DE4340976B4 - Transistor mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents

Transistor mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal und Verfahren zu seiner Herstellung Download PDF

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Abstract

Transistor mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal, mit:
einem Gateoxidfilm (12), der auf einem mit einem Graben (11) versehenen Halbleitersubstrat (1) angebracht ist;
einer Gate-Elektrode (6) vorbestimmter Größe, die auf dem Gateoxidfilm (12) in dem Graben (11) und in dessen Nachbarschaft angeordnet ist, wobei die Gate-Elektrode (6) an der einen Grabenseite weiter über den Graben (11) hinaussteht als an der anderen Grabenseite, so daß die Gate-Elektrode (6) zu der in der Mitte des Grabens (11) verlaufenden Achse asymmetrisch ist;
einem Sourcebereich (4a), der in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats (1) dem weniger weit hinausstehenden Teil der Gate-Elektrode (6) benachbart ausgebildet ist;
einem Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte, der durch Dotieren von Verunreinigungen, welche vom selben Typ sind wie die Verunreinigungen des Halbleitersubstrats, in einen vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats (1) unter dem weiter hinausstehenden Teil der Gate-Elektrode (6) gebildet ist; und
einem Drainbereich (4b), der in einem vorbestimmten...

Description

  • Die Erfindung betrifft allgemein einen Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekt-Transistor (hiernach MOSFET genannt), der im allgemeinen in unterschiedlichen Halbleitererzeugnissen verwendet wird, und insbesondere einen MOSFET mit einem ungleichmässig dotierten Kanal und ein Verfahren zur Herstellung desselben.
  • Hiernach wird zum besseren Verständnis der Erfindung ein herkömmlicher MOSFET mit geringfügig dotierten Drain (hiernach "LDD") mit Bezugnahme auf die 3 kurz beschrieben. In 3 bezeichnen das Bezugszeichen 1 ein Halbleitersubstrat, das Bezugszeichen 2 einen Kanal, 3 einen Gateoxidfilm, 4a einen Sourcebereich mit hoher Dotierungsdichte, 4b einen Drainbereich mit hoher Dotierungsdichte, 5a einen Sourcebereich mit geringer Dotierungsdichte, 5b einen Drainbereich mit geringer Dotierungsdichte, 6 eine Gate-Elektrode, 7a eine Source-Elektrode und 7b eine Drain-Elektrode.
  • Für die Herstellung eines Halbleiterbauelements mit Submikrometerstruktur ist ein Verfahren erforderlich, mit dem bei der Verkleinerung des Halbleiterbauelements dessen hohe Leistungsfähigkeit aufrechterhalten und die Betriebssicherheit des Bauelements sichergestellt werden können.
  • Insbesondere werden, wenn diese Miniaturisierung in Richtung höherer Integrationsdichte voranschreitet, physikalische Grenzen erreicht. Zum Beispiel werden Charakteristiken des Bauelements, wie Kurzkanaleffekt, drainbedingte Sperrschichtherabsetzung und Durchgriff aufgrund der geringen Dicke des Gateoxidfilmes und der kurzen Kanallänge verschlechtert, so dass der Normalbetrieb des Bauelements nicht gewährleistet werden kann.
  • Um diese Probleme zu lösen, wurde ein Versuch gemacht, indem die Dichte der Verunreinigungsionen für den Kanal erhöht wurde. Diese Lösungsmethode verursacht jedoch, dass die Elektronenbeweglichkeit herabgesetzt wird, wodurch die Steilheit (das Verhältnis der Gatestromveränderung zu der Gatespannungsveränderung) des Kanals, die elektrischen Stromcharakteristiken und die Betriebssicherheit des Bauelements verschlechtert werden.
  • Aus dem Dokument "IEEE TRANSACTION ON ELECTRON DEVICES, VOL. 39, NO. 3, MARCH 1992, 'Sub-Half-Micrometer Concave MOSFET with Double LDD Structure'" ist ein Konkav-Mosfet bekannt, dessen Struktur ein Dotierungsprofil von n+ - n- - p- - p+ entlang der Seitenwand des Kanalbereichs hat.
    •
  • Durch die Erfindung wird dementsprechend die Aufgabe gelöst, die oben erwähnten, vom Stand der Technik bekannten Probleme zu vermeiden, und einen MOSFET mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal zu schaffen, mit dem die Verschlechterung der Steilheit und der elektrischen Stromcharakteristiken verhindert werden kann und welcher hinsichtlich der Kanallänge- und Durchgreifcharakteristiken verbessert ist. Ferner soll ein Verfahren zur Herstellung des MOSFETs bereitgestellt werden.
  • Entsprechend einem Aspekt der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Bereitstellung eines einen ungleichmäßig dotierten Kanal aufweisenden Transistors gelöst, welcher aufweist einen Gateoxidfilm, der auf einem mit einem Graben versehenen Halbleitersubstrat angeordnet ist; eine auf dem Gateoxidfilm in dem Graben und in dessen Umgebung angeordnete Gate-Elektrodevorbestimmter Größe, wobei die Gate-Elektrode an der einen Seite des Grabens mit einem im Querschnitt längeren Teil über den Graben hinausragt als an der anderen Seite, so daß die Gate-Elektrode relativ zu der in der Quermitte des Grabens verlaufenden Achse asymmetrisch ist; einen Sourcebereich, der in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats dem weniger weit hinausragenden Teil der Gate-Elektrode benachbart ausgebildet ist; einen Kanalbereich hoher Dotierungsdichte, der durch Dotieren von Verunreinigungen, welche von demselben Typ wie die Verunreinigungen des Halbleitersubstrats sind, in einen vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats unter dem längeren Teil der Gate-Elektrode ausgebildet ist; und einen Drainbereich, der in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats, dem Kanalbereich hoher Dotierungsdichte benachbart ausgebildet ist.
  • Entsprechend einem anderen Aspekt der Erfindung wird die oben beschriebene Aufgabe durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung des Transistors gelöst, wobei das Verfahren die folgenden Verfahrensschritte aufweist: Anordnen eines Pufferoxidfilmes auf einem Halbleitersubstrat, das durch die Bildung eines Feldoxidfilmes auf dem Halbleitersubstrat in einen Bauelementen-Trennungsbereich und einen aktiven Bereich unterteilt wird; Dotieren des Halbleitersubstrats mit Verunreinigungen, welche von demselben Typ wie die Verunreinigungen des Halbleitersubstrats sind, so dass ein Kanalbereich hoher Dotierungsdichte ausgebildet wird; Ausbilden eines Grabens in dem Kanalbereich hoher Dotierungsdichte auf der Oberseite des Halbleitersubstrats in einer solchen Tiefe, daß das Halbleitersubstrat am Boden des Grabens freiliegt; Anordnen eines Gateoxidfilmes über dem freiliegenden Halbleitersubstratteil in dem Graben und über dem Kanalbereich hoher Dotierungsdichte; Anordnen eines Polysiliziumfilmes über den gesamten Gateoxidfilm; Strukturieren des Polysiliziumfilmes, so dass eine Gate-Elektrode vorbestimmter Größe auf dem Gateoxidfilm in dem Graben und in dessen Nachbarschaft ausgebildet wird derart, daß der Polysiliziumfilm unterschiedlich weit über die Seitenränder des Grabens hinaussteht und daher asymmetrisch ist; Dotieren des Kanalbereichs hoher Dotierungsdichte mit Verunreinigungen, welche von dem Typ der Verunreinigungen des Halbleitersubstrats abweichenden Typs sind, derart, daß ein Sourcebereich und ein Drainbereich ausgebildet werden, und derart, daß diese abweichenden Verunreinigungen nicht in den unter dem weiter vorstehenden Teil der Gate-Elektrode ausgebildeten Kanalbereich hoher Dotierungsdichte des Halbleitersubstrats implantiert werden, wobei der Drainbereich dem Kanalbereich hoher Dotierungsdichte benachbart ist.
  • Hiernach wird eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung mit Bezugnahme auf die Zeichnung detailliert beschrieben, in der die gleichen Bezugszeichen einander entsprechende Teile bezeichnen.
    •
  • 1 zeigt schematisch in Querschnittsansicht die Struktur eines erfindungsgemäßen MOSFET. Der erfindungsgemäße MOSFET weist einen ungleichmäßig dotierten Kanal auf, welcher eine Verschlechterung der Steilheit und der elektrischen Stromcharakteristiken verhindert und hinsichtlich der Kanallänge und der Durchgreifcharakteristiken verbessert ist. Der MOSFET weist ein Halbleitersubstrat 1 mit einem Graben 11 auf, welcher mit einem Gateoxidfilm 12 abgedeckt ist. Eine Gate-Elektrode 6 vorbestimmter Größe ist in dem Graben 11 ausgebildet und erstreckt sich aus dem Graben 11 nach außen. Dabei erstreckt sich die Gate-Elektrode 6 an der einen Seite des Grabens 11 weiter als an dessen anderen Seite über den Graben hinaus, so daß die Gate-Elektrode 6 bezogen auf die in der Mitte des Grabens 11 verlaufenden Achse asymmetrisch ist. Ein Sourcebereich 4a ist in dem Halbleitersubstrat 1 dem kürzer vorstehenden Teil der Gate-Elektrode 6 benachbart ausgebildet. Ein Kanalbereich 10 mit hoher Dichte ist durch Implantieren von Verunreinigungen, welche vom selben Typ wie das Halbleitersubstrat 1 sind, in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats 1 unter dem weiter vorstehenden Teil der Gate-Elektrode 6 ausgebildet. Ein Drainbereich 4b ist in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats 1, dem Kanalbereich 10 hoher Dichte benachbart ausgebildet.
  • Nun wird ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Herstellen des MOSFET mit Bezugnahme auf die 2A bis 2F beschrieben, welche die Herstellungsschritte darstellen.
  • Zuerst wird das Halbleitersubstrat 1 in einen aktiven Bereich und einen Bauelementen-Trennungsbereich mit Hilfe eines Feldoxidfilmes unterteilt, wonach ein Pufferoxidfilm 9 über dem aktiven Bereich angeordnet wird, wie aus 2A ersichtlich ist.
  • Danach werden die Verunreinigungen hoher Dichte, welche vom gleichen Typ wie das Halbleitersubstrat 1 sind, in das Halbleitersubstrat 1 etwas implantiert, wie mit den Pfeilen gezeigt, um die Schwellenspannung zu kontrollieren. Hierdurch wird ein Kanalbereich hoher Dichte in dem Halbleitersubstrat 1 ausgebildet, wie aus 2B ersichtlich.
  • 2C zeigt einen Graben 11, welcher in dem Kanalbereich 10 hoher Dichte oben auf dem Halbleitersubstrat ausgebildet wird, wobei der Graben 11 den Kanalbereich 10 in zwei Bereiche unterteilt. In dem Graben 11 liegt das Halbleitersubstrat frei.
  • Darauffolgend wird über dem Halbleitersubstrat 1, welches durch Ausbilden des Kanalbereichs 10 hoher Dichte und des Grabennbereichs 11 teilweise freiliegt, ein Gateoxidfilm 12 angeordnet, der sich auch über den Kanalbereich 10 hin erstreckt und dann seinerseits von einem Polysiliziumfilm 13 abgedeckt wird, wie aus 2D ersichtlich.
  • 2E zeigt den Prozeß der Ausbildung der Gate-Elektrode und der Source/Drainbereiche. Zu diesem Zweck wird der Polysiliziumfilm 13 zuerst einer Strukturierungs- oder Musterbehandlung unterworfen, derart, daß eine Gate-Elektrode 6, welche zu der Zentralachse des Grabens asymmetrisch ist, ausgebildet wird, und dann werden Verunreinigungen hoher Dichte, welche von einem von dem Typ des Halbleitersubstrats 1 abweichenden Typ sind, in den Kanalbereich 10 hoher Dichte, wie von den Pfeilen gezeigt, implantiert, um einen Sourcebereich 4a und einen Drainbereich 4b zu bilden, welche dann einer Wärmebehandlung unterworfen werden. Für die Musterbehandlung wird eine Maske benutzt, welche außer den Grubenbereich und die daran angrenzenden Teile den gesamten Polysiliziumfilm 13 abdeckt. Sodann wird der nicht von der Maske abgedeckte Teil des Polysiliziumfilms 13 weggeätzt, um auf dem Gateoxidfilm 12 eine Gate-Elektrode 6 auszubilden, welche den einen Kanalbereich 10 mehr, den anderen Kanalbereich 10 weniger und den Grabenbereich abdeckt. Hierdurch ergibt sich eine asymmetrische Form, wie aus 2E ersichtlich.
  • Wenn die Verunreinigungen abweichenden Typs in den Kanalbereich 10 hoher Dichte implantiert werden, um den Sourcebereich 4a und den Drainbereich 4b zu bilden, bleibt der Kanalbereich 10 hoher Dichte neben dem Drainbereich 4b erhalten und behält den gleichen Typ wie das Halbleitersubstrat 1. Dieser verbleibende, den identischen Typ aufweisenden Kanalbereich hoher Dichte ist zum Kontrollieren der Schwellenspannung fähig und verhindert den Durchgriff.
  • Schließlich wird, um die Gate-Elektrode 6 zu isolieren, die erhaltene Struktur mit einem Oxidfilm vollständig abgedeckt, der dann einer Strukturierungsbehandlung ausgesetzt wird, um einen Gateisolieroxidfilm 14 zu bilden, von dem die Oberseite und die Seitenränder der Gate-Elektrode 6 abgedeckt werden, wonach eine Source-Elektrode 7a und eine Drain-Elektrode 7b ausgebildet werden, wie aus 2F ersichtlich.
  • Der erfindungsgemäße MOSFET mit einer solchen Grabenstruktur weist einen Kanal auf, der länger als der der herkömmlichen LDD-Struktur ist. Zusätzlich werden Verunreinigungen gleichmäßig und geringfügig in alle Halbleitersubstratbereiche außer dem Drainbereich implantiert, so daß eine Steilheits- und Stromverringerung entsprechend der Erfindung verhindert werden kann. Ferner können gemäß der Erfindung mit dieser Struktur und den oben erwähnten Vorteilen der Kurzkanaleffekt und der Durchgriff verbessert werden, woraus folgt, daß die Betriebssicherheit des Bauelements verbessert wird.

Claims (3)

  1. Transistor mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal, mit: einem Gateoxidfilm (12), der auf einem mit einem Graben (11) versehenen Halbleitersubstrat (1) angebracht ist; einer Gate-Elektrode (6) vorbestimmter Größe, die auf dem Gateoxidfilm (12) in dem Graben (11) und in dessen Nachbarschaft angeordnet ist, wobei die Gate-Elektrode (6) an der einen Grabenseite weiter über den Graben (11) hinaussteht als an der anderen Grabenseite, so daß die Gate-Elektrode (6) zu der in der Mitte des Grabens (11) verlaufenden Achse asymmetrisch ist; einem Sourcebereich (4a), der in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats (1) dem weniger weit hinausstehenden Teil der Gate-Elektrode (6) benachbart ausgebildet ist; einem Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte, der durch Dotieren von Verunreinigungen, welche vom selben Typ sind wie die Verunreinigungen des Halbleitersubstrats, in einen vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats (1) unter dem weiter hinausstehenden Teil der Gate-Elektrode (6) gebildet ist; und einem Drainbereich (4b), der in einem vorbestimmten Bereich des Halbleitersubstrats (1) dem Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte benachbart ausgebildet ist.
  2. Verfahren zum Herstellen eines Transistors mit einem ungleichmäßig dotierten Kanal, bei welchem: ein Pufferoxidfilmes (9) auf einem Halbleitersubstrat angeordnet wird, das durch Ausbildung eines Feldoxidfilmes auf dem Halbleitersubstrat (1) in einen Bauelementen-Trennungsbereich und einen aktiven Bereich unterteilt ist; das Halbleitersubstrat (1) mit Verunreinigungen dotiert wird, welche desselben Typs wie die Verunreinigungen des Halbleitersubstrats sind, so dass ein Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte ausgebildet wird, ein (11) Graben in einem Kanalbereich hoher Dotierungsdichte auf der Oberseite des Halbleitersubstrats (1) mit einer solchen Tiefe ausgebildet wird, dass das Halbleitersubstrat (1) in dem Graben freiliegt; ein Gateoxidfilm (12) über das freiliegende Halbleitersubstrat (1) in dem Graben und über dem Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte aufgebracht wird; ein Polysiliziumfilm (13) über den gesamten Gateoxidfilm (12) aufgebracht wird; der Polysiliziumfilm (13) strukturiert wird, so dass eine Gate-Elektrode (6) vorbestimmter Größe auf dem Gateoxidfilm (12) in dem Graben (11) und in dessen Nachbarschaft ausgebildet wird derart, daß der Polysiliziumfilm (13) über den Graben unterschiedlich weit seitlich hinausragt und daher asymmetrisch ist; der Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte mit Verunreinigungen dotiert wird, welche von dem Typ der Verunreinigungen des Halbleitersubstrats abweichenden Typs sind, derart, daß ein Sourcebereich (4a) und ein Drainbereich (4b) ausgebildet werden, und daß diese abweichenden Verunreinigungen nicht in den unter dem weiter hinausragenden Teil der Gate-Elektrode ausgebildeten Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte des Halbleitersubstrats (1) implantiert werden, wobei der Drainbereich (4b) dem Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte benachbart ist.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem der Kanalbereich (10) hoher Dotierungsdichte ausgebildet wird, indem Verunreinigungsionen in das Halbleitersubstrat (1) mit hoher Dichte implantiert werden, um eine Schwellenspannung zu kontrollieren.
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