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Dokumentenidentifikation DE102007005332A1 06.09.2007
Titel Halbleiterbauelement mit Störstellenimplantationsbereich und Verfahren zur Herstellung desselben
Anmelder Samsung Electronics Co., Ltd., Suwon, Kyonggi, KR
Erfinder Ueno, Tetsuji, Yeongtong, Kyonggi, KR;
Rhee, Hwa-Sung, Seongnam, Kyonggi, KR;
Lee, Ho, Cheonan, Chungcheongnam, KR
Vertreter Patentanwälte Ruff, Wilhelm, Beier, Dauster & Partner, 70174 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 29.01.2007
DE-Aktenzeichen 102007005332
Offenlegungstag 06.09.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 06.09.2007
IPC-Hauptklasse H01L 21/265(2006.01)A, F, I, 20070529, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H01L 21/336(2006.01)A, L, I, 20070529, B, H, DE   H01L 29/78(2006.01)A, L, I, 20070529, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem Halbleitersubstrat (100) und einem in dem Halbleitersubstrat ausgebildeten störstellendotierten Bereich (110a) sowie auf ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Halbleiterbauelements.
Erfindungsgemäß beinhaltet das Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements das Implantieren von einem oder mehreren clusterförmigen Dotierstoffionen (107) in das Halbleitersubstrat, um einen Störstellenimplantationsbereich (110) zu bilden, und das Durchführen eines Temperprozesses mit dem Störstellenimplantationsbereich, um den störstellendotierten Bereich zu bilden, wobei die clusterförmigen Dotierstoffionen eine Mehrzahl von Dotierstoffeinheiten beinhalten, die aneinandergebunden sind.
Verwendung z.B. zur Herstellung von MOS-Transistorstrukturen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Halbleiterbauelement mit einem störstellendotierten Bereich und auf ein Verfahren zur Herstellung desselben.

Halbleiterbauelemente können ein Halbleitersubstrat mit Bereichen beinhalten, die mit Störstellen dotiert sind. Störstellen können entweder p-leitende Dotierstoffe oder n-leitende Dotierstoffe sein. Die störstellendotierten Bereiche können Elektrizität in einer gewünschten Weise leiten. Störstellendotierte Bereiche werden im Allgemeinen als Source-/Drainbereiche eines MOS(Metall-Oxid-Halbleiter)-Feldeffekttransistors (im Folgenden als ein Transistor bezeichnet) verwendet. Im Allgemeinen wird ein störstellendotierter Bereich durch Implantieren von Dotierstoffen in das Halbleitersubstrat unter Verwendung eines Ionenimplantationsverfahrens gebildet. Die implantierten Dotierstoffe können dann durch einen Temperprozess aktiviert werden.

Da Halbleiterbauelemente höher integriert werden, muss die Übergangstiefe der Source-/Drainbereiche von Transistoren reduziert werden. Insbesondere müssen Übergangstiefen von schwach dotierten Bereichen reduziert werden. Beispiele für schwach dotierte Bereiche beinhalten Source-/Drainbereiche einer schwach dotierten Drainstruktur (LDD-Struktur) und/oder erweiterte Teile von erweiterten Source-/Drainbereichen. Durch Reduzieren von Übergangstiefen kann eine Degradation durch einen Leckstrom zwischen einer Source und einer Drain aufgrund von Faktoren wie Durchbruch minimiert werden.

Ein herkömmliches Verfahren zur Bildung eines Übergangs eines störstellendotierten Bereiches mit einer geringen Tiefe wird nunmehr unter Bezugnahme auf 1 beschrieben. Ein störstellendotierter Bereich kann als ein schwach dotierter Bereich und/oder als ein erweiterter Teil von erweiterten dotierten Bereichen verwendet werden. 1 stellt eine Konzentration von Dotierstoffen als Funktion einer Tiefe eines herkömmlichen störstellendotierten Bereichs dar. In 1 repräsentiert eine horizontale Achse eine Tiefe eines Halbleitersubstrats und eine vertikale Achse repräsentiert eine entsprechende Konzentration von Dotierstoffen.

Bezugnehmend auf 1 werden Dotierstoffe unter Verwendung eines Ionenimplantationsverfahrens zur Bildung eines Störstellenimplantationsbereichs in ein Halbleitersubstrat implantiert. Gemäß einem allgemein bekannten Ionenimplantationsverfahren werden monoatomare oder monomolekulare Dotierstoffionen elektrisch beschleunigt und implantiert. Die unter Verwendung des allgemein bekannten Ionenimplantationsverfahrens implantierten Dotierstoffe werden in einer solchen Weise implantiert, dass der Implantationsbereich eine Gauss'sche Verteilung mit einer Breite aufweist, die größer als ein durchschnittlicher projektierter Bereich (Rp) ist. Bei dem herkömmlichen Verfahren zur Bildung von Source-/Drainbereichen mit einer geringen Übergangstiefe werden Dotierstoffionen nahe einer Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer geringen Energie in den Rp implantiert. Als ein Ergebnis weist der Störstellenimplantationsbereich ein Implantationskonzentrationsprofil 10 auf, wie in 1 dargestellt. Gemäß dem Implantationskonzentrationsprofil 10 liegt die Spitzenkonzentration an einer Oberfläche des Halbleitersubstrats, und die Konzentration der implantierten Dotierstoffe nimmt mit zunehmender Tiefe von der Oberfläche des Halbleitersubstrats steil ab.

Nach der Bildung des Störstellenimplantationsbereichs werden die implantierten Dotierstoffe durch einen Temperprozess aktiviert, um einen störstellendotierten Bereich in dem Halbleitersubstrat zu bilden. Ein Dotierkonzentrationsprofil 20 des störstellendotierten Bereichs ist in 1 zu sehen. Ein schneller thermischer Temperprozess (RTA-Prozess) kann zur Erzielung einer geringen Übergangstiefe des störstellendotierten Bereichs in einer kurzen Zeitspanne verwendet werden. Der RTA-Prozess kann eine Diffusion der implantierten Dotierstoffe minimieren, um den störstellendotierten Bereich mit einer geringen Übergangstiefe zu erhalten. Wie durch die Implantations- und Dotierkonzentrationsprofile 10 und 20 gezeigt, diffundieren die Dotierstoffe um eine Oberfläche des Halbleitersubstrats mit einer hohen Konzentration herum durch den RTA-Prozess nach unten.

Gemäß dem herkömmlichen Verfahren diffundieren die implantierten Dotierstoffe durch den RTA-Prozess. Der RTA-Prozess beinhaltet einen Temperschritt, bei dem eine Temperatur erhöht wird, und einen Schritt, bei dem eine Temperatur verringert wird, etc. Daher kann das Halbleitersubstrat während einer Zeitspanne von mehreren Sekunden bis mehreren Minuten während des RTA-Prozesses einer hohen Temperatur ausgesetzt sein. Da Halbleiterbauelemente höher integriert werden, werden kritische Halbleiterabmessungen auf eine Nanometer-Skala reduziert. Demgemäß kann sich die Übergangstiefe des störstellendotierten Bereichs erhöhen, und das Halbleiterbauelement kann trotz des RTA-Prozesses degradieren. Wenn des Weiteren eine Tempertemperatur des RTA-Prozesses erhöht wird, werden ein Schritt des Erhöhens einer Temperatur und/oder ein Schritt des Verringerns einer Temperatur in dem RTA-Prozess verlängert. Daher kann das Einwirken einer hohen Temperatur auf das Halbleitersubstrat zunehmen, wenn die Übergangstiefe des störstellendotierten Bereichs erhöht wird. Die vorstehend beschriebenen Faktoren können das Maß beschränken, auf das die Tempertemperatur des RTA-Prozesses erhöht werden kann.

Zusammengefasst werden Dotierstoffe in eine Oberfläche des Halbleitersubstrats implantiert, und daher ist es möglich, dass sich die Spitzenkonzentration von Dotierstoffen an der Oberfläche des Halbleitersubstrats findet und die Konzentration der implantierten Dotierstoffe mit zunehmender Tiefe steil abnimmt. Demgemäß kann ein spezifischer Widerstand des störstellendotierten Bereichs durch Bilden einer übermäßigen Spitzenkonzentration an der Oberfläche des Halbleitersubstrats verringert werden. Aufgrund der übermäßigen Spitzenkonzentration und der beschränkten Tempertemperatur des RTA-Prozesses kann eine große Menge von inaktiviertem Dotierstoff um eine Oberseite des störstellendotierten Bereichs herum existieren, welche die Oberfläche des Halbleitersubstrats ist. Die Menge an Dotierstoffen, die in die Oberfläche des Halbleitersubstrats implantiert wird, kann daher eine Löslichkeitsgrenzkonzentration 30 überschreiten. Demgemäß können Niveaus inaktivierter Dotierstoffe Niveaus von aktivierten Dotierstoffen an der Oberfläche des Halbleitersubstrats beträchtlich überschreiten. In 1 repräsentiert ein Bereich 40 eine Menge der inaktivierten Dotierstoffe in dem störstellendotierten Bereich. Wie aus dem Implantationskonzentrationsprofil 10 ersichtlich, kann es notwendig sein, eine große Menge an Dotierstoff in die Oberfläche des Halbleitersubstrats derart zu implantieren, dass ein oberer Teil des störstellendotierten Bereichs einen niedrigen Widerstand aufweisen kann, der für einen elektrischen Betrieb notwendig ist. Daher kann das Niveau von inaktivierten Dotierstoffen mehr als zehnmal größer als das Niveau von aktivierten Dotierstoffen an der Oberfläche des Halbleitersubstrats sein. Dieses Übermaß an inaktiviertem Dotierstoff kann zu Defekten wie einer Fehlstelle und/oder Versetzung in einer Oberfläche des störstellendotierten Bereichs führen. Als ein Ergebnis kann ein elektrischer Widerstand des störstellendotierten Bereichs erhöht sein und das Halbleiterbauelement kann degradiert sein.

Außerdem kann eine Kanalbildung auftreten, wenn die Dotierstoffionen implantiert werden. Daher kann, wie in 1 dargestellt, in dem Implantationskonzentrationsprofil 10, das durch die gestrichelte Linie repräsentiert wird, ein tiefer Kanalbildungsausläufer erzeugt werden. Als ein Ergebnis kann die Übergangstiefe des störstellendotierten Bereichs weiter vergrößert werden.

Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements der eingangs genannten Art sowie eines Verfahrens zur Herstellung desselben zugrunde, die in der Lage sind, die vorstehend erwähnten Schwierigkeiten des Standes der Technik zu reduzieren oder zu vermeiden, und insbesondere ein verbessertes Dotierstoffkonzentrationsprofil zu ermöglichen.

Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch die Bereitstellung eines Halbleiterbauelements mit den Merkmalen des Anspruchs 14. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Vorteilhafte Ausführungsformen werden im Folgenden beschrieben und sind in den Zeichnungen dargestellt, die außerdem die herkömmliche Ausführungsform zeigen, die vorstehend zur Erleichterung des Verständnisses der Erfindung erläutert wurde. Hierbei zeigen:

1 eine graphische Darstellung, welche die Konzentration von Dotierstoffen als Funktion der Tiefe eines herkömmlichen störstellendotierten Bereichs darstellt,

2 und 3 Schnittansichten, die ein Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit einem störstellendotierten Bereich gemäß der Erfindung darstellen,

4 eine graphische Darstellung, welche die Konzentration von Dotierstoffen als Funktion der Tiefe eines Störstellenimplantationsbereichs entlang einer Linie I-I' von 2 veranschaulicht,

5 eine graphische Darstellung, welche die Konzentration von Dotierstoffen als Funktion der Tiefe eines störstellendotierten Bereichs entlang einer Linie II-II' von 3 veranschaulicht,

6 ein Flussdiagramm, das ein Verfahren zur Bildung eines störstellendotierten Bereichs gemäß der Erfindung veranschaulicht,

7 und 8 Schnittansichten, die weitere Schritte des Verfahrens zur Bildung eines Halbleiterbauelements gemäß den 2 und 3 darstellen,

9 eine perspektivische Ansicht eines Halbleiterbauelements, das durch das Verfahren der 2, 3, 7 und 8 hergestellt wurde, und

10 eine graphische Darstellung, welche die Konzentration von Dotierstoffen als Funktion der Tiefe eines störstellendotierten Bereichs entlang einer Linie III-III' von 9 veranschaulicht.

Im Folgenden werden exemplarische Ausführungsformen der Erfindung detaillierter unter Bezugnahme auf die 2 bis 10 beschrieben. In den Figuren können die Abmessungen von Schichten und Bereichen zwecks Klarheit der Darstellung übertrieben dargestellt sein. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich überall auf gleiche Elemente.

Bezugnehmend auf 2, die erste Schritte eines Verfahrens zur Bildung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung veranschaulicht, wird eine Gatestruktur 105 auf einem Halbleitersubstrat 100 gebildet. Die Gatestruktur 105 beinhaltet eine Gateisolationsschicht 102 und eine Gateelektrode 103, die sequentiell auf dem Halbleitersubstrat 100 gestapelt sind. Die Gatestruktur 105 kann des Weiteren eine Deckisolationsstruktur 104 beinhalten, die auf der Gateelektrode angeordnet ist. Die Gateisolationsschicht 102 kann aus einer Silicumoxidschicht, zum Beispiel einer thermischen Oxidschicht, gebildet werden. Die Gateelektrode 103 wird aus einem leitfähigen Material gebildet. Die Gateelektrode 103 kann zum Beispiel aus wenigstens einem aus der Gruppe ausgewählten Material gebildet werden, die aus dotiertem Polysilicium, einem Metall wie Wolfram und Molybdän, einem leitfähigen Metallnitrid wie Titannitrid und Tantalnitrid und einem Metallsilicid wie Wolframsilicid und Kobaltsilicid besteht. Die isolierende Deckstruktur 104 kann z.B. aus Siliciumnitrid, Siliciumoxid oder Siliciumoxynitrid gebildet werden. Eine Bauelementisolationsschicht (nicht gezeigt) kann vor der Bildung der Gatestruktur 105 in dem Halbleitersubstrat 100 gebildet werden, um einen aktiven Bereich zu definieren. Die Gatestruktur 105 kreuzt über dem aktiven Bereich.

Als ein nächster Schritt wird ein störstellendotierter Bereich durch ein Verfahren gebildet, das nunmehr unter weiterer Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 6 und graphische Darstellungen beschrieben wird, welche die Konzentrationsprofile von Dotierstoffen in den 4und 5 repräsentieren. Bezugnehmend auf die 2, 4 und 6 werden Dotierstoffionen 107 unter Verwendung der Gatestruktur 105 als Maske in das Halbleitersubstrat 100 implantiert (Schritt S200), um Störstellenimplantationsbereiche 110 auf beiden Seiten der Gatestruktur 105 in dem Halbleitersubstrat 100 zu bilden. Die Dotierstoffionen 107 können eine Clusterform aufweisen, bei der eine Mehrzahl von Dotierstoffeinheiten, die Dotierstoffatome oder Dotierstoffmoleküle umfassen, aneinander gebunden sind. Die clusterförmigen Dotierstoffionen 107 können jeweils etwa eintausend bis fünfzigtausend Dotierstoffatome enthalten. Die Dotierstoffatome oder die Dotierstoffmoleküle, die das clusterförmige Dotierstoffion 107 bilden, können lose gebunden sein.

Ein Verfahren zur Bildung des clusterförmigen Dotierstoffions 107 gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung wird nachstehend beschrieben. Eine Mehrzahl von Atomen oder Molekülen des Dotierstoffs wird mit einer hohen Geschwindigkeit in eine Kammer mit einem niedrigen Druck eingebracht. Dann wird eine Temperatur in der Kammer aufgrund adiabatischer Expansion verringert. Die Mehrzahl von Dotierstoffatomen oder -molekülen in der Kammer wird aufgrund der niedrigen Temperatur verfestigt und bildet somit ein Partikel. Hierbei wird das verfestigte Partikel in einer Clusterform gebildet, die eine Mehrzahl von Dotierstoffatomen oder -molekülen enthält, die lose aneinander gebunden sind. Nachfolgend wird das Partikel ionisiert. Das ionisierte Partikel entspricht dem clusterförmigen Dotierstoffion 107.

In dem Ionenimplantationsprozess kollidiert das clusterförmige Dotierstoffion 107 mit einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 und löst sich auf. Die aufgelösten Elemente werden in das Halbleitersubstrat 100 implantiert. Die Dotierstoffe, die in den Störstellenimplantationsbereich 110 implantiert werden, weisen ein Implantationskonzentrationsprofil 150 auf, das in 4 dargestellt ist. In 4 repräsentiert eine horizontale Achse eine Tiefe von einer Oberseite des Halbleitersubstrats 100, und eine vertikale Achse repräsentiert eine Konzentration des Dotierstoffs.

Nach der Kollision des Dotierstoffions 107 weist die Dotierstoffkonzentration eines oberen Teils 108 des Störstellenimplantationsbereichs 110 ein erstes Implantationsprofil 147 auf, und ein unterer Teil 109 des Störstellenimplantationsbereichs 110 weist ein zweites Implantationsprofil 148 auf. Der obere Teil 108 des Störstellenimplantationsbereichs 110 ist als ein oberer Implantationsbereich definiert, und der untere Teil 109 des Störstellenimplantationsbereichs 110 ist als ein unterer Implantationsbereich definiert. Wie in 4 dargestellt, variiert die Dotierstoffkonzentration des oberen Implantationsbereichs 108 nur leicht als Funktion der Tiefe. Die Dotierstoffkonzentration des oberen Implantationsbereichs 108 ist zum Beispiel relativ gleichmäßig. Die Dispersion der Dotierstoffkonzentration des oberen Implantationsbereichs 108 kann weniger als 20% betragen. Der obere Implantationsbereich 108 beinhaltet einen maximalen Implantationsteil, in dem die Dotierstoffkonzentration ihr Maximum erreicht. Die Dotierstoffkonzentration des unteren Implantationsteils 109 nimmt mit zunehmender Tiefe steil ab.

Wie vorstehend beschrieben, weist der obere Implantationsteil 108 aufgrund der clusterförmigen Dotierstoffionen 107 eine relativ gleichmäßige Konzentration auf. Demgemäß nimmt eine Menge an Dotierstoffen, die in eine Oberseite des Störstellenimplantationsbereichs 110 implantiert wird, zum Beispiel eine Oberfläche des Halbleitersubstrats 100, im Vergleich zum herkömmlichen Fall steil ab. Da ein Bereich mit einer relativ gleichmäßigen Konzentration in dem oberen Implantationsteil 108 gebildet wird, kann der störstellendotierte Bereich eine ausgezeichnete elektrische Eigenschaft zeigen und kann durch Implantieren einer relativ kleine Menge an Dotierstoff in eine Oberfläche des Halbleitersubstrats gebildet werden. Da außerdem die Abmessung der clusterförmigen Dotierstoffionen 107 viel größer als ein atomares Gitter des Halbleitersubstrats 100 ist, tritt keine Kanalbildung auf. Als ein Ergebnis wird das Implantationskonzentrationsprofil 150 des Störstellenimplantationsbereichs 110 im Vergleich zu dem herkömmlichen Implantationskonzentrationsprofil in einer nahezu idealen Kastenform gebildet.

Bezugnehmend auf die 3, 5 und 6 wird ein Laser-Temperprozess an dem Störstellenimplantationsbereich 110 durchgeführt (Schritt S210). Dotierstoffe in dem Störstellenimplantationsbereich 110 werden aktiviert, um einen störstellendotierten Bereich 110a mit gewünschten elektrischen Eigenschaften als ein Ergebnis des Laser-Temperprozesses zu bilden. Ein Dotierkonzentrationsprofil 160 repräsentiert eine Dotierstoffkonzentration des störstellendotierten Bereichs 110a. In 5 repräsentiert eine horizontale Achse eine Tiefe von einer Oberseite des Halbleitersubstrats 100, und eine vertikale Achse repräsentiert eine Konzentration des Dotierstoffs.

In dem Laser-Temperprozess wird der Störstellenimplantationsbereich 110 durch einen Laserstrahl bestrahlt. Der Laser-Temperprozess kann im Vergleich zu dem herkömmlichen RTA-Prozess während einer vergleichsweise kurzen Temperzeit durch Steuern der Laserstrahl-Bestrahlungszeit durchgeführt werden. Die Temperzeit des Laser-Temperprozesses (im Folgenden auch als eine Laser-Temperzeit bezeichnet) kann in einem Bereich von etwa 1 Mikrosekunde bis 1 Sekunde liegen. Der Laser-Temperprozess kann im Vergleich zu dem herkömmlichen RTA-Prozess eine relativ hohe Temperatur bereitstellen.

Da die Temperzeit des Laser-Temperprozesses im Vergleich zu der Temperzeit des herkömmlichen RTA-Prozesses vergleichsweise kurz ist, kann die Diffusion von Dotierstoffen aufgrund des Laser-Temperprozesses minimiert werden. Da außerdem der Laser-Temperprozess eine hohe Temperatur bereitstellen und eine im Vergleich zu dem RTA-Prozess vergleichsweise kurze Laser-Temperzeit aufweisen kann, kann die Tempertemperatur desselben im Vergleich zu dem herkömmlichen RTA-Prozess frei erhöht werden. Als ein Ergebnis kann der Laser-Temperprozess die Diffusion von Dotierstoffen minimieren und einen Hochtemperatur-Temperprozess für den Störstellenimplantationsbereich 110 bereitstellen. Die Tempertemperatur des Laser-Temperprozesses (die Laser-Tempertemperatur) kann innerhalb eines Bereichs von etwa 1.000°C bis 1.450°C liegen.

Ein oberer dotierter Teil 108a des störstellendotierten Bereichs 110a weist ein Dotierstoffkonzentrationsprofil auf, das aus dem oberen Implantationsteil 108 resultiert. Ein unterer dotierter Teil 109a des störstellendotierten Bereichs 110a weist ein Dotierstoffkonzentrationsprofil auf, das aus dem unteren Implantationsteil 109 resultiert. Der obere dotierte Teil 108a weist zum Beispiel ein erstes Dotierprofil 157 des Dotierkonzentrationsprofils 160 auf. Der obere dotierte Teil 108a weist eine Konzentrationsdispersion von weniger als 20% auf, und die Verteilung der Dotierstoffe ist relativ gleichmäßig. Die Dotierstoffkonzentration des unteren dotierten Teils 109a nimmt mit zunehmender Tiefe steil ab. Der untere dotierte Teil 109a weist ein zweites Dotierprofil 158 des Dotierkonzentrationsprofils 160 auf. Eine Unterseite des oberen dotierten Teils 108a kann etwas tiefer als eine Unterseite des oberen Implantationsteils 108 ausgebildet werden. Eine Unterseite des unteren dotierten Teils 109a kann etwas tiefer als eine Unterseite des unteren Implantationsteils 109 ausgebildet werden.

Eine Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 des Störstellimplantationsbereichs 110 kann durch Erhöhen der Laser-Tempertemperatur erhöht werden. Die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 ist eine maximale Menge an Dotierstoffen, die bei der Laser-Tempertemperatur aktiviert werden können. Die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 ändert sich in Abhängigkeit von der Laser-Tempertemperatur. Mit zunehmender Laser-Tempertemperatur nimmt die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 zu.

Eine in dem oberen dotierten Teil 108a aktivierte Menge an Dotierstoff kann durch Erhöhen der Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 unter Verwendung der Laser-Tempertemperatur wesentlich erhöht werden. Daher kann ein Widerstand des störstellendotierten Bereichs 110a wesentlich verringert werden. Wenn eine in dem oberen dotierten Teil 108a aktivierte Menge an Dotierstoff wesentlich erhöht wird, kann eine Menge an inaktiviertem Dotierstoff in dem oberen dotierten Teil 108a wesentlich verringert werden. Zum Beispiel kann jeglicher Dotierstoff in dem oberen dotierten Teil 108a aktiviert werden.

Die Dotierstoffkonzentration eines maximalen Implantationsteils des Störstellenimplantationsbereichs 110 (die maximale Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110) ist kleiner als das Vierfache der Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 entsprechend der Laser-Tempertemperatur. Daher kann sich in dem oberen dotierten Teil 108a weniger als das Dreifache an inaktiviertem Dotierstoff als an aktiviertem Dotierstoff befinden. Wenn sich dort weniger als das Dreifache an inaktiviertem Dotierstoff als an aktiviertem Dotierstoff befindet, werden Defekte, wie eine Fehlstelle und/oder eine Versetzung, zum Beispiel auf ein Maß minimiert, das die elektrische Eigenschaft des störstellendotierten Bereichs 110a nahezu nicht beeinflusst.

Die maximale Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 kann zum Beispiel gleich oder höher als die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 sein und kann geringer als das Vierfache der Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 sein. Die maximale Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 kann gleich der Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 sein. In diesem Fall können alle Dotierstoffe in dem störstellendotierten Bereich 110a aktiviert sein. Demgemäß können Defekte wie eine Fehlstelle oder/und eine Versetzung verhindert werden.

Wenn die Laser-Tempertemperatur 1.450°C beträgt und der Dotierstoff Arsen mit einer niedrigen Aktivierungsenergie ist, beträgt die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 ungefähr 5 × 1021/cm3. Wenn die Laser-Tempertemperatur 1.000°C beträgt und der Dotierstoff Bor mit einer hohen Aktivierungsenergie ist, beträgt die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 ungefähr 5 × 1019/cm3. Daher kann die maximale Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 in einem Bereich von etwa 5 × 1019/cm3 bis etwa 2 × 1022/cm3 liegen. Da Bor einen Grad an Aktivierung aufweist, der niedriger als jener von Arsen und Phosphor ist, ist die Löslichkeitsgrenzkonzentration 170 von Bor, wenn die Laser-Tempertemperatur 1.450°C beträgt, speziell ungefähr 6 × 1020/cm3. Wenn daher der Dotierstoff Bor ist, kann die maximale Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 in einem Bereich von etwa 5 × 1019/cm3 bis etwa 2,4 × 1021/cm3 liegen.

Eine Dosis der clusterförmigen Störstellenionen 107, die zur Realisierung der maximalen Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 geeignet ist, kann sich in Abhängigkeit von der Implantationsenergie und der Art des verwendeten Dotierstoffs ändern. Zum Beispiel können die clusterförmigen Dotierstoffionen mit einer Dosis von 2,5 × 1014/cm3 und 5keV Energie implantiert werden, um für Bor die Konzentration von 6 × 1020/cm3 zu erzielen.

Eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a wird mit einer ersten Tiefe D1 von einer Oberseite des Halbleitersubstrats 100 gebildet, und eine Unterseite des oberen dotierten Teils 108a wird mit einer zweiten Tiefe D2 von der Oberseite des Halbleitersubstrats 100 gebildet. Die zweite Tiefe D2 kann 1/4 der ersten Tiefe D1 und kleiner als die erste Tiefe D1 sein. Eine Tiefe einer Unterseite des unteren dotierten Teils 109a ist gleich der ersten Tiefe D1. Die Unterseite des unteren dotierten Teils 109a wird zum Beispiel zu der Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a.

Der störstellendotierte Bereich 110a kann so gebildet werden, dass er eine sehr geringe Tiefe und ausgezeichnete elektrische Eigenschaften aufweist, indem der Ionenimplantationsprozess unter Verwendung der clusterförmigen Dotierstoffionen 107 und des Laser-Temperprozesses durchgeführt wird. Die Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a kann mit einer Tiefe von etwa 1nm bis 15nm gebildet werden.

Der störstellendotierte Bereich 110a kann als Source-/Drainbereich einer einzelnen Schicht verwendet werden, die in einer dynamischen Speicherzelle mit wahlfreiem Zugriff (DRAM-Zelle) oder einer NAND-Flash-Speicherzelle enthalten ist. Der störstellendotierte Bereich 110a kann außerdem als ein schwach dotierter Bereich einer LDD-Struktur, von Source-/Drainbereichen und/oder von einem erweiterten Teil von erweiterten Source-/Drainbereichen verwendet werden. Ein Verfahren zur Bildung des störstellendotierten Bereichs 110a wird unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben.

Die 7 und 8 sind Schnittansichten, die weitere Schritte des Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterbauelements gemäß der Erfindung veranschaulichen, die auf den Schritt der Bildung des Störstellenimplantationsbereichs folgen. Bezugnehmend auf die 2 und 7 werden an beiden Seitenwänden der Gatestruktur 105 nach der Bildung des Störstellenimplantationsbereichs 110 Abstandshalter 112 gebildet. Die Abstandshalter können aus wenigstens einem von Siliciumnitrid, Siliciumoxid und Siliciumoxynitrid gebildet werden.

Eine hohe Dosis von Dotierstoffionen wird unter Verwendung der Gatestruktur 105 und der Abstandshalter 112 implantiert, um einen stark dotierten Implantationsbereich 115 zu bilden. Dotierstoffe des stark dotierten Implantationsbereichs 115 können vom gleichen Typ sein wie Dotierstoffe des Störstellenimplantationsbereichs 110. Dotierstoffionen zur Bildung des stark dotierten Implantationsbereichs 115 können monoatomare Dotierstoffionen, monomolekulare Dotierstoffionen oder clusterförmige Dotierstoffionen sein. Eine Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 kann geringer als eine Dotierstoffkonzentration des stark dotierten Implantationsbereichs 115 sein. In diesem Fall können die Source-/Drainbereiche in der LDD-Struktur gebildet werden. Alternativ kann die Dotierstoffkonzentration des Störstellenimplantationsbereichs 110 etwa gleich der Dotierstoffkonzentration des stark dotierten Implantationsbereichs 115 sein. In diesem Fall kann der Source-/Drainbereich in der Struktur des verlängerten Typs gebildet werden. Die Dotierstoffionen zur Bildung des stark dotierten Implantationsbereichs 115 können mit einer höheren Energie als jener der Dotierstoffionen zur Bildung des Störstellenimplantationsbereichs 110 implantiert werden.

Bezugnehmend auf 8 wird der Laser-Temperprozess, der unter Bezugnahme auf die 3 und 5 und Schritt S200 von 6 beschrieben ist, an dem Halbleitersubstrat 100 durchgeführt. Das Halbleitersubstrat 100 beinhaltet den Störstellenimplantationsbereich 110 und den stark dotierten Implantationsbereich 115, und der störstellendotierte Bereich 110a und ein stark dotierter Bereich 115a werden daraus gebildet. Der störstellendotierte und der stark dotierte Bereich 110a und 115a bilden Source-/Drainbereiche.

Als nächstes wird ein Halbleiterbauelement gemäß der exemplarischen Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf 9 beschrieben, die eine perspektivische Ansicht des Halbleiterbauelements ist. 10 stellt eine Dotierstoffkonzentration als Funktion der Tiefe des störstellendotierten Bereichs entlang einer Linie III-III' von 9 dar.

Bezugnehmend auf die 9 und 10 ist eine Gatestruktur 105 auf einem Halbleitersubstrat 100 ausgebildet. Die Gatestruktur 15 beinhaltet eine Gateelektrode 103. Die Gatestruktur 105 beinhaltet des Weiteren eine Gateisolationsschicht 102, die zwischen die Gateelektrode 103 und das Halbleitersubstrat 100 eingefügt ist. Die Gatestruktur 105 kann des Weiteren eine Deckisolationsstruktur 104 beinhalten, die auf der Gateelektrode 103 ausgebildet ist.

Source-/Drainbereiche sind auf beiden Seiten der Gatestruktur 105 in dem Halbleitersubstrat gebildet. Die Source-/Drainbereiche beinhalten störstellendotierte Bereiche 110a. Ein oberer Teil des störstellendotierten Bereichs 110a ist als ein oberer dotierter Teil 108a definiert, und ein unterer Teil des störstellendotierten Bereichs 110a ist als ein unterer dotierter Teil 109a definiert.

Ein Dotierkonzentrationsprofil 160 des störstellendotierten Bereichs 110a ist in 10 dargestellt. Das Dotierkonzentrationsprofil 160 umfasst ein erstes Dotierprofil 157 und ein zweites Dotierprofil 158. Die Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils 108a weist das erste Dotierprofil 157 auf, und die Dotierstoffkonzentration des unteren dotierten Teils 109a weist das zweite Dotierprofil 158 auf. Detaillierter weist der obere dotierte Teil 108a eine Konzentrationsdispersion von weniger als 20% auf, so dass die Verteilung des Dotierstoffs relativ gleichmäßig ist. Die Dotierstoffkonzentration des unteren dotierten Teils 109a nimmt mit zunehmender Tiefe steil ab.

Eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a befindet sich in einer ersten Tiefe D1 unter einer Oberfläche des Halbleitersubstrats 100. Die erste Tiefe D1 wird zu einer Übergangstiefe des störstellendotierten Bereichs 110a. Eine Unterseite des oberen dotierten Teils 108a befindet sich in einer zweiten Tiefe D2 unter der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100. Die zweite Tiefe D2 kann wenigstens 1/4 der ersten Tiefe D1 betragen und kann geringer als die erste Tiefe D1 sein. Eine Oberseite des störstellendotierten Bereichs 110a kann die gleiche wie eine Oberseite des oberen dotierten Teils 108a und die Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 sein. Eine Unterseite des unteren dotierten Teils 109a befindet sich in der ersten Tiefe D1. Die Unterseite des unteren dotierten Teils 109a kann zum Beispiel die gleiche wie eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a sein.

Auf den Seitenwänden der Gatestruktur 105 sind Abstandshalter 112 gebildet. Der störstellendotierte Bereich 110a kann unter den Abstandshaltern 112 angeordnet sein. Ein stark dotierter Bereich 115a kann auf einer Seite des störstellendotierten Bereichs 110a gebildet werden. Der störstellendotierte Bereich 110 ist zum Beispiel zwischen einem Kanalbereich unter der Gatestruktur 105 und dem stark dotierten Bereich 115a angeordnet. Der störstellendotierte Bereich 110a ist mit dem stark dotierten Bereich 115a elektrisch verbunden, um die Source-/Drainbereiche zu bilden. Der störstellendotierte Bereich 110a kann eine Dotierstoffkonzentration aufweisen, die geringer als eine Dotierstoffkonzentration des stark dotierten Bereichs 115a ist. In diesem Beispiel weisen die Source-/Drainbereiche eine LDD-Struktur auf. Alternativ kann der störstellendotierte Bereich 110a eine Dotierstoffkonzentration von etwa gleich einer Dotierstoffkonzentration des stark dotierten Bereiches 115a aufweisen. In diesem Beispiel wiesen die Source-/Drainbereiche eine verlängerte Struktur auf.

Alternativ können die Source-/Drainbereiche nur den störstellendotierten Bereich 110a beinhalten. In diesem Fall wird der stark dotierte Bereich 115a weggelassen, und ein Ende des störstellendotierten Bereichs 110a erstreckt sich lateral entlang der Oberfläche des Halbleitersubstrats 100 relativ weit entfernt von der Gatestruktur 105.

In dem oberen dotierten Teil 108a beträgt die Menge an inaktiviertem Dotierstoff weniger als das Dreifache der Menge an aktiviertem Dotierstoff. Der obere dotierte Teil 108a kann z.B. nur die aktivierten Dotierstoffe beinhalten. Wenn alle Dotierstoffe in dem oberen dotierten Teil 108a aktiviert sind, sind alle Dotierstoffe in dem unteren dotierten Teil 109a aktiviert und demzufolge sind alle Dotierstoffe in dem störstellendotierten Bereich 110a aktiviert.

Der obere dotierte Teil 108a ist mittels Durchführen des Laser-Temperprozesses an dem unter Bezugnahme auf 2 dargestellten oberen Implantationsteil 108 gebildet. Wie vorstehend beschrieben, kann die maximale Dotierstoffkonzentration des oberen Implantationsteils 108 im Bereich von etwa 5 × 1019/cm3 bis etwa 2 × 1022/cm3 liegen. Dotierstoffe in dem in 2 dargestellten oberen Implantationsteil 108 diffundieren etwas durch den Laser-Temperprozess. Daher kann der maximale Wert der maximalen Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils 108a kleiner als etwa 2 × 1022/cm3 sein. Der minimale Wert der maximalen Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils 108a kann kleiner als etwa 5 × 1019/cm3 sein. Der minimale Wert der maximalen Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils 108a ist jedoch größer als etwa 4 × 1019/cm3. Als ein Ergebnis kann die maximale Konzentration des oberen dotierten Teils 108a höher als etwa 4 × 1019/cm3 und niedriger als etwa 2 × 1022/cm3 sein. In ähnlicher Weise kann die maximale Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils 108a, wenn der Dotierstoff Bor ist, höher als etwa 4 × 1019/cm3 und niedriger als etwa 2,4 × 1021/cm3 sein.

Eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs 110a kann in einer Tiefe gebildet sein, in der die Dotierstoffkonzentration des störstellendotierten Bereichs 110a etwa 1 × 1018/cm3 beträgt.

Die erste Tiefe D1 des störstellendotierten Bereichs 110a kann innerhalb des Bereichs von etwa 1nm bis 15nm liegen.

Wie vorstehend beschrieben, werden gemäß einer exemplarischen Ausführungsform der Erfindung clusterförmige Dotierstoffionen implantiert, um einen Störstellenimplantationsbereich mit einem Konzentrationsprofil zu bilden, das einer idealen Kastenform ähnelt. Als nächstes wird ein Laser-Temperprozess mit dem Störstellenimplantationsbereich während einer Temperzeit von etwa 1 Sekunde oder weniger durchgeführt, um einen störstellendotierten Bereich zu bilden. Daher kann eine Menge an inaktiviertem Dotierstoff in einer Oberfläche eines Halbleitersubstrats beträchtlich reduziert werden. Als ein Ergebnis können herkömmliche Defekte minimiert werden, um die Degradation einer elektrischen Eigenschaft des störstellendotierten Bereichs zu minimieren.

Außerdem kann der Laser-Temperprozess eine relativ kurze Temperzeit und eine hohe Tempertemperatur bereitstellen. Daher kann die Löslichkeitsgrenzkonzentration erhöht werden, um eine Menge an aktiviertem Dotierstoff in dem störstellendotierten Bereich zu erhöhen. Demzufolge kann ein störstellendotierter Bereich mit einem sehr geringen Widerstand gebildet werden.

Als ein Ergebnis kann ein störstellendotierter Bereich mit einer sehr geringen Tiefe und einer ausgezeichneten elektrischen Eigenschaft gebildet werden, um ein Halbleiterbauelement zu realisieren, das für eine hohe Integration optimiert ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements mit folgenden Schritten:

– Implantieren von einem oder mehreren clusterförmigen Dotierstoffionen (107) in ein Halbleitersubstrat (100), um einen Störstellenimplantationsbereich (110) zu bilden, und

– Durchführen eines Temperprozesses mit dem Störstellenimplantationsbereich, um einen störstellendotierten Bereich (110a) zu bilden,

– wobei die clusterförmigen Dotierstoffionen eine Mehrzahl von Dotierstoffeinheiten beinhalten, die aneinander gebunden sind.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die Dotierstoffeinheiten Atome oder Moleküle des Dotierstoffes sind. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei ein oberer Teil (108a) des Störstellenimplantationsbereichs einen maximalen Implantationsteil mit einer Dotierstoffkonzentration beinhaltet, die größer als eine Dotierstoffkonzentration des Restes des Störstellenimplantationsbereichs ist, und die Dotierstoffkonzentration des maximalen Implantationsteils kleiner oder gleich etwa dem Vierfachen einer Löslichkeitsgrenzkonzentration gemäß einer Tempertemperatur des Temperprozesses ist. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Dotierstoffkonzentration des maximalen Implantationsteils gleich oder größer als die Löslichkeitsgrenzkonzentration ist. Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei die Dotierstoffkonzentration des maximalen Implantationsteils innerhalb des Bereichs von etwa 5 × 1019/cm3 bis etwa 2 × 1022/cm3 liegt. Verfahren nach Anspruch 5, wobei der Dotierstoff Bor ist und die Dotierstoffkonzentration des maximalen Implantationsteils innerhalb des Bereichs von etwa 5 × 1019/cm3 bis etwa 2,4 × 1021/cm3 liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine Tempertemperatur des Temperprozesses in dem Bereich von etwa 1.000°C bis etwa 1.450°C liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Temperprozess mit einem Laserstrahl durchgeführt wird und die Temperzeit des Laser-Temperprozesses in einem Bereich von etwa 1 Mikrosekunde bis etwa 1 Sekunde liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein oberer dotierter Teil (108a) mit einem oberen Teil des störstellendotierten Bereichs eine Dotierstoffkonzentrationsdispersion von weniger als 20% aufweist. Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs mit einer ersten Tiefe (D1) unter einer Oberseite des Halbleitersubstrats gebildet wird und eine Unterseite des oberen dotierten Teils mit einer zweiten Tiefe (D2) unter der Oberseite des Halbleitersubstrats gebildet wird, wobei die zweite Tiefe gleich oder größer als etwa 1/4 der ersten Tiefe und kleiner als etwa die erste Tiefe ist. Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine Unterseite eines unteren dotierten Teils einen unteren Teil des störstellendotierten Bereichs beinhaltet und die Unterseite des unteren dotierten Teils in der ersten Tiefe gebildet wird und eine Dotierstoffkonzentration des unteren dotierten Teils mit zunehmender Tiefe im Wesentlichen abnimmt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei eine Tiefe einer Unterseite des störstellendotierten Bereichs innerhalb des Bereichs von etwa 1nm bis etwa 15nm liegt. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, das des Weiteren das Bilden einer Gateelektrode, die auf dem Halbleitersubstrat mit einer dazwischen eingefügten Gateisolationsschicht angeordnet ist, vor dem Bilden des Störstellenimplantationsbereichs beinhaltet, wobei die clusterförmigen Dotierstoffionen unter Verwendung der Gateelektrode als Maske implantiert werden und der Störstellenimplantationsbereich an zwei Seiten der Gateelektrode in dem Halbleitersubstrat gebildet wird. Halbleiterbauelement mit:

– einem Halbleitersubstrat (100) und

– einem störstellendotierten Bereich (110a), der in dem Halbleitersubstrat ausgebildet ist,

dadurch gekennzeichnet, dass

– ein oberer dotierter Teil (108a), der einen oberen Teil des störstellendotierten Bereichs beinhaltet, eine Dotierstoffkonzentrationsdispersion von weniger als etwa 20% aufweist und eine Dotierstoffkonzentration eines unteren dotierten Teils (109a), der einen unteren Teil des störstellendotierten Bereichs beinhaltet, mit zunehmender Tiefe im Wesentlichen abnimmt.
Halbleiterbauelement nach Anspruch 14, wobei sich eine Unterseite des störstellendotierten Bereichs in einer ersten Tiefe (D1) unter einer Oberseite des Halbleitersubstrats befindet und eine Unterseite des oberen dotierten Teils in einer zweiten Tiefe (D2) unter der Oberseite des Halbleitersubstrats ausgebildet ist, wobei die zweite Tiefe gleich oder größer als etwa 1/4 der ersten Tiefe und geringer als etwa die erste Tiefe ist und sich eine Unterseite des unteren dotierten Teils in der ersten Tiefe befindet. Halbleiterbauelement nach Anspruch 14 oder 15, wobei weniger als das Dreifache an inaktiviertem Dotierstoff als an aktiviertem Dotierstoff in dem oberen dotierten Teil vorhanden ist. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei aktivierte Dotierstoffe in dem oberen dotierten Teil existieren und keine inaktivierten Dotierstoffe in dem oberen dotierten Teil vorhanden sind. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei eine maximale Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils höher als etwa 4 × 1019/cm3 und geringer als etwa 2 × 1022/cm3 ist. Halbleiterbauelement nach Anspruch 18, wobei der Dotierstoff Bor ist und die maximale Dotierstoffkonzentration des oberen dotierten Teils höher als etwa 4 × 1019/cm3 und geringer als etwa 2,4 × 1021/cm3 ist. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei eine Tiefe des störstellendotierten Bereichs innerhalb des Bereichs von etwa 1nm bis etwa 15nm liegt. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 14 bis 20, das des Weiteren beinhaltet:

– eine Gateelektrode (103), die auf einer Seite des störstellendotierten Bereichs auf dem Halbleitersubstrat angeordnet ist, und

– eine Gateisolationsschicht (102), die zwischen die Gateelektrode und das Halbleitersubstrat eingefügt ist.






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