DE102005054218B4

DE102005054218B4 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements und Halbleiterelement

Info

Publication number: DE102005054218B4
Application number: DE102005054218A
Authority: DE
Inventors: Luis-Felipe Dr. Giles
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2005-11-14
Filing date: 2005-11-14
Publication date: 2011-06-09
Anticipated expiration: 2025-11-15
Also published as: US7825016B2; DE102005054218A1; US20070161219A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements in einem Substrat,
• wobei in dem Substrat Mikro-Hohlräume gebildet werden,
• wobei Voramorphisierungs-Ionen in das Substrat implantiert werden, womit ein Teilbereich des Substrats voramorphisiert wird und in dem Substrat Kristalldefekte erzeugt werden,
• wobei Dotieratome in den voramorphisierten Teilbereich des Substrats implantiert werden,
• wobei das Substrat erhitzt wird, so dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte unter Verwendung der Mikro-Hohlräume eliminiert wird, und
• wobei unter Verwendung der Dotieratome mindestens ein flacher Anschluss des Halbleiterelements in dem voramorphisierten Teilbereich des Substrats gebildet wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements und ein Halbleiterelement.
Gemäß der International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS) werden für den 45-nm-Technologieknoten 7 nm tiefe ultra-flache Anschlüsse (ultra-shallow junctions) mit einem Schichtwiderstand von weniger als 1000 Ω/☐ beispielsweise für einen Transistor benötigt.
Herkömmliche Technologien zum Erreichen von ultra-flachen Anschlüssen beinhalten eine Ko-Implantation von Bor (B), Fluor (F) oder Kohlenstoff (C) in ein mittels Germanium-Implantation voramorphisiertes Siliziumsubstrat. Um die Implantationsschäden auszuheilen und die Dotieratome zu aktivieren ist ein anschließender Hochtemperatur-Erhitzungsschritt bei einer Temperatur T ≥ 1300°C unter Verwendung von sehr schnellen Techniken wie beispielsweise Lasererhitzen oder Flash-Erhitzen erforderlich.
Ein Hauptnachteil dieser Verfahren ist in der Deaktivierung der Dotieratome während des anschließenden Niedertemperatur-Prozesses zu sehen.
In der letzten Zeit wurde der Deaktivierungsmechanismus besser verstanden, und es ist heutzutage in weiten Kreisen der Fachwelt akzeptiert, dass die Deaktivierung der Dotieratome bei niedrigen Temperaturen auftritt aufgrund der Bildung von unbeweglichen bzw. immobilen Dotieratom-Zwischengitterplatz-Clustern.
Die Quelle von Zwischengitterplätzen, welche zum Bilden von Dotieratom-Zwischengitterplatz-Clustern erforderlich sind, ist in den Endbereich(End of Range, EOR)-Schäden zu sehen, die sich in der Nähe der ursprünglichen Schnittstelle zwischen dem amorphen Silizium und dem kristallinen Silizium befinden (auch als amorph/kristallin-Silizium-Schnittstelle bezeichnet).
Aus diesen Gründen werden diese Zwischengitterplatz-Defekte auch als Endbereich(End of Range, EOR)-Defekte bezeichnet.
Unglücklicherweise wird aufgrund des extrem niedrigen thermischen Budgets, welches in heutigen Technologien eingesetzt wird, ein vollständiges Auflösen von EOR-Defekten nicht erreicht. Aus diesem Grund ist die Deaktivierung von Dotieratomen als ein unerwünschter Nebeneffekt eines Lasererhitzens oder Flash-Erhitzens anzusehen.
In [1], [2] und [3] ist beschrieben, dass eine Übersättigung von Zwischengitterplätzen eine Ursache ist für eine vorübergehende verstärkte Diffusion (Transient-Enhanced Diffusion, TED) beispielsweise von Boratomen als Dotieratome, und für die Deaktivierung der Boratome.
Weiterhin ist in [4] und [5] beschrieben, dass perfekte Versetzungsringe (dislocation loops) energetisch weniger stabil sind als Frank-Versetzungsringe. Ferner ist in [4] und [5] beschrieben, dass der Oberflächenbereich eines Substrats als Senke für Zwischengitterplätze dient.
In [6] ist beschrieben, dass EOR-Defekte in der Nähe der Substratoberfläche sehr instabil sind.
Bei einem in [7] beschriebenen Verfahren werden in ein Siliziumsubstrat Wasserstoffatome mit einer Dosis von mehr als 10¹⁶ cm^–2 in einer vorgegebenen Tiefe implantiert. Die implantierten Wasserstoffatome bilden Hohlräume in dem Siliziumsubstrat. Entlang der Hohlräume, welche sich entlang einer {100}-Ebene des Siliziumsubstrats erstrecken, wird das Substrat aufgetrennt, so dass eine dünne Siliziumschicht, welche sich oberhalb der Hohlräume befindet, mittels eines an der oberen Oberfläche der Siliziumschicht angebrachten Handlingwafers von dem Bulkmaterial abgetrennt wird.
In [8] ist offenbart, dass Mikro-Hohlräume in einem Substrat gebildet werden mittels Wasserstoffionenimplantation und anschließender Temperung. Die Mikro-Hohlräume dienen dazu, Stapelfehler (stacking faults) im Substrat zu erzeugen.
In [9] ist offenbart, dass mittels Ionenimplantation Mikro-Hohlräume in einem Substrat gebildet werden. Die Mikro-Hohlräume kombinieren zu einem einzigen großen Hohlraum, an dessen innerer Oberfläche nachfolgend eine Oxidschicht gebildet wird. Unter Verwendung des Hohlraums wird ein SON(Silicon-on-nothing)-Substrat gebildet.
Der Erfindung liegt das Problem zu Grunde, ein Halbleiterelement mit weniger Kristallgitterdefekten zu schaffen.
Das Problem wird durch ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements und durch ein Halbleiterelement mit den Merkmalen gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst.
Beispielhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Patentansprüchen. Die beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung betreffen sowohl das Verfahren zum Herstellen des Halbleiterelements als auch, soweit sinnvoll, das Halbleiterelement.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements in einem Substrat werden in einem Substrat Mikro-Hohlräume gebildet. Ferner werden Voramorphisierungs-Ionen in das Substrat implantiert, womit ein Teilbereich des Substrats voramorphisiert wird und in dem Substrat Kristalldefekte erzeugt werden. Ferner werden Dotieratome in den voramorphisierten Teilbereich des Substrats implantiert. Das Substrat wird erhitzt, so dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte unter Verwendung der Mikro-Hohlräume eliminiert wird, und unter Verwendung der Dotieratome wird mindestens ein flacher Anschluss des Halbleiterelements in dem voramorphisierten Teilbereich des Substrats gebildet.
Ein Halbleiterelement weist auf ein Silizium-Substrat mit mindestens einem flachen Anschluss, welcher in einem amorphen Bereich des Substrats angeordnet ist, wobei der mindestens eine flache Anschluss Dotieratome aufweist. Unterhalb des mindestens einen flachen Anschlusses sind Mikro-Hohlräume in dem Substrat ausgebildet.
Anschaulich kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass die Mikro-Hohlräume in dem Substrat als Senke dienen für die, beispielsweise im Rahmen des Einbringens von Dotieratomen in das kristalline oder teilweise kristalline und teilweise amorphe Substrat, in dem Substrat auftretenden Kristalldefekte und damit die Kristalldefekte eliminieren.
Die in dem Kristallgitter des Substrats gebildeten Mikro-Hohlräume sind temperaturstabil, so dass diese selbst bei einem nach Bildung der Mikro-Hohlräume auf das Substrat angewendeten Hochtemperaturschritt bei einer Temperatur von mehr als 1000°C nicht verschwinden. So ist es ermöglicht, dass für den Fall, dass die Dotieratome nach dem Hochtemperaturschritt in das Substrat eingebracht werden, die Mikro-Hohlräume als Senke zum Eliminieren der durch das Einbringen der Voramorphisierungs-Ionen erzeugten Kristalldefekte dienen.
Ferner wird eine vorübergehende bzw. transiente verstärkte Diffusion (Transient Enhanced Diffusion, TED) der eingebrachten Dotieratome, welche üblicherweise durch die Kristalldefekte verursacht wird, reduziert oder gar vermieden.
Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass gemäß einem Aspekt der Erfindung mittels des Eliminierens der Quelle der Kristalldefekte, beispielsweise mittels des Eliminierens der Quelle von Endbereich(End of Range, EOR)-Schäden sowohl TED reduziert wird als auch die Deaktivierung der Dotieratome, beispielsweise von Boratomen und der Übergangs-Leckstrom.
Unter einem Mikro-Hohlraum (im Folgenden auch als Mikro-Kavität bezeichnet) ist im Rahmen dieser Beschreibung beispielsweise ein Hohlraum in dem Substrat zu verstehen mit einer Ausdehnung im Mikrometerbereich in alle Raumrichtungen, beispielsweise mit einer Ausdehnung im Mikrometerbereich in einer oder zwei Raumrichtungen und mit einer Ausdehnung im Nanometerbereich in einer oder zwei Raumrichtungen oder mit einer Ausdehnung im Nanometerbereich in alle Raumrichtungen. So kann ein Mikro-Hohlraum eine Breite von beispielsweise 5 nm bis 100 nm oder mehreren 100 nm, beispielsweise 10 nm bis 100 nm oder mehreren 100 nm aufweisen, sowie eine Länge von 20 nm bis 100 nm oder mehreren 100 nm und eine Höhe von 10 nm bis 100 nm oder mehreren 100 nm, beispielsweise ungefähr 50 nm.
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung werden in dem Substrat Mikro-Plättchen gebildet und aus den Mikro-Plättchen werden die Mikro-Hohlräume gebildet.
Weiterhin können Leicht-Ionen in das Substrat implantiert werden, so dass in dem Substrat die Mikro-Hohlräume gebildet werden.
Die Leicht-Ionen können in das Substrat implantiert werden, so dass indem Substrat die Mikro-Plättchen gebildet werden.
Das Einbringen von Leicht-Ionen in das Substrat zum Bilden der Mikro-Plättchen oder der Mikro-Hohlräume stellt einen sehr einfachen und verlässlichen Mechanismus zum Herstellen der Mikro-Hohlräume dar, welcher prozesskompatibel ist mit heutigen CMOS-Prozessen (Complementary Metal Oxide Semiconductor). Weiterhin gehören Ionen-Implanter zu üblichen Geräten im Rahmen eines Halbleiterprozesses, so dass es nicht erforderlich ist, die Prozesse zum Herstellen des Halbleiterelements grundlegend zu verändern oder gar neue Geräte anzuschaffen.
Das Bilden der Mikro-Plättchen kann durch das Implantieren leichter Ionen bzw. Leicht-Ionen, d. h. Ionen mit einer geringen Masse bzw. mit einer kleinen Massenzahl, erfolgen, anders ausgedrückt durch Leicht-Ionen-Implantation, vgl. zum Beispiel [7]. Die Verwendung von Leicht-Ionen hat beispielsweise den Vorteil, dass das Brechen der kovalenten Bindungen im Kristallgitter im Wesentlichen durch Ionisierung erfolgt.
Als Leicht-Ionen können eingesetzt werden:

• Wasserstoff-Ionen (H₂ ⁺-Ionen) und/oder
• Helium-Ionen (He⁺-Ionen) und/oder
• Fluor-Ionen (F⁺-Ionen) und/oder
• Neon-Ionen (Ne⁺-Ionen) und/oder
• Chlor-Ionen (Cl⁺-Ionen) und/oder
• Argon-Ionen (Ar⁺-Ionen).

Die in das Substrat implantierten leichten Ionen bzw. Leicht-Ionen haben anschaulich die Tendenz, kovalente Bindungen in dem Substrat (z. B. kovalente Silizium-Bindungen in einem Silizium-Substrat) zu brechen, wodurch dünne Plättchen in übersättigten Bereichen gebildet werden. Anders ausgedrückt werden durch das Implantieren von Leicht-Ionen plättchenartige Defekte bzw. Gitterfehler in dem Kristallgitter des Substrats (z. B. in dem Kristallgitter eines Silizium-Wafers) erzeugt. Die Mikro-Plättchen werden dabei bevorzugt in der Nähe des Maximums bzw. Peaks der Leicht-Ionen-Konzentration in dem Substrat gebildet. Die Tiefe R_p des Konzentrations-Maximums der implantierten Leicht-Ionen wird als Projected Range R_p bezeichnet, wobei unter Tiefe der Abstand zur Substrat-Oberfläche verstanden wird. Aus dem oben genannten folgt, dass auch die Konzentration der Mikro-Plättchen in der Nähe von R_p maximal ist.
Die Mikro-Plättchen können entlang einer Symmetrieebene des Substrats gestreckt sein, in Abhängigkeit von der Orientierung der Substrat-Oberfläche. Zum Beispiel können die Plättchen bei einem Silizium-Substrat (Silizium-Wafer) mit einer (100)-Oberflächen-Orientierung entlang der (100)-Ebene gestreckt sein, und bei einem (111)-Substrat (Wafer) entsprechend entlang der (111)-Ebene, wobei die Länge der Mikro-Plättchen (d. h. die Ausdehnung parallel zu der oben genannten Symmetrieebene) einer Verteilung folgt mit einem Mittelwert und einer Standardabweichung, welche zum Beispiel von der Implantationsdosis Φ und/oder von der Implantations-Energie E der implantierten Leicht-Ionen abhängen können.
Die Abmessungen der Mikro-Plättchen können von den Implantations-Bedingungen (z. B. Implantationsdosis und/oder Implantations-Energie) und den Bedingungen bei einem Anneal-Schritt abhängen. Im Allgemeinen können die Länge und die Breite der Mikro-Plättchen in der Größenordnung von ungefähr 10 nm liegen, und die Höhe (d. h. die Ausdehnung senkrecht zur oben genannten Symmetrieebene) der Mikro-Plättchen kann in der Größenordnung von ungefähr 0.54 nm liegen.
Mit Hilfe der Implantationsdosis Φ und/oder der Implantations-Energie E der Leicht-Ionen können außerdem die Tiefe und die Ausdehnung des Bereiches, in dem die Mikro-Plättchen gebildet werden, beeinflusst werden. In diesem Zusammenhang ist mit Tiefe wiederum der Abstand zur Substrat-Oberfläche gemeint, und mit Ausdehnung die Ausdehnung in Richtung der Oberflächen-Normalen, d. h. bei einem (100)-Substrat die Ausdehnung entlang der [100]-Richtung.
Mit anderen Worten kann durch Variieren der beiden Parameter Dosis Φ und Energie E (und eventuell anderer Parameter) die Tiefe R_p (Projected Range) des Leicht-Ionen-Konzentrations-Maximums und folglich die Lage und/oder die Ausdehnung des Bereiches, in dem bevorzugt Mikro-Plättchen gebildet werden, beeinflusst werden.
Bei Verwendung eines ungefähr 10 nm dicken Abschirm-Oxids (screen oxide) während einer H₂ ⁺-Ionen-Implantation kann beispielsweise mit einer Implantations-Energie E = 10 keV und einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁶ H₂/cm² eine Tiefe bzw.
Projected Range R_p von ungefähr 100 nm erreicht werden, und mit einer Implantations-Energie E = 150 keV und einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁶ H₂/cm² kann eine Tiefe bzw. Projected Range R_p von ungefähr 850 nm erreicht werden.
In einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Leicht-Ionen eine Implantations-Energie zwischen 10 keV und 150 keV aufweisen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Implantieren der Leicht-Ionen mit einer Dosis zwischen 10¹⁵/cm² und 10¹⁸/cm².
In noch einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass beim Implantieren der Leicht-Ionen eine zusätzliche Maske verwendet wird. Diese Maske dient dazu, die laterale Ausdehnung des Bereiches, in dem Mikro-Plättchen gebildet werden, zu beschränken. Anschaulich kann durch das Verwenden einer Maske die Implantation der Leicht-Ionen in vorgegebenen Bereichen des Substrates blockiert werden, so dass in diesen vorgegebenen Bereichen keine Mikro-Plättchen gebildet werden.
Als Maske kann beispielsweise eine Hartmaske aus einem Oxid-Material und einem Nitrid-Material verwendet werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann das Bilden der Mikro-Hohlräume bzw. Mikro-Kavitäten dadurch erfolgen, dass nach dem Bilden der Mikro-Plättchen eine thermische Behandlung bzw. eine Temperung des Substrats erfolgt. Mit anderen Worten wird das Substrat (z. B. der Wafer) getempert bzw. erhitzt, noch anders ausgedrückt wird ein so genannter Anneal-Schritt durchgeführt.
Die Temperung bzw. das Tempern, anders ausgedrückt das Erhitzen, des Substrats (bzw. des Wafers) kann mit einem niedrigen thermischen Budget erfolgen. Zum Beispiel kann das Substrat bei der thermischen Behandlung auf eine Temperatur zwischen 600°C und 800°C erhitzt werden, und das Erhitzen kann für eine Dauer zwischen 10 min und 2 h erfolgen.
Ein Aspekt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass es durch die thermische Behandlung mit einem niedrigen thermischen Budget zu einem Ausdiffundieren der implantierten Leicht-Ionen aus dem Substrat in Form neutraler Atome bzw. Moleküle kommt. Das heißt, im Falle von implantierten H₂ ⁺-Ionen kommt es durch das Erhitzen zum Ausdiffundieren von H₂-Molekülen aus dem Substrat, im Falle von implantierten He⁺-Ionen zum Ausdiffundieren von He-Atomen, im Falle von implantierten F⁺-Ionen zum Ausdiffundieren von F-Atomen usw.
Das Ausdiffundieren der implantierten Leicht-Ionen in Form neutraler Atome bzw. Moleküle führt zur Bildung eines Netzwerkes oder eines Bandes, anders ausgedrückt eines streifenförmigen Bereiches, von Mikro-Hohlräumen bzw. Mikro-Kavitäten aus den Mikro-Plättchen bei der Reichweite bzw. Projected Range R_p.
Sowohl die Größe als auch die Dichte der gebildeten Mikro-Hohlräume hängen von den Prozess-Parametern der im vorangegangenen beschriebenen Verfahrensschritte (Leicht-Ionen-Implantation mit Dosis Φ und Energie E, thermische Behandlung mit Temperatur T und Dauer t) ab. Die Prozess-Parameter können so gewählt bzw. optimiert werden, dass die Dichte und die Größe der Mikro-Kavitäten jeweils unterhalb vorgegebener Schwellwerte bleiben, so dass es nicht zu einer Ablösung bzw. Delaminierung des Siliziums-Substrats kommt. Mit anderen Worten sind die Dichte und/oder die Größe der Mikro-Hohlräume klein genug, so dass der Zusammenhalt des Substrats gesichert ist und somit eine Schichtspaltung vermieden wird.
Durch die Verwendung eines niedrigen thermischen Budgets bei der thermischen Behandlung (low temperature anneal) wird außerdem vermieden, dass sich die gebildeten Mikro-Kavitäten vollständig auflösen.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass nach der thermischen Behandlung eine zweite thermische Behandlung erfolgt, derart, dass ein konservativer Reifungsprozess (conservative ripening) der Mikro-Hohlräume erfolgt, bei dem aus dem Band von Mikro-Hohlräumen ein dünneres Band mit größeren Mikro-Hohlräumen gebildet wird. Unter konservativ wird in diesem Zusammenhang verstanden, dass das Gesamtvolumen der Mikro-Hohlräume während des Reifungsprozesses erhalten bleibt. Bei dem Reifungsprozess werden aus einer großen Anzahl von relativ kleinen Mikro-Kavitäten eine geringere Anzahl größerer Mikro-Kavitäten gebildet. Dies geschieht anschaulich dadurch, dass zwei oder mehrere kleine Mikro-Hohlkavitäten zu einer größeren Mikro-Kavität ”verschmelzen”. Dieser Prozess kann auch als Coarsening-Prozess (Vergröberungsprozess) bezeichnet werden.
Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass im Verlauf des Reifungsprozesses ein dünnes Band, z. B. mit einer Dicke von ungefähr 20 nm bis 100 nm, von Mikro-Kavitäten gebildet wird, wobei die Mikro-Kavitäten eine Größe von ungefähr 40 nm aufweisen können, und die Dichte der Mikro-Kavitäten ungefähr 10¹¹ cm^–3 betragen kann.
Die zweite thermische Behandlung kann derart erfolgen, dass das Substrat auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1300°C erhitzt wird. Das Erhitzen kann für eine Dauer zwischen 1 μs und 1 s erfolgen.
Die Größe und die Dichte der Mikro-Kavitäten können mit den oben beschriebenen Verfahrensschritten kontrolliert werden. Die Größe der Mikro-Kavitäten kann mit den Abmessungen des Halbleiterelements skalieren und für vorgegebene Abmessungen des Halbleiterelements entsprechend optimiert werden.
Das Substrat wird teilweise voramorphisiert, anders ausgedrückt, es wird beispielsweise in einem oberflächennahen Bereich des Substrats mittels Einbringens von Voramorphisierungs-Ionen die Kristallstruktur des ursprünglich beispielsweise vollständig kristallinen oder einkristallinen Substrats zerstört.
Gemäß einer Ausgestaltung kann das Substrat nach der Bildung der Mikro-Hohlräume teilweise voramorphisiert werden.
Das Substrat wird unter Verwendung von Voramorphisierungs Ionen teilweise voramorphisiert, beispielsweise unter Verwendung von Germanium-Ionen (Ge⁺) oder Silizium-Ionen (Si⁺).
Als Dotieratome können grundsätzlich beliebige Dotieratome verwendet werden, beispielsweise Boratome, Phosphoratome oder Arsenatome. Weiterhin können zusätzlich oder alternativ Fluoratome oder Kohlenstoffatome verwendet werden. Diese Atome können beispielsweise in das Substrat implantiert werden.
Die Boratome können in das Substrat implantiert werden, indem elementares Bor in das Substrat eingebracht wird, oder indem Bor-Fluorid (BF₂) in das Substrat eingebracht wird. Alternativ können Bor-Cluster in das Substrat eingebracht werden.
Zumindest ein Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, bildet einen flachen Anschluss (shallow junction) des Halbleiterelements, beispielsweise einen ultra-flachen Anschluss (ultra-shallow junction).
Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung wird das Halbleiterelement als ein Transistor, beispielsweise als ein Feldeffekttransistor gebildet.
Gemäß dieser Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest ein Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich oder einen Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bilden. In diesem Zusammenhang tritt gerade in zukünftigen Technologieknoten bei der Bildung von ultra-flachen Anschlüssen (ultra-shallow junctions) als Source-Bereich oder als Drain-Bereich das Problem von erzeugten Zwischengitterplätzen in der Nähe der Schnittstelle des amorphen Bereichs und des kristallinen Bereichs des Substrats und eine dadurch verursachte erhöhte Diffusion der Dotieratome aus dem Source-Bereich oder Drain-Bereich in das Substrat auf, was beispielsweise durch Vorsehen der Mikro-Hohlräume reduziert wird, da die Mikro-Hohlräume anschaulich als Senke für die Zwischengitterplätze dienen, wodurch die auftretende Diffusion der Dotieratome reduziert wird.
Somit kann ein erster Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich bilden, und ein zweiter Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, kann einen Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bilden.
Als Substrat wird gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung ein Silizium-Substrat verwendet, beispielsweise ein (100)-Silizium-Substrat oder ein (111)-Silizium-Substrat.
Im Rahmen der Herstellung eines Feldeffekttransistors kann nach der Bildung der Mikro-Hohlräume der Gate-Isolator bzw. das Gate-Dielektrikum des Feldeffekttransistors gebildet werden, beispielsweise in Form einer Gateoxid-Schicht auf dem Kanalbereich des zu bildenden Feldeffekttransistors.
Das Halbleiterelement kann als Transistor, beispielsweise als Feldeffekttransistor eingerichtet sein, wobei der mindestens eine flache Anschluss den Source-Bereich oder den Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bildet.
Der flache Anschluss ist in einem amorphen Bereich des Substrats angeordnet.
Die Dotieratome sind gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung Boratome, Phosphoratome oder Arsenatome. Weiterhin können zusätzlich oder alternativ Fluoratome oder Kohlenstoffatome verwendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Figuren sind gleiche oder ähnliche Elemente, soweit sinnvoll, mit gleichen oder identischen Bezugszeichen versehen. Die in den Figuren gezeigten Darstellungen sind schematisch und daher nicht maßstabsgetreu gezeichnet.
Es zeigen
1 ein Diagramm, in dem ein Voramorphisieren eines Substrats gemäß dem Stand der Technik dargestellt ist;
2 ein Diagramm, in dem ein Erhitzen des in 1 dargestellten voramorphisierten Substrats und ein daraus resultierendes Bilden von Zwischengitterplätzen gemäß dem Stand der Technik dargestellt ist;
3 ein Diagramm, in dem ein Fluss von gemäß 2 erzeugten Zwischengitterplätzen in Richtung eines mit Dotieratomen dotierten Bereichs gemäß dem Stand der Technik dargestellt ist;
4 ein erstes Diagramm, in dem ein Funktionsprinzip eines Aspektes der Erfindung dargestellt ist;
5 ein zweites Diagramm, in dem ein Funktionsprinzip eines Aspektes der Erfindung dargestellt ist;
6A einen Prozessschritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6B einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6C eine erste XTEM-Aufnahme von Mikro-Hohlräumen;
6D einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6E eine zweite XTEM-Aufnahme von Mikro-Hohlräumen;
7 eine Längen-Verteilung von Mikro-Plättchen;
8A einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8B einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8C einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8D einen Feldeffekttransistor gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9A einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9B einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9C einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung; und
9D einen Feldeffekttransistor gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt in einem ersten Diagramm 100 eine entlang der Ordinate 101 dargestellte Ionenkonzentration (in logarithmischer Darstellung (log₁₀)) in einem Substrat abhängig von der entlang der Abszisse 102 dargestellten Tiefe in das Substrat hinein, wobei die Hauptprozessierungs-Oberfläche des Substrats durch eine auf der Ordinate 101 des Diagramms 100 verlaufende Gerade repräsentiert wird.
Es ist in dem Diagramm 100 angenommen, dass ein Oberflächenbereich 103 des Substrats voramorphisiert wird unter Verwendung von Germanium-Ionen (Ge⁺) (der Konzentrationsverlauf der Germanium-Ionen ist in dem Diagramm 100 in einer ersten Kurve 104 dargestellt). Weiterhin ist angenommen, dass nach erfolgter Voramorphisierung Boratome (B) in das Substrat implantiert werden, beispielsweise mittels Einbringens von elementaren Boratomen oder von Bor-Fluorid (BF₂) (der Konzentrationsverlauf der Boratome ist in dem Diagramm 100 in einer zweiten Kurve 105 dargestellt). Wie 1 zu entnehmen ist, erfolgt die Implantation der Germanium-Ionen derart, dass sie sowohl in dem amorphisierten Bereich 103 des Substrats als auch in einem kristallinen Bereich 106 des Substrats enthalten sind. Im Rahmen des Einbringens der Germanium-Ionen in den kristallinen Bereich 106 des Substrats werden dort Kristallgitter-Schäden (auch bezeichnet als Kristallgitter-Defekte) erzeugt. Unter anderem entstehen somit durch das Implantieren der Germanium-Ionen in dem kristallinen Bereich 106 des Substrats Kristallgitter-Schäden in Form von so genannten Zwischergitterplatz-Defekten (Interstitials) (in 1 symbolisiert mittels einer dritten Kurve 107).
Wird nachfolgend ein Prozess bei einer Temperatur um 600°C bis 700°C durchgeführt, um ein Rekristallisieren eines Teilbereichs des zuvor amorphisierten Bereichs 103 im Rahmen eines Solid Phase Epitaxial Regrowth (SPER) zu ermöglichen, wird zwar ein Teil der Zwischengitterplatz-Defekte (Interstitials), jedoch nicht alle Zwischengitterplatz-Defekte (Interstitials) ausgeheilt. Es verbleiben vor allem in dem Grenzbereich an der Schnittstelle 108 zwischen dem amorphen Bereich 103 und dem kristallinen Bereich 106 so genannte Endbereichs-Zwischengitterplatz-Defekte 201 (End-of-Range-Defekte, EOR-Defekte) (vgl. zweites Diagramm 200 in 2).
Es ist darauf hinzuweisen, dass die Zwischengitterplatz-Defekte 201 eine Ursache für eine vorübergehende bzw. transient verstärkte Diffusion (Transient Enhanced Diffusion, TED) von Boratomen darstellen und ferner eine Ursache für ein unerwünschtes Deaktivieren der Boratome. Somit stellen die Deaktivierung der Boratome sowie die verursachte TED eine Folge von einem treibenden Mechanismus dar, nämlich einer Übersättigung von mittels Implantierung erzeugter Kristallgitter-Defekte.
Weiterhin ist anzumerken, dass die Zwischengitterplatz-Defekte 201 teilweise in Richtung der Hauptprozessierungs-Oberfläche des Substrats diffundieren und damit in Richtung des amorphen Bereichs 103 (vgl. vierte Kurve 301 in einem in 3 dargestellten dritten Diagramm 300).
Gemäß einem Aspekt der Erfindung ist es vorgesehen, dass, wie in 4 in einem vierten Diagramm 400 dargestellt ist, unterhalb des Bereichs, in welchen die Boratome, allgemein die Dotieratome, in das Substrat eingebracht sind, in dem kristallinen Bereich 106, gegebenenfalls unterhalb des amorphen Bereichs 103, wenn ein solcher vorgesehen ist, Mikro-Hohlräume 401 zu bilden. Die Mikro-Hohlräume 401 werden in der örtlichen Nähe der zu erwartenden, später gebildeten Zwischengitterplatz-Defekte 201 gebildet, wobei die Mikro-Hohlräume 401 so nahe bei den später gebildeten Zwischengitterplatz Defekten 201 erzeugt werden, dass sie als Senke für die später gebildeten Zwischengitterplatz-Defekte 201 dienen. Anders ausgedrückt werden die Zwischengitterplatz-Defekte 201 durch die Mikro-Hohlräume 401 aufgelöst, noch anders ausgedrückt eliminiert (dieser Vorgang ist in 4 in dem vierten Diagramm 400 durch Pfeile 402 symbolisiert). Dieser Prozess erfolgt temperaturunterstützt im Rahmen einer schnellen thermischen Aufheizung (Rapid Thermal Annealing, RTA). Damit wird ein sehr einfacher Standardmechanismus eingesetzt, um die unerwünschten Zwischengitterplatz-Defekte 201 zumindest teilweise zu eliminieren.
Ein Lasererhitzen oder Flash-Erhitzen ist somit gemäß diesem Aspekt der Erfindung nicht mehr erforderlich. Wenn gewünscht, kann ein Lasererhitzen oder Flash-Erhitzen in alternativen Ausführungsformen der Erfindung jedoch ebenfalls eingesetzt werden.
5 stellt in einem fünften Diagramm 500 symbolisch den Endzustand nach erfolgtem Eliminieren der Zwischengitterplatz-Defekte 201 dar, wobei angenommen wird, dass auch nach dem Eliminieren der Zwischengitterplatz-Defekte 201 noch Mikro-Hohlräume 401 in dem Substrat vorhanden sind.
6A zeigt einen Prozessschritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Gezeigt ist die Implantation von leichten Ionen bzw. Leicht-Ionen, in diesem Fall H₂ ⁺-Ionen 602, in ein Silizium-Substrat 601. Das Implantieren der Leicht-Ionen 602 erfolgt beispielhaft mit einer Implantations-Dosis Φ = 10¹⁶ cm^–2 und einer Implantations-Energie E = 38 keV. Durch die implantierten Leicht-Ionen 602 werden kovalente Silizium-Bindungen in dem Substrat 601 gebrochen und Mikro-Plättchen 603 gebildet, bevorzugt in einem schmalen Band 604, welches um das Konzentrations-Maximum, anschaulich die Reichweite (Projected Range) R_p, der Leicht-Ionen 602 zentriert ist. R_p und damit die Tiefe des Bandes 604 von Mikro-Plättchen 603 können durch Verändern der Parameter Dosis Φ und Energie E verändert werden. Die Parameter Dosis Φ und Energie E können so gewählt werden, dass die Mikro-Plättchen 203 unterhalb des Kanal-Bereichs 605 des zu bildenden Transistors gebildet werden.
Wie in 6A gezeigt, sind die Mikro-Plättchen 603 entlang einer zur Oberfläche 606 des Substrats 601 parallelen Ebene gestreckt. Im Falle eines (100)-Substrates, welches gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, können die Mikro-Plättchen 603 z. B. entlang der (100)-Ebene oder der (111)-Ebene gestreckt sein, wobei die Längen der einzelnen Mikro-Plättchen 603 um einen statistischen Mittelwert verteilt sind, was in 7 veranschaulicht wird.
7 zeigt eine Häufigkeitsverteilung 700 der Längen von Mikro-Plättchen 603 bzw. plättchenartigen Defekten, welche durch das Implantieren von H₂ ⁺-Ionen mit einer Implantationsdosis Φ = 1.3 × 10¹⁶ cm^–2 und einer Implantationsenergie E = 120 keV gebildet wurden. Aus der Häufigkeitsverteilung 700 ergibt sich eine mittlere Plättchenlänge von ungefähr 6.5 nm und eine Standardabweichung der Plättchenlänge von ungefähr 2.3 nm.
Wenn erforderlich, kann eine Hartmaske aus einer Oxid-Schicht und einer auf der Oxid-Schicht ausgebildeten Nitrid-Schicht verwendet werden, welche so strukturiert werden, dass die laterale Ausdehnung des Bereiches, in dem die Mikro-Plättchen 603 gebildet werden, auf die Fläche der zu bildenden hochdotierten, als ultra shallow junction ausgebildeten Source-/Drain-Bereiche beschränkt wird. Anders ausgedrückt wird durch die Hartmaske erreicht, dass unterhalb der Source/Drain-Bereiche des Feldeffekttransistors Mikro-Plättchen 603 gebildet werden. Die Maske kann eine ähnliche Größe wie die gewünschte laterale Ausdehnung der Source/Drain-Bereiche aufweisen.
6B zeigt einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine thermische Behandlung des Substrats 601 und der gebildeten Mikro-Plättchen 603, anders ausgedrückt ein auf das Substrat 601 und die gebildeten Mikro-Plättchen 603 angewandter Temperungs-Schritt bzw. Annealing-Schritt mit einer Temperatur T = 700°C und einer Zeitdauer von t = 60 min, d. h. mit einem niedrigen thermischen Budget.
Durch das Erhitzen kommt es zu einem Ausdiffundieren der implantierten H₂ ⁺-Ionen in Form von Wasserstoff-Molekülen (H₂-Moleküle), und aus den Mikro-Plättchen 603 wird ein Netzwerk bzw. ein Band von Mikro-Hohlräumen 620' bzw. Mikro-Kavitäten 620' gebildet. Die Temperatur T und die Zeitdauer t des in 6B gezeigten Annealing-Schrittes sind nur beispielhaft und können dahingehend optimiert werden, dass die Dichte und die Größe der gebildeten Mikro-Kavitäten 620' vorgegebene Schwellenwerte nicht überschreiten, so dass eine Delaminierung des Substrats 601 vermieden wird.
6C zeigt eine Querschnitts-Transmissions-Elektronen-Mikroskopie-Aufnahme (Cross-Sectional Transmission Electron Microscopy, XTEM) 650, in der die nach der ersten thermischen Behandlung gebildeten Mikro-Hohlräume 620' zu erkennen sind.
6D zeigt einen weiteren Prozessschritt des Verfahrens zur Herstellung eines Feldeffekttransistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gezeigt ist eine zweite thermische Behandlung, bei der das Substrat für eine Dauer von t = 1 s auf eine Temperatur von T = 1100°C erhitzt wird. Durch die zweite thermische Behandlung wird ein konservativer Reifungsprozess der in dem Substrat 601 gebildeten Mikro-Hohlräume 620' eingeleitet, in dessen Verlauf aus den vielen relativ kleinen Mikro-Hohlräumen 620' wenige große Mikro-Hohlräume 620 gebildet werden.
6E zeigt eine XTEM-Aufnahme 660 der nach der zweiten thermischen Behandlung gebildeten großen Mikro-Hohlräume 620. Die großen Mikro-Hohlräume 620 weisen eine Größe auf derart, dass sie ein Volumen einschließen in einer ersten Dimension von zwischen 5 nm und 100 nm, beispielsweise von zwischen 10 nm und 100 nm, in einer zweiten Dimension von zwischen 20 nm und 100 nm und in einer dritten Dimension von zwischen 10 nm und 200 nm, beispielsweise von zwischen 50 nm und 100 nm.
8A zeigt in einer ersten Struktur 800 das Substrat 601 mit den Mikro-Plättchen 603, wobei vor dem Erzeugen der Mikro-Plättchen 603 und damit vor dem Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 eine Gate-Struktur 801 gebildet wurde. Die H₂ ⁺-Ionen werden mit einer Implantationsdosis Φ = 2 × 10¹⁶ cm^–2 und mit einer Implantationsenergie E = 20 keV implantiert, alternativ mit einer Implantationsdosis Φ = 1.3 × 10¹⁶ cm^–2 und einer Implantationsenergie E = 120 keV. Die Gate-Struktur 801 wird auf an sich bekannte Weise gebildet, indem die Hauptprozessierungs-Oberfläche 606 des Silizium-Substrats 601 oxidiert wird und darauf eine Polysilizium-Schicht aufgebracht wird. Mittels-Strukturierens der Polysilizium-Schicht und der Siliziumoxid-Schicht wird die Gate-Struktur 801 mit einem Gate-Oxid und der Gate-Elektrode aus Polysilizium gebildet. Der unterhalb der Gate-Struktur 801 sich befindende Bereich bleibt auch nach dem Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 von diesen frei, da die Gate-Struktur 801 als Maske im Rahmen des Implantierens der H₂ ⁺-Ionen 602 dient. Nach dem Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 wird auf das Substrat 601 mit der Gate-Struktur 801 das oben beschriebene Verfahren zum Bilden der Mikro-Hohlräume 620 angewendet, so dass die in 8B dargestellte Struktur 810 entsteht.
Die in 8B gezeigte Struktur 810 wird in ihrem Oberflächenbereich bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 nm bis 200 nm, beispielsweise bis zu einer Tiefe von ungefähr 100 nm amorphisiert unter Einbringen von Germanium-Ionen Ge⁺ 821 (vgl. Struktur 820 in 8C), so dass das (100)-Silizium-Substrat 601, welches ursprünglich einkristallin ist, nunmehr einen kristallinen Bereich 822 und einen amorphen Bereich 823 aufweist, welcher sich ungefähr bis zu den Mikro-Hohlräumen 620 erstreckt, wobei ein ungefährer Abstand zwischen den Mikro-Hohlräumen 620 und der unteren Grenze des amorphen Bereichs 823 in Tiefenrichtung des Substrats 601 10 nm bis 20 nm beträgt. Alternativ kann auch ein (111)-Silizium-Substrat verwendet werden. Die Germanium-Ionen 821 werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung mit einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁵ cm^–2 und einer Implantationsenergie E = 120 keV implantiert.
Nachfolgend werden unter Verwendung der Gate-Struktur 801 als Maske ein Source-Bereich 831 und ein Drain-Bereich 832 mittels Implantierens von Boratomen 833 in den amorphen Bereich 823 neben der Gate-Struktur 801 gebildet. Damit ist ein Feldeffekttransistor 830 (vgl. 8D) fertiggestellt, welcher gegenüber dem Stand der Technik weniger Zwischengitterplatz-Defekte 201 aufweist. Damit ist die TED von Boratomen in dem gebildeten Feldeffekttransistor 830 ebenfalls gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
Somit wird gemäß dem in den 8A bis 8D dargestellten Prozess das Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 und das Erhitzen der Mikro-Plättchen 603 zum Bilden der Mikro-Hohlräume 620 vor dem Voramorphisieren des Substrats 601 durchgeführt.
9A bis 9D zeigen einen Prozess gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel der Erfindung von dem in den 8A bis 8D dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung darin unterscheidet, dass die Gate-Struktur 801 erst nach dem Bilden der Mikro-Hohlräume 620 gebildet wird, wobei jedoch die einzelnen Verfahrensschritte selbst identisch sind mit dem in den 8A bis 8D dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung, weshalb auf eine erneute Beschreibung dieser Schritte im Detail verzichtet wird.
Wie in 9A dargestellt ist, werden in das Substrat 601 H₂ ⁺-Ionen 602 implantiert, wodurch die Mikro-Plättchen 603 gebildet werden. Da beim Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 in diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung noch keine Gate-Struktur 801 vorhanden ist, bildet sich eine durchgängige Struktur von Mikro-Plättchen 603 in dem Substrat 601 aus (vgl. Struktur 900 in 9A).
Gemäß der oben beschriebenen Weise werden aus den Mikro-Plättchen 603 die Mikro-Hohlräume 620 bzw. die bandförmige Struktur der Mikro-Hohlräume 620 gebildet (vgl. Struktur 910 in 9B).
Danach wird die Gate-Struktur 801 gebildet, beispielsweise auf die im Zusammenhang mit 8A dargelegte Weise. Anschließend erfolgt das Voramorphisieren des Substrats 601 (vgl. Struktur 920 in 9C).
Nachfolgend werden unter Verwendung der Gate-Struktur 801 als Maske wiederum ein Source-Bereich 831 und ein Drain-Bereich 832 mittels Implantierens von Boratomen 833 in den amorphen Bereich 823 neben der Gate-Struktur 801 gebildet. Damit ist ein Feldeffekttransistor 930 (vgl. 9D) fertiggestellt, welcher gegenüber dem Stand der Technik weniger Zwischengitterplatz-Defekte 201 aufweist. Damit ist die TED von Boratomen in dem gebildeten Feldeffekttransistor 930 ebenfalls gegenüber dem Stand der Technik reduziert.
Somit wird gemäß dem in den 9A bis 9D dargestellten Prozess das Implantieren der H₂ ⁺-Ionen 602 und das Erhitzen der Mikro-Plättchen 603 zum Bilden der Mikro-Hohlräume 620 vor der Gate-Oxidation durchgeführt.
Zusammenfassend ist auf folgende Aspekte der Erfindung hinzuweisen:

• Es sind Prozessfolgen angegeben, welche auf sehr einfache Weise in einen üblichen CMOS-Prozess integriert werden können.
• Es wird kein negativer Effekt hinsichtlich der Leistungsfähigkeit des gebildeten Halbleiterelements, beispielsweise des gebildeten Feldeffekttransistors erzeugt, da die gebildeten Mikro-Hohlräume in einem ausreichend großen Abstand zu den p⁺/n-Übergängen der Ultra-Shallow Junctions liegen.
• Die TED und die Deaktivierung der Dotieratome werden erheblich reduziert als direkte Folge der Reduktion der EOR-Defekte.
• Ultra-schnelle thermische Prozesse wie beispielsweise Lasererhitzen oder Flash-Erhitzen können bei einer Temperatur von weniger als 1300°C durchgeführt werden, womit dielektrische Degradationsprobleme vermieden werden.
• Weiterhin kann ein schnelles thermisches Aufheizen (Rapid Thermal Annealing, RTA) verwendet werden anstelle eines Lasererhitzens oder Flash-Erhitzens.

Ein Aspekt der Erfindung kann darin gesehen werden, dass in einem herkömmlichen CMOS-Prozess eine hohe Implantationsdosis von Leicht-Ionen (H₂ ⁺-Ionen, He⁺-Ionen oder F⁺-Ionen) integriert werden, welche Leicht-Ionen Mikro-Hohlräume in einem Bereich, in dem EOR-Defekte gebildet werden, bilden.
Diese Mikro-Hohlräume bleiben während eines Gate-Oxidationsprozesses stabil und werden beispielsweise einem konkurrierenden Reifungsprozess mit Zwischengitterplatz-artigen Defekten während des Hochtemperatur-Annealing-Prozesses (Laser- oder Flash-Annealing) unterzogen. Die Wahrscheinlichkeit des Eliminierens von Zwischengitterplatz-artigen Defekten (wie beispielsweise Versetzungsringen oder {113}-Defekten) hängt sowohl von der Dichte als auch von der Größe der Hohlräume ab. Je größer die Mikro-Hohlräume sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Versetzungsringe auflösen.
Die Konkurrenz zwischen Mikro-Hohlräumen und Zwischengitterplatz-artigen Defekten setzt beim Beginn des RTP-Annealing-Prozesses ein, wie beispielsweise in [4] und [5] an sich beschrieben ist. Da die Oberflächenenergie der Mikro-Hohlräume ungefähr äquivalent ist zu der Oberflächenenergie der Silizium-Oberfläche, sind die Versetzungsringe energetisch ungünstiger, und aus diesem Grund wird ein Fluss von Zwischengitterplatz-Defekten in Richtung des Mikro-Hohlraum-Bereichs einsetzen.
Zusammengefasst kann ein Aspekt der Erfindung darin gesehen werden, dass mit Hilfe des Verfahrens die Silizium-Oberfläche näher an die EOR-Defekte herangebracht wird.
Unter der Voraussetzung, dass die Mikro-Hohlräume von den p⁺/n-Übergängen ausreichend ferngehalten werden, wird kein negativer Effekt des Verfahrens auf die Leistungsfähigkeit des Halbleiterelements verursacht.
Es werden nur geringfügige Modifikationen in dem Prozess-Fluss eines herkömmlichen CMOS-Prozesses benötigt. Um die Mikro-Hohlraum-Schicht von dem Übergang fernzuhalten, sollte die Energie des Voramorphisierungs-Implantats geringfügig erhöht werden.
Ein weiterer Vorteil des Verfahrens ist, dass die Spitzen-Erhitzungs-Temperatur des ultra-schnellen thermischen Prozesses erheblich unter 1300°C reduziert werden kann.
Einer der Gründe zum Verwenden von extrem hohen Temperaturen ist es, TED zu reduzieren und den Dotierstoff-Aktivierungs-Grad zu erhöhen.
Wie bereits erläutert werden durch das Erzeugen einer Senke für Zwischengitterplatz-Defekte sowohl TED als auch Dotierstoff-Deaktivierung reduziert oder eliminiert, und aus diesem Grund werden Hochtemperatur-Prozesse nicht länger benötigt. Dies bietet eine Vielzahl von Möglichkeiten zum Auswählen des geeignetsten RTP-Verfahrens.
In diesem Dokument sind folgende Veröffentlichungen zitiert:
[1] L. F. Giles et. al., Transient enhanced diffusion of B at low tempertures under extrinsic conditions, Solid State Electronics, Nr. 49, Seiten 618 bis 627, 2005;
[2] B. Colombeau et. al., Electrical Deactivation and Diffusion of Boron in Preamorphized Ultrashallow Junctions: Interstitial Transport and F co-implant Control, Proc. IEDM 2004, Seiten 971 bis 974, 2004;
[3] G. Mannino et. al., Electrical activation of B in the presence of boron-interstitials clusters, Applied Physics Letters, Volume 79, Nr. 23, Seiten 3764 bis 3766, Dezember 2001;
[4] L. F. Giles et. al., Coarsening of End-of-Range defects in ion-implanted silicon annealed in neutral and oxidizing ambients, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Nr. 148, Seiten 273 bis 278, 1999;
[5] F. Cristiano, L. F. Giles et. al., Formation energies and relative stability of perfect and faulted dislocation loops in silicon, Journal of Applied Physics, Volume 87, Nr. 12, Seiten 8420 bis 8428, Juni 2000;
[6] B. Colombeau et. al., Depth dependence of defect evolution and TED during annealing, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B, Nr. 216, Seiten 90 bis 94, 2004;
[7] US 5,374,564 A
[8] EP 1 365 447 A2 ;
[9] US 2005/0176222 A1
Bezugszeichenliste

100: erstes Diagramm
101: Ordinate
102: Abszisse
103: amorpher Bereich Substrat
104: erste Kurve
105: zweite Kurve
106: kristalliner Bereich Substrat
107: dritte Kurve
108: Schnittstelle
200: zweites Diagramm
201: Zwischengitterplatz-Defekt
300: drittes Diagramm
301: vierte Kurve
400: viertes Diagramm
401: Mikro-Hohlraum
402: Pfeil
500: fünftes Diagramm
601: Substrat
602: Leicht-Ion
603: Mikro-Plättchen
604: Band
605: Kanal-Bereich
620': Mikro-Hohlraum
700: Häufigkeitsverteilung
800: erste Struktur
801: Gate-Struktur
810: Struktur
820: Struktur
821: Germanium-Ion
822: kristalliner Bereich Substrat
823: amorpher Bereich Substrat
900: Struktur
910: Struktur
920: Struktur
930: Feldeffekttransistor

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterelements in einem Substrat, • wobei in dem Substrat Mikro-Hohlräume gebildet werden, • wobei Voramorphisierungs-Ionen in das Substrat implantiert werden, womit ein Teilbereich des Substrats voramorphisiert wird und in dem Substrat Kristalldefekte erzeugt werden, • wobei Dotieratome in den voramorphisierten Teilbereich des Substrats implantiert werden, • wobei das Substrat erhitzt wird, so dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte unter Verwendung der Mikro-Hohlräume eliminiert wird, und • wobei unter Verwendung der Dotieratome mindestens ein flacher Anschluss des Halbleiterelements in dem voramorphisierten Teilbereich des Substrats gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, • wobei in dem Substrat Mikro-Plättchen gebildet werden, und • wobei aus den Mikro-Plättchen die Mikro-Hohlräume gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei Leicht-Ionen in das Substrat implantiert werden, so dass in dem Substrat die Mikro-Hohlräume gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei Leicht-Ionen in das Substrat implantiert werden, so dass in dem Substrat die Mikro-Plättchen gebildet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 oder 4, wobei als Leicht-Ionen • H2⁺-Ionen und/oder • He⁺-Ionen und/oder • F⁺-Ionen und/oder • Ne⁺-Ionen und/oder • Cl⁺-Ionen und/oder • Ar⁺-Ionen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei die Leicht-Ionen mit einer Implantations-Dosis zwischen 10¹⁵ cm^–2 und 10¹⁸ cm^–2 implantiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 3 bis 6, wobei die Leicht-Ionen derart implantiert werden, dass sie während des Implantierens eine Energie zwischen 10 keV und 150 keV aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 7, wobei das Substrat mit den Mikro-Plättchen einer ersten thermischen Behandlung unterzogen wird, so dass die Mikro-Hohlräume gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 8, wobei das Substrat im Rahmen der ersten thermischen Behandlung auf eine Temperatur zwischen 600°C und 800°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei das Substrat im Rahmen der ersten thermischen Behandlung für eine Dauer zwischen 10 Minuten und 2 Stunden erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei das Substrat nach der ersten thermischen Behandlung einer zweiten thermischen Behandlung unterzogen wird, so dass die Mikro-Hohlräume im Rahmen eines Reifungsprozesses gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 11, wobei das Substrat im Rahmen der zweiten thermischen Behandlung auf eine Temperatur zwischen 1000°C und 1300°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 12, wobei das Substrat im Rahmen der zweiten thermischen Behandlung für eine Dauer zwischen 1 Mikrosekunde und 1 Sekunde erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das Implantieren der Voramorphisierungs-Ionen in das Substrat nach der Bildung der Mikro-Hohlräume erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei als Voramorphisierungs-Ionen Germanium-Ionen oder Silizium-Ionen verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei als Dotieratome Boratome, Phosphoratome oder Arsenatome in das Substrat implantiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Boratome in das Substrat implantiert werden, • indem elementares Bor in das Substrat eingebracht wird, oder • indem Bor-Fluorid in das Substrat eingebracht wird, oder • indem Bor-Cluster in das Substrat eingebracht werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17, wobei als Halbleiterelement ein Transistor gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 18, wobei als Halbleiterelement ein Feldeffekttransistor gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei zumindest ein Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich oder einen Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 20, • wobei ein erster Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich bildet, und • wobei ein zweiter Bereich, in dem die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei als Substrat ein Silizium-Substrat verwendet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 22, wobei als Substrat ein (100)-Silizium-Substrat oder ein (111)-Silizium-Substrat verwendet wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 19 bis 23, wobei nach der Bildung der Mikro-Hohlräume der Gate-Isolator des Feldeffekttransistors gebildet wird.
Halbleiterelement, • mit einem Substrat, welches als Silizium-Substrat ausgebildet ist; • mit mindestens einem flachen Anschluss in dem Substrat, wobei der mindestens eine flache Anschluss in einem amorphen Bereich des Substrats angeordnet ist; • mit Dotieratomen in dem flachen Anschluss, • mit Mikro-Hohlräumen in dem Substrat unterhalb des mindestens einen flachen Anschlusses.
Halbleiterelement gemäß Anspruch 25, eingerichtet als Transistor.
Halbleiterelement gemäß Anspruch 26, eingerichtet als Feldeffekttransistor.
Halbleiterelement gemäß Anspruch 27, wobei der mindestens eine flache Anschluss den Source-Bereich oder den Drain-Bereich des Feldeffekttransistors bildet.
Halbleiterelement gemäß einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Dotieratome Boratome sind.