigung des Swings bestimmt wird, wie dies bei her­ kömmlichen Herstellungsverfahren der Fall ist, dann nimmt der Swing einen großen Wert an und der Sperrstrom nimmt zu, wodurch der Ruhestromverbrauch extrem ansteigt. Diese Tendenz ist besonders ausgeprägt bei einem MIS Transistor mit einem kurzen Kanal.

Da ein geringer Stromverbrauch immer wichtiger wird und die Nachfrage nach ICs hoher Integration und hoher Kapazität immer mehr zunimmt, ist die Verminderung des Ruhestromver­ brauchs durch Reduzierung des Sperrstroms zu einem sehr wich­ tigen Ziel geworden.

Die Druckschrift IBM J. Res. Develop., Jan. 1975, S. 50-59 berichtet über eine Untersuchung, deren Ziel es war, bei der Auslegung von n-Kanal MOSFETs mit Kanaldotierung einen Kom­ promiß für drei Parameter zu finden, der zum einen zu einer niedrigen Substratempfindlichkeit und zum anderen zu einem geringen Swingwert führt. Bei den Parametern handelt es sich um die Kanalimplantationsenergie, die Kanalimplantationsdosis und die Substratvorspannung. Unter der Substratempfindlich­ keit wird verstanden, daß die Gateschwellenspannung möglichst unabhängig von Änderungen der Source-Substrat-Spannung sein soll. Die Untersuchungen in dieser Druckschrift beziehen sich speziell auf MOSFETs mit einer Gateschwellenspannung von 1 V und einem Substratvorspannungsbereich von 0 bis -1 V. Dieser Untersuchung läßt sich entnehmen, daß das vertikale Dotie­ rungsprofil unter dem Gateoxid in Abhängigkeit sowohl der Implantierungsenergie als auch -dosis Einfluß auf den Swing­ wert hat. Bei dieser Untersuchung wird davon ausgegangen, daß zunächst Störstellen implantiert und danach durch Wärmebe­ handlung diffundiert werden, so daß ein ursprünglich durch die Implantation auftretendes Gaußsches Profil nach der Dif­ fusion zu einem von der Gaußschen Verteilung abweichenden Profil wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines MIS Transistors zu schaffen, bei dem es möglich ist, die Menge der zur Kanaldotierung implantierten Ionen unter Berücksichtigung des Swings so zu bestimmen, daß der Anstieg des Ruhestromverbrauchs aufgrund eines erhöhten Sperrstroms auf einen geringen Wert reguliert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Un­ teransprüchen gekennzeichnet.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwi­ schen der Menge der zur Kanaldotierung implantierten Ionen, der Schwellenspannung und der Swing-Kennlinie bei dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2 in einer grafischen Darstellung den Zusammenhang zwi­ schen der Tiefe und der Störstellendichte der n-Wanne für verschiedene Mengen von zur Kanaldotierung im­ plantierten Ionen,

Fig. 3 Kennlinien, die den Zusammenhang zwischen dem Swing­ wert und dem Sperrstrom eines nach dem erfindungsge­ mäßen Verfahren hergestellten MIS Transistors wieder­ geben,

Fig. 4 Kennlinien von Gatespannung und Drainstrom, die den Zusammenhang zwischen dem Swingwert und dem Sperr­ strom entsprechend Fig. 1 wiedergeben, und

Fig. 5 eine grafische Darstellung des Zusammenhangs zwischen dem Sperrstrom und dem Ruhestromverbrauch eines MIS Transistors.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll unter Bezugnahme auf einige Kennlinien beschrieben werden. Als Beispiel dient ein MIS Transistor mit einem p-Kanal und einem Gate aus n+ polykristallinem Si. Der MIS Transistor hat eine Ka­ naldotierungsstruktur, bei der der Kanal mit Bor dotiert ist, das heißt mit Störstellen des ersten Leitungstyps, die he­ teropolar sind, in bezug auf eine n-Wanne mit Störstellen des zweiten Leitungstyps auf einem p-Siliziumsubstrat des ersten Leitungstyps.

Fig. 2 zeigt das Ergebnis der Simulation des Profils der Störstellendichte in Richtung der Tiefe der n-Wanne, die man erhält, wenn man die Menge der zur Kanaldotierung im­ plantierten Ionen von (1) 0 bis (5) 2,5 × 10¹² cm^-2 variiert, während die Beschleunigungsenergie bei der Implantierung kon­ stant bleibt. In Fig. 2 ist auf der Abszisse die Tiefe der n-Wanne und auf der Ordinate die Störstellen­ dichte der n-Wanne aufgetragen.

Wie aus Fig. 2 hervorgeht, nimmt die Störstellendichte der n-Wanne in der Mitte, wo die Spitzen (A, B) der Störstel­ lenverteilung bei der Implantation auftreten, allmählich ab, wenn die Menge der implantierten Ionen gesteigert wird. Als Folge davon werden die Vertiefungen A und B gebildet. Wenn eine bestimmte Ionenmenge implantiert wird, treten die Spitzen von Bor, das heißt dem p-leitenden Dotierstoff, in der n-Wanne auf, und diese Spitzen C und D werden mit zu­ nehmender Menge der implantierten Ionen höher, was zur Aus­ bildung der sogenannten vergrabenen Kanalanordnung führt.

Fig. 1 zeigt die Meßdaten des Zusammenhangs zwischen der Schwellenspannung und dem Wert des Swings (gestrichelt ge­ zeichnet), die sich für die Mengen von für die Kanaldotie­ rung implantierten Ionen bei dem MIS Transistor ergeben, die für die Simulation von Fig. 2 benutzt wurden. In Fig. 1 ist auf der Abszisse die Menge der zur Kanaldotierung im­ plantierten Ionen und auf der Ordinate die Schwellenspan­ nung (links) und der Swingwert (rechts) aufgetragen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, nimmt die Schwellenspannung mo­ noton mit der Zunahme der implantierten Ionenmenge zu, wäh­ rend der Swingwert mit zunehmender Ionenmenge bis zu einem Minimum bei einer bestimmten Menge implantierter Ionen ab­ nimmt und danach mit weiterer Zunahme der implantierten Ionenmenge wieder zunimmt.

Ein Vergleich der Fig. 1 und 2 zeigt, daß der Swing den niedrigsten Wert in der Nähe des tiefsten Einbruchs der Störstellendichte der n-Wanne, die in Fig. 2 gezeigt ist, annimmt, wo Ionen mit einer Dosis von 7,5 × 10¹¹ cm^-2 im­ plantiert werden.

Fig. 3 ist eine Kennlinie des Drainstroms über der Gate­ spannung, die zur Errechnung des Swingwerts gemessen wurde. Auf der Abszisse ist die Gatespannung im Subschwellenspan­ nungsbereich und auf der Ordinate der Logarithmus des Drainstroms aufgetragen. Fig. 3 steht nicht direkt im 1 : 1 Verhältnis mit den Ergebnissen von Fig. 1, sondern zeigt den Zusammenhang zwischen dem Swingwert und dem Sperrstrom eines p-Kanal MIS Transistors mit einer Schwellenspannung (V_TH) von -0,5 V. Die Kurven 1, 2 und 3 in Fig. 3 entspre­ chen je einem von drei p-Kanal Transistoren mit einer Schwellenspannung von Vth = -0,5 V aber unterschiedlichen Swingwerten, abhängig von der Kombination der Menge von in die n-Wanne implantierten Ionen und der Menge der zur Ka­ naldotierung implantierten Ionen.

In Fig. 3 zeigen die ausgezogenen Linien Meßwerte. Unter Bezug auf die Kurve 1 zum Beispiel stellt der Bereich des Punkts N eine durch die Grenzen der verwendeten Meßappara­ tur bedingte Sättigung dar. Die gestrichelte Linie wurde durch Extrapolation des geraden Linienabschnitts, der die Punkte L und M in der Kurve 1 verbindet, in die Zone von V_G = 0 erhalten und nähert die Ergebnisse durch eine gerade Linie an. In ähnlicher Weise sind die gestrichelten Linien der Kurven 2 und 3 entsprechend erhaltene geradlinige Nähe­ rungen.

Der Swingwert ist der Kehrwert des Gradienten der geraden Näherungslinien. Die Kurven 1, 2 und 3 entsprechen Transi­ storen mit Swingwerten von 100, 90 bzw. 80 mV/Dekade.

Aus Fig. 3 geht klar hervor, daß, wenn die Schwellenspan­ nung beispielsweise -0,5 V ist, der Sperrstrom, der durch die Marke o gekennzeichnet ist, umso mehr reduziert werden kann, je geringer der Swingwert ist.

Die Beziehung zwischen dem Swingwert und dem Sperrstrom, die Fig. 1 entspricht, soll nun unter Bezug auf die Kennli­ nie von Gatespannung und Drainstrom in Fig. 4 erläutert werden. In Fig. 4 ist auf der Abszisse die Gatespannung und auf der Ordinate der Logarithmus des Drainstroms aufgetra­ gen. Die ausgezogenen Linien zeigen die Meßwerte, und die gestrichelten Linien sind Näherungsgeraden.

Die Kurven 1, 2 und 3 in Fig. 4 erhält man, wenn die Menge der Kanaldotierungsionen in Fig. 1 0,8 × 10¹¹ cm^-2 bzw. 1,4 × 10¹² cm^-2 ist. Die Swingwerte und die Schwellenspannungen V_TH entsprechen 105 und -0,8 V, 85 und -0,5 V bzw. 88 und -0,2 V. Die Swingwerte sind aus dem Kehrwert des Gradienten der Näherungsgeraden in gleicher Weise wie in Fig. 3 be­ rechnet. Die Schwellenspannung ist die Gatespannung, bei der der Logarithmus des Drainstroms (I_D = 10^-7 A) -7 ist, das heißt beispielsweise, daß die Schwellenspannung für die Kurve 1 -0,8 V ist.

Wie Fig. 4 zeigt, verschieben sich, wenn die Schwellenspan­ nung V_TH von -0,8 V zu -0,2 V mit einer Zunahme der Menge der Kanaldotierungsionen verringert wird, die Kennlinien von rechts nach links, das heißt von 1 nach 3, so daß der Sperrstrom positiv ansteigt. Daher ist eine Erhöhung des Absolutwerts der Schwellenspannung V_TH sehr wirkungsvoll für die Reduzierung des Sperrstroms. Es ist jedoch aufgrund verschiedener Beschränkungen nicht immer möglich, die Schwellenspannung V_TH zu erhöhen. In Fig. 4 ergeben sich optimale Bedingungen für die Verringerung des Sperrstroms, wenn die Schwellenspannung V_TH = -0,5 V beträgt, durch Wahl einer Menge von Kanaldotierungsionen, die den Swingwert verringern. Zur Erzielung einer Schwel­ lenspannung von beispielweise -0,5 V werden verschiedene Kombinationen von Störstellendichte in der Wanne (wenn keine Wanne vorhanden ist, im Substrat) und der Menge von Kanaldotierungsionen berücksichtigt. Unter diesen Kombina­ tionen ermöglicht die Auswahl der Menge von Kanaldotie­ rungsionen, bei der der Swingwert nahezu auf ein Minimum reduziert wird, die Reduktion des Sperrstroms.

Fig. 5 zeigt den Zusammenhang zwischen dem Sperrstrom und dem Ruhestromverbrauch eines Transistors eines ICs für Uh­ ren. Auf der Abszisse in Fig. 5 ist der Logarithmus des Drainstroms für eine Gatespannung von 0 V, also der Sperrstrom aufgetragen, während auf der Ordinate der Logarithmus des Ruhestromver­ brauchs aufgetragen ist. Es wurden der Sperrstrom und der Ruhestromverbrauch von fünf IC Transistoren mit verschie­ denen Schwellenspannungen V_TH von -0,3 bis -0,7 V gemessen. Aus Fig. 5 geht hervor, daß der Sperrstrom und der Ru­ hestromverbrauch in konstantem Verhältnis zueinander ste­ hen. Wenn also der Swing auf einen niedrigen Wert begrenzt wird, ist es möglich, die Erhöhung des Sperrstroms auf die kleinste Grenze zu beschränken und damit den Ruhestrom zu verringern, was den Stromverbrauch insgesamt senkt.

Wie oben beschrieben, ist der Swingwert bei einer vorgege­ benen Schwellenspannung vorzugsweise so gering wie möglich. Der günstige Bereich des Swingwerts soll nachfolgend kon­ kreter eingegrenzt werden.

Bei den Transistoren für ICs für Uhren, entsprechend den in Fig. 5, betrachtet man allgemein solche als gut, deren Ru­ hestrom nicht mehr als 10^-8 A beträgt. Der Logarithmus des Sperrstroms liegt dann bei etwa -12,4 bis -12,5. Der Loga­ rithmus des Sperrstroms in den ICs für Uhren gemäß Fig. 5 sollte daher vorzugsweise kleiner als etwa -12,4 bis -12,5 sein. Die Transistoren, die zur Ermittlung der Daten für Fig. 3 benutzt wurden, hatten ähnliche Kennlinien wie die Transistoren gemäß Fig. 5.

Aus Fig. 3 geht hervor, daß unter den p-Kanal Transistoren mit einer Schwellenspannung von V_TH = -0,5 V aber verschie­ denen Swingwerten, die Transistoren, deren Logarithmus des Sperrstroms kleiner als -12,4 bis -12,5 ist, einen Swingwert von weniger als etwa 98 bis 95 mV/Dekade haben.

Als Ergebnis der Untersuchung von Transistoren mit anderen Kennlinien zur Errechnung von deren optimalem Swingwert ergab sich, daß ein Swingwert etwas unterhalb von 100 mV/Dekade oder weniger günstig für die Verminderung des Ruhe­ stromverbrauchs ist. Besonders günstig erweist sich ein Swingwert von nicht mehr als 90 und einigen mV/Dekade.

Transistoren mit dem minimalen Swingwert oder einer Annähe­ rung an diesen führen zum geringsten Ruhestromverbrauch. All­ gemein gilt, daß selbst wenn der Swingwert nicht der mi­ nimalste ist, er vorzugsweise nicht mehr als 90 und einige mV/Dekade oder etwas weniger als 100 mV/Dekade oder weniger sein sollte.

Durch Anwenden der auf obige Weise erzielten Ergebnisse auf Fig. 1 kann man sagen, daß der Swingwert vorzugsweise in einem Bereich vom Minimum bis zu 15% über dem Minimum reicht.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde von einem p-Kanal MIS Transistor mit einer n-Wanne ausgegangen. Das beschriebene Verfahren ist aber in gleicher Weise auch anwendbar auf MIS Transistoren ohne Wanne und n-Kanal MIS Transistoren. Obwohl bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel Polysilizium als Gateelektrode verwendet wurde, können dafür auch Polyzide mit einer Schichtstruktur aus Polysilizium und einem Silizid eines feuerfesten Metalls wie Ti, W, Ta, Mo, Nb und Pt, Aluminium, eine Aluminiumlegierung aus Aluminium mit Si oder Cu verwendet werden. Beschrieben wurde Bor als Kanaldotierstoff, jedoch Elemente der Gruppen IIIA und VA können ebenso verwendet werden.

Wie voranstehend beschrieben, erlaubt das beschriebene Verfahren zur Herstellung eines MIS Transistors mit einer Kanaldotierungsstruktur den Anstieg des Drainstroms der bei einer Gatespannung von 0 V fließt, also des Sperrstroms, dadurch auf ein Minimum zu beschränken, daß die Menge der zur Kanaldotierung implantierten Ionen so ge­ steuert wird, daß die Änderung der Gatespannung, die erfor­ derlich ist, um den Wert des Drainstroms im Subschwellen­ spannungsbereich um eine Größenordnung zu ändern, der Swingwert also, 90 und einige mV/Dekade oder etwas unter­ halb von 100 mV/Dekade oder weniger ist oder im Bereich des Minimums bis zu einem Überschuß von 15% über dem Minimum liegt.

Claims (6)

1. Verfahren zur Herstellung eines MIS Transistors mit Kanaldotierung der eine aus einem Halbleitersubstrat oder einer Wanne mit Störstellen eines ersten Leitungstyps gebildete erste Zone, Source und Drainzone mit Störstel­ len des zweiten, dem ersten entgegengesetzten Leitungstyps, die in der ersten Zone mit einem Abstand zwischen Source­ zone und Drainzone ausgebildet sind, und einer Gateelek­ trode des ersten Leitungstyps, die über der ersten Zone zwischen der Sourcezone und der Drainzone ausgebildet ist, aufweist, wobei eine Kanaldotierungsstruktur zur Einführung von Störstellen in die erste Zone zwischen der Sourcezone und der Drainzone vorgesehen ist, gekennzeich­ net durch folgende Schritte:

• a) Ermitteln des Profils der Störstellendichte in der ersten Zone über die Tiefe der ersten Zone mit der Menge der zur Kanaldotierung, die die Kanaldotierungsstruktur bildet, implantierten Ionen als Parameter,
• b) Ermitteln der jeweiligen Änderung der Gatespannung (nachfolgend als Swingwert bezeichnet), die erforderlich ist, um den Wert des Drainstroms im Subschwellenspannungs­ bereich der Gatespannung-Drainstrom-Kennlinie um eine Größenordnung zu ändern, für die im Schritt a) erhaltenen Profile, und
• c) Implantieren von Ionen in den Kanal mit einer Do­ sis, die nach Maßgabe der Schritte a) und b) zu einem Pro­ fil der Störstellendichte in der ersten Zone führt, bei dem der Swingwert einen möglichst geringen Wert annimmt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge der zur Kanaldotierung im­ plantierten Ionen so ausgewählt wird, daß der Swingwert ein Minimum annimmt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge der implantierten Kanaldo­ tierungsionen so ausgewählt wird, daß der Swingwert im Be­ reich des Minimums bis zu einem Überschuß von etwa 15% über dem Minimum liegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Menge der implantierten Kanaldo­ tierungsionen so ausgewählt wird, daß der Swingwert 90 und einige mV/Dekade oder etwas weniger als 100 mV/Dekade oder weniger beträgt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Gateelektrode aus Polysilizium besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, da­ durch gekennzeichnet, daß die Kanaldotie­ rungsionen vom zweiten Leitungstyp sind.