DE102007058455A1

DE102007058455A1 - Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements und Halbleiter-Element

Info

Publication number: DE102007058455A1
Application number: DE102007058455A
Authority: DE
Inventors: Luis-Felipe Dr. Giles
Original assignee: Infineon Technologies AG
Current assignee: Infineon Technologies AG
Priority date: 2006-12-22
Filing date: 2007-12-05
Publication date: 2008-06-26
Anticipated expiration: 2027-12-06
Also published as: US7887634B2; US20080149929A1; DE102007058455B4

Abstract

Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements in einem Substrat wird eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten in dem Substrat gebildet. Implantations-Ionen werden in das Substrat implantiert, wodurch Kristalleffekte in dem Substrat gebildet werden. Das Substrat wird erhitzt, derart, dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte mittels der Carbid-Präzipitate eliminiert wird. Das Halbleiter-Element wird unter Verwendung der Implantations-Ionen gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements und ein Halbleiter-Element.
Gemäß dem internationalen Technologie-Fahrplan für Halbleiter (International Technology Roadmap for Semiconductors, ITRS) werden 7-nm-tiefe ultra-flache Übergänge (junctions) mit Schichtwiderständen (sheet resistances) von weniger als 1000 Ω/⎕ (Ohm pro Square) benötigt für den 45-nm-Technologie-Knoten und darüber hinaus. Derzeitige Techniken zum Erreichen dieser flachen Übergänge sehen das Implantieren von nieder-energetischem Bor (oder Bor-Fluorid, BF₂) als Dotierstoff in Germanium-(Ge)-voramorphisierte Silizium-Schichten vor. Um den durch die Implantation verursachten Schaden auszuheilen und die Dotierstoffe zu aktivieren, wird üblicherweise anschließend ein Hochtemperatur-Temper-Schritt (T ≥ 1300°C) unter Verwendung ultra-schneller Techniken wie zum Beispiel Laser-Tempern (laser annealing) oder Flash-Tempern (flash annealing) durchgeführt. Diese Verfahren verursachen üblicherweise eine Dotierstoff-Deaktivierung während nachfolgender Niedertemperatur-Prozesse, sowie eine vorübergehend (transient) verstärkte Diffusion (Transient Enhanced Diffusion, TED).
Es ist mittlerweile weithin akzeptiert, dass sowohl die Dotierstoff-Deaktivierung als auch die TED durch eine durch den Implantations-Prozess selbst erzeugte Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-(I)-Übersättigung verursacht wird.
Im Rahmen dieser Anmeldung bezeichnet der Ausdruck "Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt" (self-interstitial) eine bestimmte Art eines eindimensionalen Punktdefekts (Punkt-Gitterfehlers) in einem Kristallgitter. Speziell wird unter einem "Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt" ein Atom verstanden, welches sich an einer Position zwischen regulären Gitter-Atomen, d. h. auf einem Zwischengitterplatz (interstice), befindet. Die Bezeichnung "Selbst" deutet an, dass das Zwischengitterplatz-Atom von derselben Sorte ist wie die normalen Gitter-Atome. Zum Beispiel wird im Falle eines Silizium-Substrats unter einem Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt (self-interstitial) ein Silizium-Atom verstanden, welches auf einem Zwischengitterplatz sitzt. In der nachfolgenden Beschreibung werden die Ausdrücke "Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt", "Zwischengitterplatz-Defekt" und "zwischengitterplatzartiger Defekt" synonym verwendet.
Es ist weithin akzeptiert, dass die Dotierstoff-Deaktivierung (zum Beispiel die Bor-Deaktivierung) bei niedrigen Temperaturen aufgrund der Bildung unbeweglicher Dotierstoff-Zwischengitterplatz-Defekt-Cluster (z. B. Bor-Zwischengitterplatz-Defekt-Cluster) auftritt. Die für die Bildung von Dotierstoff-Zwischengitterplatz-Defekt-Clustern erforderliche Quelle von Zwischengitterplatz-Defekten ist in den Endbereichs-Schäden (EOR-Schäden, EOR: End of Range) zu sehen, welche in der Nähe der ursprünglichen Grenzfläche zwischen dem amorphen Bereich und dem kristallinen Bereich des Silizium-Substrats (welche Grenzfläche auch als amorph/kristallin-Silizium-Grenzfläche bezeichnet wird) lokalisiert sind. Aus diesem Grund werden diese zwischengitterplatzartigen Defekte auch als EOR-Defekte bezeichnet.
Eine Möglichkeit, beide oben genannten Phänomene (d. h. die TED und die Dotierstoff-Deaktivierung) zu eliminieren, besteht darin, die Quelle von Zwischengitterplatz-Defekten vollständig zu unterdrücken.
Herkömmliche Verfahren zum Reduzieren der TED und der Dotierstoff-Deaktivierung beinhalten das Verwenden von Cocktail-Implantaten (BF₂, C, F) in Verbindung mit einer Ge-Voramorphisierung. Da bekanntermaßen sowohl F (Fluor) als auch C (Kohlenstoff) mittels eines Zwischengitterplatz-Defekt-artigen Mechanismus diffundieren, kann die Kopplung von F (bzw. C) mit Zwischengitterplatz-Defekten dazu beitragen, die für die TED verantwortliche Gesamt-Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung zu reduzieren. Der Cocktail-Implantat-Ansatz ist jedoch nicht in der Lage, die TED vollständig zu unterdrücken, da er nicht vollständig den Ursprung des Problems unterdrückt, welcher in Wirklichkeit bei den überschüssigen Selbst-Zwischengitterplatz-Defekten, die sich an der ursprünglichen kristallin/amorph-Grenzfläche befinden, liegt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements in einem Substrat bereitgestellt. Bei dem Verfahren wird eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten in dem Substrat gebildet. Ferner werden Implantations-Ionen in das Substrat implantiert, wodurch Kristalldefekte in dem Substrat gebildet werden. Das Substrat wird erhitzt, derart, dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte mittels der Carbid-Präzipitate eliminiert wird. Das Halbleiter-Element wird unter Verwendung der Implantations-Ionen gebildet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Halbleiter-Element bereitgestellt. Das Halbleiter-Element weist auf ein Substrat, mindestens einen in dem Substrat ausgebildeten flachen Übergang, Dotieratome in dem flachen Übergang, sowie eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten, welche in dem Substrat unterhalb des mindestens einen flachen Übergangs ausgebildet sind.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Substrat Silizium auf. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das Substrat ein Silizium-Substrat, z. B. ein (100)-Silizium-Substrat oder ein (111)-Silizium-Substrat.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Substrat ein einkristallines Substrat.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist mindestens eines der Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten eine Länge von ungefähr zwischen 4 nm und 120 nm auf, z. B. 10 nm, eine Breite von ungefähr zwischen 4 nm und 120 nm, z. B. 10 nm, sowie eine Höhe von ungefähr zwischen 4 nm und 120 nm, z. B. 10 nm.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist mindestens eines der Carbid-Präzipitate eine näherungsweise kugelförmige Form auf mit einem Radius von beispielsweise zwischen ungefähr 2 nm und 60 nm.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten derart gebildet, dass sie ein Band (bzw. einen Streifen) aus Carbid-Präzipitaten bilden, wobei die Carbid-Präzipitate voneinander getrennt sind.
Die Band-Struktur (bzw. Streifen-Struktur) kann beispielsweise mittels eines konservativen Reifungsprozesses (conservative ripening) erreicht werden, bei dem aus einer großen Anzahl von kleinen Präzipitaten eine geringere Anzahl von größeren Präzipitaten gebildet wird, dadurch, dass anschaulich zwei oder mehr kleine Präzipitate zu einem größeren Präzipitat "verschmelzen". Der Reifungsprozess kann z. B. mittels einer thermischen Behandlung bzw. eines Temperns, z. B. mit einem niedrigen thermischen Budget, angeregt werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung weist das Band von Präzipitaten eine Dicke, mit anderen Worten eine Ausdehnung in Richtung der Oberflächen-Normalen, von ungefähr zwischen 20 nm und 200 nm auf, beispielsweise ungefähr 100 nm. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Präzipitate in der Band-Struktur beispielsweise eine Größe von ungefähr 10 nm aufweisen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Kohlenstoff-Ionen, z. B. C⁺-Ionen in das Substrat implantiert, derart, dass die Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten in dem Substrat gebildet wird.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Kohlenstoff-Ionen mit einer Implantationsdosis von zwischen ungefähr 10¹⁴ cm^–2 und 10¹⁸ cm^–2, beispielsweise mit einer Implantationsdosis von ungefähr 10¹⁶ cm^–2, implantiert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Kohlenstoff-Ionen auf eine solche Weise implantiert, dass sie während der Implantation eine Energie von ungefähr zwischen 10 keV und 100 keV aufweisen, beispielsweise ungefähr 50 keV.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die beabsichtigte Reichweite (projected range) der implantierten Kohlenstoff-Ionen derart, dass die implantierten Kohlenstoff-Ionen einen Abstand von ungefähr zwischen 20 nm und 200 nm, beispielsweise ungefähr 100 nm, zu einem Aktivbereich des Halbleiter-Elements aufweisen. Mit anderen Worten ist das Konzentrationsmaximum (bzw. die Konzentrations-Spitze) der implantierten Kohlenstoff-Ionen ungefähr 20 nm bis 200 nm von dem Aktivbereich des Halbleiter-Elements entfernt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Substrat mit den implantierten Kohlenstoff-Ionen einer thermischen Behandlung unterzogen, mit anderen Worten einem Temper-Schritt bzw. Heiz-Schritt, derart, dass die Carbid-Präzipitate gebildet werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die thermische Behandlung unter Verwendung eines niedrigen thermischen Budgets erfolgen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Substrat während der thermischen Behandlung auf eine Temperatur von ungefähr zwischen 600°C und 1000°C, beispielsweise 900°C, erhitzt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Substrat während der thermischen Behandlung für eine Dauer von ungefähr zwischen 5 Minuten und 4 Stunden, beispielsweise 10 Minuten, erhitzt.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung sind die Implantations-Ionen, welche in das Substrat implantiert werden und durch welche die Kristalldefekte in dem Substrat gebildet werden, Voramorphisierungs-Ionen. Mit anderen Worten werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel Voramorphisierungs-Ionen in das Substrat implantiert, wodurch die Kristalldefekte in dem Substrat gebildet werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Substrat mittels der Voramorphisierungs-Ionen zumindest teilweise voramorphisiert. Zum Beispiel wird gemäß einem Ausführungsbeispiel ein Oberflächenbereich des Substrats voramorphisiert, gemäß einem Ausführungsbeispiel beispielsweise bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 nm bis 200 nm, beispielsweise 100 nm. Mit anderen Worten wird gemäß diesem Ausführungsbeispiel ein Oberflächenbereich des Substrats mit einer Dicke von ungefähr 50 nm bis 200 nm, z. B. 100 nm, amorphisiert, während ein Substrat-Bereich unterhalb des amorphisierten Bereichs kristallin bleibt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Germanium-Ionen (z. B. Ge⁺-Ionen) oder Silizium-Ionen (z. B. Si⁺-Ionen) als Voramorphisierungs-Ionen für die Voramorphisierung des Substrats verwendet.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Voramorphisierungs-Ionen (z. B. Ge⁺-Ionen) unter Verwendung einer Implantationsdosis von ungefähr zwischen 10¹⁴ cm^–2 und 10¹⁶ cm^–2, beispielsweise einer Implantationsdosis von ungefähr 10¹⁵ cm^–2, implantiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Voramorphisierungs-Ionen (z. B. Ge⁺-Ionen) auf eine solche Weise implantiert, dass sie während der Implantation eine Energie von ungefähr zwischen 10 keV und 100 keV, beispielsweise ungefähr 60 keV, aufweisen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Carbid-Präzipitate gebildet in der Nähe einer Grenzfläche zwischen einem kristallinen Bereich und einem durch die teilweise Voramorphisierung des Substrats gebildeten amorphen Bereich des Substrats, wobei die Grenzfläche auch als amorph/kristallin-Grenzfläche bezeichnet wird. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden die Carbid-Präzipitate in dem kristallinen Bereich unterhalb der Grenzfläche gebildet. Zum Beispiel beträgt der mittlere Abstand zwischen den Carbid-Präzipitaten (z. B. den SiC-Präzipitaten) und der amorph/kristallin-Grenzfläche gemäß einem Ausführungsbeispiel ungefähr 10 nm bis 20 nm. Mit anderen Worten verbleiben gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Carbid-Präzipitate ungefähr 10 nm bis 20 nm tiefer als die amorph/kristallin-Grenzfläche. In einem alternativen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der Carbid-Präzipitat-Bereich ungefähr 50 nm tiefer gebildet als die amorph/kristallin-Grenzfläche. Gemäß anderen Ausführungsbeispielen der Erfindung kann der Abstand zwischen den Carbid-Präzipitaten und der amorph/kristallin-Grenzfläche jedoch einen anderen Wert aufweisen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird das Substrat nach dem Bilden der Carbid-Präzipitate teilweise voramorphisiert. Mit anderen Worten werden gemäß diesem Ausführungsbeispiel die Carbid-Präzipitate vor einer Voramorphisierung des Substrats gebildet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Dotieratome in das Substrat implantiert. Anschaulich wird das Halbleiterelement gemäß diesem Ausführungsbeispiel unter Verwendung der Dotieratome gebildet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Bor-Atome, Phosphor-Atome oder Arsen-Atome als Dotieratome in das Substrat implantiert.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Bor-Atome in das Substrat implantiert mittels Einbringens von Bor-Ionen (z. B. B⁺-Ionen) in das Substrat oder mittels Einbringens von Bor-Fluorid-Ionen (z. B. BF₂ ⁺-Ionen) in das Substrat, oder mittels Einbringens von Bor-Clustern (z. B. B_xH_y ⁺) in das Substrat.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Dotieratome zumindest in einen Teilbereich des amorphen Bereichs des Substrats implantiert.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Dotieratome (z. B. die Bor-Ionen) auf eine solche Weise implantiert, dass sie während der Implantation eine Energie von ungefähr zwischen 0.1 keV und 2 keV, beispielsweise ungefähr 0.5 keV, aufweisen.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet mindestens ein Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen flachen Übergang (junction) des Halbleiter-Elements. Mit anderen Worten bildet gemäß diesem Ausführungsbeispiel mindestens ein Bereich des Substrats, welcher mittels Implantation von Dotierstoffatomen in diesen Bereich hinein dotiert wird, einen flachen Übergang des Halbleiter-Elements.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist mindestens ein flacher Übergang des Halbleiter-Elements als ein ultra-flacher Übergang ausgebildet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist das Halbleiter-Element ein Transistor, beispielsweise ein Feldeffekt-Transistor.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet mindestens ein Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich oder einen Drain-Bereich des Feldeffekt-Transistors.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet ein erster Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich des Feldeffekt-Transistors, und ein zweiter Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Drain-Bereich des Feldeffekt-Transistors.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die Carbid-Präzipitate vor dem Bilden eines Gate-Isolators des Feldeffekt-Transistors gebildet. Mit anderen Worten kann der Gate-Isolator des Feldeffekt-Transistors nach dem Bilden der Carbid-Präzipitate gebildet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden Silizium-Carbid-Präzipitate aus Kohlenstoff-Atomen gebildet, welche in ein Silizium-Substrat implantiert worden sind. Bei niedrigen Konzentrationen werden Kohlenstoff-Atome durch Substitution (Austausch) in das Kristallgitter eines Silizium-Substrats eingebaut (inkorporiert). Da der Atomradius von Kohlenstoff deutlich kleiner ist als der Atomradius von Silizium (0.77 Å (Angström) verglichen mit 1.17 Å), wird das Kristallgitter lokal (d. h., in der Nähe des substitutionellen Kohlenstoff-Atoms) gestört bzw. deformiert. Die Feststoff-Löslichkeit (solid solubility) C_s von Kohlenstoff in Silizium wurde experimentell mittels Infrarot (IR) Spektroskopie gemessen als ungefähr Cs = 3.9 × 1024 exp (–2.3 eV/(kBT))cm–3, (1)wobei in Gl. (1) T die Temperatur (in Kelvin) bezeichnet, k_B die Bolzmann-Konstante ist und e die elektrische Ladung des Elektrons bezeichnet.
Gemäß Gl. (1) liegt beispielsweise für eine Temperatur von 900°C die Löslichkeit von Kohlenstoff in Silizium in der Größenordnung von 10¹⁵ cm^–3. Mit anderen Worten können bei dieser Temperatur ungefähr 10¹⁵ Kohlenstoff-Atome pro Kubikzentimeter durch Substitution (Austausch) in das Silizium-Kristallgitter eingebaut werden. Noch anders ausgedrückt können ungefähr 10¹⁵ Silizium-Atome pro Kubikzentimeter durch Kohlenstoff-Atome ersetzt werden.
Oberhalb der Löslichkeitsgrenze C_s kondensiert (präzipitiert) Kohlenstoff hauptsächlich in einer SiC-Phase. Die Hauptvoraussetzungen für eine SiC-Kondensation (Präzipitation) sind eine hohe Kohlenstoff-Konzentration und eine hohe Konzentration an Zwischengitterplatz-Defekten.
Bedingt durch den geringeren Atomradius von C verglichen mit dem von Silizium verursacht die Kondensation von SiC eine Kontraktion der Struktur um einen Faktor Zwei. Mit anderen Worten resultiert eine lokale Volumenreduktion um einen Faktor Zwei aus der SiC-Präzipitat-Bildung. Diese Volumenänderung kann entweder elastisch (i. e. mittels elastischer Deformierung der Kristallstruktur) oder mittels Einfangens und Emission von Punktdefekten aufgenommen werden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird der mindestens eine flache Übergang innerhalb eines amorphen Bereichs des Substrats gebildet.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung bildet der mindestens eine flache Übergang den Source-Bereich des Feldeffekt-Transistors oder den Drain-Bereich des Feldeffekt-Transistors.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine Schicht mit einer hohen Dichte an Silizium-Carbid (SiC)-Präzipitaten nahe einer amorph/kristallin-Grenzfläche innerhalb eines Substrats eines Halbleiter-Elements gebildet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung nukleieren SiC-Präzipitate in einem oder mehreren Bereichen eines Halbleiter-Elements (z. B. eines Halbleiter-Devices, beispielsweise eines Feldeffekt-Transistors), in welchem Bereich oder in welchen Bereichen eine hohe Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Population mit einer hohen Kohlenstoff-Konzentration koexistiert. Da auf eine SiC-Präzipitation in Silizium eine lokale Volumenkontraktion folgt, wird die Volumenänderung im Allgemeinen mittels Emission oder Absorption von Punktdefekten aufgenommen. Tatsächlich injiziert ein SiC-Präzipitat entweder Leerstellen oder absorbiert Selbst-Zwischengitterplatz-Defekte in die umgebende Matrix, was das SiC-Präzipitat zu einer perfekten Senke für überschüssige Zwischengitterplatz-Defekte macht, welche sich an bzw. in der Nähe der amorph/kristallin-Grenzfläche befinden.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine tiefe Kohlenstoff-Implantation in einen herkömmlichen CMOS-Prozess (CMOS: Complementary Metal Oxide Semiconductor) integriert, wobei die tiefe Kohlenstoff-Implantation dazu verwendet wird, eine SiC-Präzipitat-Schicht zu erzeugen, welche sich in der Nähe eines Endbereichs-(EOR)-Bereichs befindet. Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden, im Gegensatz zu einem herkömmlichen Cocktail-Implantations-Ansatz, die Kohlenstoff-Ionen vor dem Ge-Voramorphisierungs-Schritt mit einer sehr hohen Dosis (beispielsweise ungefähr 10¹⁶ cm^–2) und einer hohen Energie (beispielsweise ungefähr 50 keV) implantiert. Um den Implantationsschaden vollständig auszuheilen und den SiC-Keimbildungsprozess zu verstärken, kann ferner eine thermische Behandlung durchgeführt werden (z. B. bei einer Temperatur von beispielsweise T = 900°C, und für eine Dauer von beispielsweise ungefähr 10 Minuten), bevor die Ge-Voramorphisierung durchgeführt wird.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Ge-Voramorphisierungs-Prozess feineingestellt (bzw. optimiert) werden, um zu erreichen, dass der SiC-Präzipitat-Bereich, beispielsweise, ungefähr 50 nm tiefer bleibt als die amorph/kristallin-Grenzfläche (α/Si-Grenzfläche). Auf diese Weise kann der SiC-Präzipitat-Bereich relativ nahe an dem Bereich mit der hohen Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung gebildet werden, aber gleichzeitig nicht nahe genug an der α/Si-Grenzfläche, um einen Prozess des epitaktischen Festphasen-Wiederwachstums (Solid Phase Epitaxial Regrowth, SPER) zu beeinträchtigen. Wie vorhergehend angedeutet kann der SiC-Präzipitat-Bereich (z. B. das SiC-Präzipitat-Band) als eine effektive Senke für Zwischengitterplatz-Defekte wirken, wodurch die Gesamt- Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung drastisch reduziert wird. Die SiC-Präzipitate können weit genug weg von dem p+/n-Übergang gebildet werden, so dass keine schädliche Auswirkung des Verfahrens auf das Device-Verhalten zu erwarten ist.
Bei einem Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung sind nur geringfügige Modifikationen des Prozessflusses eines herkömmlichen CMOS-Prozesses erforderlich. Mit anderen Worten kann das Verfahren in einfacher Weise in den CMOS-Prozessfluss integriert werden. Dass das SiC-Präzipitat-Band tiefer als der p+/n-Übergang gebildet wird, kann zum Beispiel mittels Erhöhens der Energie der Voramorphisierungs-Implantate erreicht werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das SiC-Präzipitat-Band mit in die P-LDD-Konstruktion (LDD: Lightly Doped Drain) integriert werden. In diesem Fall ist kein zusätzlicher Prozessschritt erforderlich. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel kann das SiC-Präzipitat-Band mit in den Gate-Oxidations-Prozess integriert werden. In diesem Fall kann die Gate-Oxid-Unversehrtheit (Gate-Oxid-Integrität) aufrechterhalten werden.
Gemäß einer anderen beispielhaften Ausgestaltung der Erfindung können dadurch, dass die Quelle von Zwischengitterplatz-Defekten, welche für eine transient verstärkte Diffusion (TED) verantwortlich sind, eliminiert wird, vorteilhafterweise herkömmliche schnelle thermische Prozessierungs-Verfahren (Rapid Thermal Processing, RTP) für eine thermische Behandlung verwendet werden anstelle von teuren und unzuverlässigen ultra-schnellen thermischen Prozessen (wie z. B. Laser-Erhitzen oder Flash-Erhitzen). Zum Beispiel bleiben die SiC-Präzipitate sogar nach den Hochtemperatur-RTP-Prozessen stabil.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung werden die TED und Bor-Deaktivierung während der Herstellung eines Halbleiter-Elements drastisch reduziert oder sogar vollständig unterdrückt als eine Folge der Rekombination von Zwischengitterplatz-Defekten zu einem Band aus Carbid-Präzipitaten (z. B. SiC-Präzipitaten).
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements bereitgestellt, welches Verfahren vollständig kompatibel mit gegenwärtigen Bulk-Silizium-CMOS-Technologien ist.
In der nachfolgenden Beschreibung werden verschiedene Ausgestaltungen der Erfindung unter Bezug auf die nachfolgenden Zeichnungen beschrieben. In den Figuren bezeichnen ähnliche oder identische Bezugszeichen im Allgemeinen dieselben Elemente in den unterschiedlichen Ansichten. Die Zeichnungen sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu. Der Schwerpunkt ist stattdessen im Allgemeinen darauf gelegt, die Prinzipien der Erfindung zu veranschaulichen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 ein Diagramm, das eine herkömmliche Voramorphisierung eines Substrats veranschaulicht;
2 ein Diagramm, das ein herkömmliches Tempern des in 1 gezeigten voramorphisierten Substrats sowie die Bildung von Zwischengitterplatz-Defekten als eine Folge des Temperns veranschaulicht;
3 ein Diagramm, das einen üblichen Fluss von gemäß 2 erzeugten Zwischengitterplatz-Defekten hin zu einem mit Dotierstoffatomen dotierten Bereich veranschaulicht;
4 bis 6 verschiedene Diagramme, welche Funktionsprinzipen gemäß bestimmter Ausführungsbeispiele der Erfindung veranschaulichen;
7A bis 7D verschiedene Prozessschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiter-Elements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
8A bis 8C verschiedene Prozessschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiter-Elements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
9C bis 9C verschiedene Prozessschritte eines Verfahrens zum Herstellen eines Halbleiter-Elements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung;
10 ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
1 zeigt in einem ersten Diagramm 100 eine Ionen-Konzentration (in logarithmischer Darstellung (log₁₀)) in einem Silizium-Substrat, aufgetragen entlang der Ordinate 101 des Diagramms 100, wobei die Ionen-Konzentration abhängt von der Tiefe in das Substrat hinein, welche entlang der Abszisse 102 des Diagramms 100 aufgetragen, und wobei die Hauptprozessierungs-Oberfläche des Substrats durch eine gerade Linie, welche mit der Ordinate 101 des Diagramms 100 zusammenfällt, dargestellt ist.
In dem Diagramm 100 ist angenommen, dass ein Oberflächen-Bereich 103 (α-Si) des Substrats unter Verwendung von Germanium-Ionen (Ge⁺) als Implantations-Ionen voramorphisiert worden ist (in dem Diagramm 100 ist ein Konzentrationsprofil der implantierten Germanium-Atome durch eine erste Kurve 104 dargestellt).
Es ist ferner angenommen, dass nach dem Durchführen der Voramorphisierung Bor-Atome (B-Atome) in das Substrat implantiert worden sind, z. B. mittels Einbringens von Bor-Ionen (z. B. B⁺-Ionen) oder mittels Einbringens von Bor-Fluorid-Ionen (BF₂ ⁺) in das Substrat (in dem Diagramm 100 ist ein Konzentrationsprofil der Bor-Atome durch eine zweite Kurve 105 dargestellt). Aus 1 ist ersichtlich, dass die Ge⁺-Ionen-Implantation in das Substrat derart durchgeführt worden ist, dass nach der Implantation sowohl der amorphisierte Bereich 103 als auch der kristalline Bereich 106 des Substrats Germanium enthalten (vgl. Ge-Konzentrations-Kurve 104). Während der Implantation der Ge⁺-Ionen in den kristallinen Bereich 106 des Substrats werden Kristallgitter-Schäden (auch als Kristallgitter-Defekte bezeichnet) erzeugt. Somit werden, unter anderem, zwischengitterplatzartige Defekte bzw. Zwischengitterplatz-Defekte (Interstitials) (symbolisiert mittels einer dritten Kurve 107 in 1) innerhalb des kristallinen Bereichs 106 des Substrats als eine Folge der Implantation von Germanium-Ionen gebildet.
Falls anschließend ein Temperungs-Prozess bei einer Temperatur von ungefähr 600°C bis 700°C durchgeführt wird, um ein Rekristallisieren eines Teilbereichs des Bereichs 103, welcher zuvor amorphisiert wurde, während eines epitaktischen Festphasen-Wiederwachstums-Prozesses (Solid Phase Epitaxial Regrowth, SPER) zu ermöglichen, wie durch den Pfeil 109 in 1 angedeutet ist, so werden, obwohl einige der Zwischengitterplatz-Defekte eliminiert werden, jedoch nicht alle Zwischengitterplatz-Defekte eliminiert. Insbesondere in einem Grenzbereich an der Grenzfläche 108 zwischen dem amorphen Bereich 103 und dem kristallinen Bereich 106 verbleiben sogenannte Endbereichs-zwischengitterplatzartige Defekte 201 (End-of-Range-Defekte, EOR-Defekte) (siehe zweites Diagramm 200 in 2). Mit anderen Worten verbleiben, sogar nach dem SPER-Schritt, Endbereichs-Zwischengitterplatz-Defekt-Schäden immer noch in dem Ausläufer des Implantations-Profils (Implantations-Ausläufer, vgl. 1).
Es ist anzumerken, dass die zwischengitterplatzartigen Defekte 201 eine Ursache für die TED von Bor-Atomen sind, und außerdem für eine unerwünschte Deaktivierung der Bor-Atome. Mit anderen Worten sind sowohl die Deaktivierung der Bor-Atome als auch die TED eine Folge von ein und demselben treibenden Mechanismus, nämlich der Übersättigung mit Kristallgitter-Defekten, welche durch den Implantations-Prozess erzeugt wurden. Es ist ferner anzumerken, dass die zwischengitterplatzartigen Defekte 201 teilweise in Richtung hin zu der Hauptprozessierungs-Oberfläche des Substrats diffundieren und damit in Richtung hin zu dem amorphen Bereich 103 (vgl. vierte Kurve 301 und den mit "Zwischengitterplatz-Defekt-Fluss" bezeichneten Pfeil in einem dritten Diagramm 300, welches in 3 gezeigt ist).
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist vorgesehen, dass, wie in einem vierten Diagramm 400 in 4 gezeigt ist, unterhalb des Bereichs, in dem die Bor-Atome (im Allgemeinen die Dotieratome) in das Substrat eingebracht werden, Silizium-Carbid-Präzipitate 401 (SiC-Präzipitate 401) in dem kristallinen Bereich 106 des Substrats gebildet werden (zum Beispiel unterhalb des amorphen Bereichs 103, falls ein solcher Bereich vorgesehen ist).
5 zeigt in einem fünften Diagramm 500, dass die Bildung von Silizium-Carbid-Präzipitaten 401, zum Beispiel mittels Implantation einer hohen Dosis von Kohlenstoff in ein Silizium-Substrat 501 (z. B. eine Implantationsdosis oberhalb der Feststoff-Löslichkeitsgrenze von Kohlenstoff, vgl. oben), in einer lokalen Volumenverringerung des Siliziums-Kristalls um einen Faktor Zwei resultiert. Wie oben erwähnt kann diese Volumenverringerung dann entweder mittels elastischer Verformung oder mittels des Einfangens und der Emission von Punkt-Defekten aufgenommen werden. Mit anderen Worten können die SiC-Präzipitate 401 als Senken für zwischengitterplatzartige Punkt-Defekte bzw. Interstitials (I) dienen, was in 5 durch die Pfeile 502 symbolisiert wird.
Wie in 4 gezeigt ist, werden die Silizium-Carbid-Präzipitate 401 in lokaler Nähe der zu erwartenden und später gebildeten zwischengitterplatzartigen Defekte (Interstitials) 201 gebildet, wobei die Silizium-Carbid-Präzipitate 401 so nahe bei den später gebildeten Zwischengitterplatz-Defekten 201 gebildet werden, dass sie als eine Senke für die Zwischengitterplatz-Defekte 201 dienen.
Mit anderen Worten werden die zwischengitterplatzartigen Defekte 201 mit Hilfe der Silizium-Carbid-Präzipitate 401 aufgelöst. Noch anders ausgedrückt werden die Zwischengitterplatz-Defekte 201 mittels der SiC-Präzipitate 401 eliminiert. Dieser Vorgang ist in dem vierten Diagramm 400 in 4 durch die Pfeile 402a, 402b, symbolisiert. Anschaulich dienen die SiC-Präzipitate 401 als Senken für die Zwischengitterplatz-Defekte (I), was durch die Pfeile 402a dargestellt ist, in dem sie eine Quelle von Leerstellen (Lücken bzw. unbesetzten Gitterplätzen) (V) bilden, was durch die Pfeile 402b dargestellt ist.
Der Eliminierungs-Prozess wird als ein temperatur-unterstützter Prozess durchgeführt unter Verwendung eines schnellen thermischen Aufheizens (Rapid Thermal Anneal, RTA). Somit kann ein sehr einfacher Standard-Mechanismus verwendet werden, um die unerwünschten zwischengitterplatzartigen Defekte 201 zumindest teilweise zu eliminieren.
Gemäß diesem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist somit ein Laser-Erhitzen oder ein Flash-Erhitzen nicht länger erforderlich. Jedoch kann, falls erwünscht, auch ein Laser- oder Flash-Erhitzen durchgeführt werden gemäß alternativen Ausgestaltungen der Erfindungen.
6 stellt symbolisch in einem sechsten Diagramm 550 den Endzustand nach der Eliminierung der zwischengitterplatzartigen Defekte 201 dar, wobei angenommen ist, dass nach der Eliminierung der zwischengitterplatzartigen Defekte 201 immer noch eine gewisse Anzahl an Silizium-Carbid-Präzipitaten 401 in dem Substrat vorhanden ist. Mit anderen Worten verbleiben nach dem RTP-Prozess nur SiC-Präzipitate 401 tief in dem Substrat.
Die Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung wurde reduziert.
7A zeigt einen Prozessschritt eines Verfahrens zur Herstellung eines Halbleiterelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel wird ein Feldeffekt-Transistor hergestellt.
Es ist die Implantation von Kohlenstoff-Ionen 602, in diesem Fall C⁺-Ionen 602, in ein Silizium-Substrat (Si-Substrat) 601 gezeigt. Das Substrat 601 kann zum Beispiel ein Si(100)-Substrat oder Si(111)-Substrat sein. Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird die Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 unter Verwendung einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁶ cm^–2 und einer Implantationsenergie E = 50 keV durchgeführt. Mittels der implantierten Kohlenstoff-Ionen 602 wird eine hohe Dichte bzw. eine hohe Konzentration von Kohlenstoff-Atomen 603 bei einer vorgebbaren Tiefe innerhalb des Silizium-Substrats 601 unterhalb der Substrat-Oberfläche 607 gebildet. Das Konzentrationsmaximum des Implantationsprofils befindet sich bei der beabsichtigten Reichweite (Projected Range) R_p. Mit anderen Worten sind die implantierten Kohlenstoff-Ionen 603 innerhalb des Silizium-Substrats 601 um das Konzentrationsmaximum (beabsichtigte Reichweite R_p) herum verteilt. R_p und somit die Implantationstiefe der Kohlenstoff-Ionen 602 können feineingestellt bzw. getunt (mit anderen Worten modifiziert) werden mittels Veränderns beispielsweise der Parameter Implantationsdosis (Φ) und Implantationsenergie (E). Die Parameter Φ und E können derart gewählt werden, dass Silizium-Carbid-Präzipitate, welche in einem späteren Prozessschritt gebildet werden, unterhalb eines Kanal- Bereichs 605 des zu bildenden Transistors (gemäß alternativen Ausführungsbeispielen unterhalb eines Aktiv-Bereichs des zu bildenden Halbleiter-Elements, gebildet werden.
Mit Hilfe einer Kohlenstoff-Implantation mit hoher Dosis können sowohl eine hohe Konzentration an Kohlenstoff-Atomen als auch eine hohe Konzentration an Gitterplatzdefekten in dem Silizium-Substrat gebildet werden. Mit Hilfe der hohen Konzentration von sowohl Kohlenstoff-Atomen als auch Selbst-Zwischengitterplatz-Defekten kann eine Silizium-Carbid-Präzipitation (SiC-Präzipitation) in dem Silizium-Substrat ausgelöst werden.
Falls erforderlich kann eine Hartmaske, welche beispielsweise eine Oxid-Schicht und eine auf der Oxid-Schicht ausgebildete Nitrid-Schicht aufweist, verwendet werden, welche derart strukturiert ist, dass die laterale Ausdehnung des Bereichs, in welchen die Kohlenstoff-Ionen 602 implantiert werden, beschränkt wird auf ein Gebiet mit Source/Drain-Bereichen, welche später als hochdotierte ultra-flache Übergänge zu bilden sind. Mit anderen Worten ermöglicht es die Verwendung der Hartmaske, dass SiC-Präzipitate nur unterhalb der Source/Drain-Bereiche des Feldeffekt-Transistors gebildet werden. Die Maske kann eine ähnliche Größe aufweisen wie die gewünschte laterale Ausdehnung der Source/Drain-Bereiche.
7B zeigt einen anderen Prozessschritt des Verfahrens zum Herstellen eines Feldeffekt-Transistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es ist die thermische Behandlung (dargestellt durch den Pfeil 608) des Substrats 601 und der implantierten Kohlenstoffatome 603 gezeigt, mit anderen Worten ein Temper-Schritt bzw. Anneal-Schritt 608, welcher auf das Substrat 601 und die implantierten Kohlenstoff-Atome 603 angewendet wird. Gemäß dem in 7B gezeigten Ausführungsbeispiel wird der Temper-Schritt 608 mit einem niedrigen thermischen Budget durchgeführt, aufweisend eine Temperungs-Temperatur von T = 900°C und eine Temperungs-Zeitdauer von 10 Minuten.
Mit Hilfe der thermischen Behandlung 608 wird ein Netzwerk bzw. Band 604 aus SiC-Präzipitaten 606 in dem Substrat 601 gebildet bei einer Tiefe, welche der beabsichtigten Reichweite R_p entspricht, wobei das Präzipitat-Band 604 eine Mehrzahl von getrennten bzw. isolierten, mit anderen Worten nicht verbundenen, Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 aufweist, und wobei das SiC-Präzipitat-Band 604 bzw. die SiC-Präzipitat-Schicht 604 ungefähr parallel zu der Substrat-Oberfläche 607 ausgerichtet ist.
Anschaulich wird ein Band 604 aus SiC-Präzipitaten 606 bei der implantierten beabsichtigten Reichweite R_p gebildet, wobei mittels der thermischen Behandlung 608 der aus der Implantation von Kohlenstoff-Ionen 602 resultierende Implantationsschaden vollständig ausgeheilt und der Silizium-Carbid-Keimbildungsprozess verstärkt werden kann.
Die Werte der Temperatur T und der Zeitdauer des in 7B gezeigten Temper-Schrittes dienen lediglich als Beispiele und können feineingestellt (getunt) bzw. optimiert werden, derart, dass beispielsweise die Dichte (bzw. Konzentration) und/oder die Größe der Silizium-Carbid-Präzipitate 606 vorgebbare Schwellenwerte nicht überschreiten/überschreitet, so dass eine Ablösung (Delaminierung) des Substrats 601 vermieden werden kann.
7C zeigt einen anderen Prozessschritt des Verfahrens zum Herstellen eines Feldeffekts-Transistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung. Es ist gezeigt, dass das Silizium-Substrat 601 mittels Implantierens von Germanium-Ionen 622 (Ge⁺-Ionen 622) voramorphisiert wird. Das heißt, ein Oberflächenbereich, beispielsweise bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 nm bis 200 nm, z. B. 100 nm, wird amorphisiert, derart, dass das Silizium-Substrat 601, welches ursprünglich ein kristallines Substrat gewesen sein kann, nun einen kristallinen Bereich 616 und einen amorphen Bereich 613 aufweist, wobei der amorphe Bereich 613 sich ungefähr bis zu dem Band 604 aus Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 erstreckt.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann der mittlere Abstand zwischen den SiC-Präzipitaten 606 und der unteren Grenze des amorphen Bereichs 613 in Tiefenrichtung des Substrats 601 ungefähr 10 nm bis 20 nm betragen.
Die Ge⁺-Ionen 622 können gemäß einem Ausführungsbeispiel mit einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁵ cm^–2 und einer Implantationsenergie E = 60 keV implantiert werden. Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Germanium-Voramorphisierungsschritt feineingestellt (getunt) werden, derart, dass der SiC-Präzipitat-Bereich 604 ungefähr 50 nm tiefer bleibt als die amorph/kristallin-Grenzfläche, d. h. als die Grenzfläche zwischen dem amorphen Bereich 613 und dem kristallinen Bereich 616 des Substrats 601.
7C zeigt ferner, dass durch die Germanium-Ionen-Implantation 622 ein Bereich 614 mit einer hohen Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung gebildet wird. Wie vorher angedeutet, wirkt das Band 604 aus Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 als eine effektive Senke für die Zwischengitterplatz-Defekte (I) des Bereichs 614. Mit anderen Worten werden Zwischengitterplatz-Defekte (I), welche in dem Bereich 614 ausgebildet sind, durch die Silizium-Carbid-Präzipitate 606 der Silizium-Carbid-Präzipitat-Schicht 604 verbraucht, welcher Prozess durch die Pfeile 615 angedeutet wird. Anschaulich unterdrückt das SiC-reiche Band 604 effektiv die durch den Ge-Voramorphisierungs-Schritt 622 erzeugte Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung 614.
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass der Silizium-Carbid-Präzipitat-Bereich 604 relativ nah an dem Bereich 614 mit der hohen Selbst-Zwischengitterplatz-Defekt-Übersättigung gebildet werden kann, aber zur gleichen Zeit immer noch weit genug entfernt von der amorph/kristallin-Grenzfläche (nicht gezeigt in 7C, vgl. Bezugszeichen 108 in 5), derart, dass ein späterer SPER-Prozessschritt nicht beeinflusst wird.
7D zeigt einen anderen Prozessschritt des Verfahrens zum Herstellen eines Feldeffekts-Transistors gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Es ist eine Implantation von elementarem Bor gezeigt als Dotierstoffatome in den amorphen Bereich 613 (oder zumindest in Teile des amorphen Bereichs 613) des Silizium-Substrats 601, wobei B⁺-Ionen 632 während der Implantation verwendet werden. Mit Hilfe der Implantation von Bor werden hochdotierte Anschluss-Bereiche (d. h., Source/Drain-Bereiche, nicht gezeigt in 7D, vgl. Bezugszeichen 831 und 832 in 8C und 9C) in dem amorphen Bereich 613 des Substrats 601 gebildet. Die Implantation von Bor-Atomen in das Substrat 601 resultiert in einem Bor-Konzentrations-Profil, welches schematisch durch die Kurve 625 in 7D dargestellt ist (vgl. auch die Konzentrations-Kurven 105 in 1 bis 5).
In diesem Zusammenhang ist anzumerken, dass die SiC-Präzipitate 606 des SiC-Präzipitat-Bandes weit genug entfernt gehalten werden können von den p+/n-Übergängen, welche mittels der Implantation der Bor-Atome gebildet werden, derart, dass das Device-Verhalten (Device-Performance) (d. h., das Verhalten des Feldeffekt-Transistors) nicht durch die Silizium-Carbid-Präzipitate beeinträchtigt wird. Zum Beispiel kann die Implantation der Bor-Atome derart durchgeführt werden, dass die Bor-Ionen (B⁺-Ionen) 632 während der Implantation eine kinetische Energie von ungefähr 0.5 keV aufweisen.
8A zeigt in einer ersten Struktur 800 das Substrat 601 mit dem Band 604 aus Silizium-Carbid-Präzipitaten 606, wobei vor der Bildung der Silizium-Carbid-Präzipitate 606 und somit vor einer Implantation von Kohlenstoff-Ionen 602 (vgl. 7A) eine Gate-Struktur 801 (bzw. ein Gate-Stack 801) gebildet worden ist. Die Kohlenstoff-Ionen 602 können mit einer Implantationsdosis Φ = 10¹⁶ cm^–2 implantiert werden, und können eine Implantationsenergie E = 50 keV aufweisen. Die Gate-Struktur 801 kann mittels eines bekannten Verfahrens gebildet werden, beispielsweise dadurch, dass die Hauptprozessierungs-Oberfläche 607 des Silizium-Substrats 601 oxidiert wird und eine Polysilizium-Schicht darauf gebildet wird. Mittels Strukturierens der Polysilizium-Schicht und der Siliziumdioxid-Schicht wird die Gate-Struktur 801 mit dem Gate-Oxid und der aus Polysilizium bestehenden Gate-Elektrode gebildet. Der Bereich, welcher sich unterhalb der Gate-Struktur 801 befindet, bleibt frei von Kohlenstoff-Ionen 602, sogar nach der Implantation dieser Kohlenstoff-Ionen 602, da die Gate-Struktur 801 während der Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 als eine Maske dient. Nach der Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 wird das Substrat 601 mit der Gate-Struktur 801 dem oben beschriebenen Verfahren zum Bilden der SiC-Präzipitate 606 (bzw. des Bandes 604 aus SiC-Präzipitaten 606) unterzogen, derart, dass die in 8A gezeigte Struktur 800 resultiert.
Es ist anzumerken dass die Präzipitat-Band-Struktur 604 eine Lücke 604a enthält (d. h., einen Gereicht, in dem keine Präzipitate 606 gebildet worden sind), welche dem Bereich entspricht, welcher während der Kohlenstoff-Ionen-Implantation 602 durch die Gate-Struktur 801 maskiert wurde.
Die in 8B gezeigte Struktur 810 wird dadurch erhalten, dass die in 8A gezeigte Struktur 800 einer Voramorphisierungs-Implantation unterzogen wird. Die Struktur 810 wird in ihrem Oberflächenbereich amorphisiert, beispielsweise bis zu einer Tiefe von ungefähr 50 nm bis 200 nm, z. B. 100 nm, mittels Einbringens von Germanium (Ge⁺)-Ionen 821, derart, dass das Silizium-Substrat 601, welches ursprünglich ein einkristallines Substrat ist, nun einen kristallinen Bereich 816 und einen amorphen Bereich 813, welcher sich ungefähr bis zu den Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 hin erstreckt, aufweist. Ein ungefährer Abstand zwischen den Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 und der unteren Grenze des amorphen Bereichs 813 in Tiefenrichtung des Substrats 601 kann beispielsweise ungefähr 10 nm bis 20 nm betragen. Die Germanium-Ionen 821 können unter Verwendung einer Implantationsdosis von beispielsweise Φ = 10¹⁵ cm^–2 und einer Implantationsenergie von beispielsweise E = 60 keV implantiert werden.
Anschließend werden, unter Verwendung der Gate-Struktur 801 als Maske, mittels Implantierens von Bor-Atomen in den amorphen Bereich 813 ein erster Source/Drain-Bereich 831 und ein zweiter Source/Drain-Bereich 832 in dem amorphen Bereich 813 neben der Gate-Struktur 801 gebildet. Die Implantation von Bor wird durchgeführt unter Verwendung von B⁺-Ionen 833 als Implantations-Ionen während der Implantation. Nachdem die Source/Drain-Bereiche 831, 832 in dem amorphen Bereich 813 gebildet worden sind, ist anschaulich ein Feldeffekt-Transistor 820 (siehe 8C) bereitgestellt, welcher im Vergleich zu herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren weniger zwischen zwischengitterplatzartige Defekte aufweist. Somit ist die TED von Bor-Atomen in dem hergestellten Feldeffekt-Transistor 820 ebenfalls reduziert verglichen mit herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren.
Es ist anzumerken, dass gemäß dem in 8A bis 8C gezeigten Ausführungsbeispiel die Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 und das nachfolgende Erhitzen zum Bilden der Silizium-Carbid-Präzipitate 606 vor der Voramorphisierung des Substrats 601 durchgeführt wird.
Anschaulich kann gemäß diesem Ausführungsbeispiel das Silizium-Carbid-Präzipitat-Band 604 in die P-LDD-(Lightly Doped Drain)-Konstruktion integriert werden. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Implantationsbedingungen der Kohlenstoff-Ionen-Implantation so gewählt werden, dass sie eine Implantationsdosis von beispielsweise 10¹⁶ Kohlenstoff-Ionen/cm² und eine Implantationsenergie von beispielsweise 50 keV beinhalten, sowie eine Temperatur von beispielsweise T = 900°C und eine Zeitdauer von beispielsweise 10 Minuten für den anschließenden Temper-Schritt (Anneal-Schritt). Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Implantationsbedingungen für den Ge⁺-Voramorphisierungs-Schritt eine Implantationsdosis von beispielsweise 10¹⁵ Germanium-Ionen/cm² und eine Implantationsenergie von beispielsweise 60 keV beinhalten. Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Implantationsbedingungen für die Implantation von Bor als Dotierstoffatome eine Implantationsdosis von beispielsweise 10¹⁵ Bor-Atome/cm² und eine Implantationsenergie von beispielsweise 0.5 keV beinhalten.
9A bis 9C zeigen ein Verfahren zum Herstellen eines Feldeffekt-Transistors gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung, wobei sich dieses Ausführungsbeispiel von dem in 8A bis 8C gezeigten Ausführungsbeispiel darin unterscheidet, dass die Gate-Struktur 801 des Feldeffekt-Transistors erst nach der Bildung der Silizium-Carbid-Präzipitate 606 gebildet wird, wobei jedoch die einzelnen Verfahrensschritte selbst mit denen des zuvor im Zusammenhang mit 8A bis 8C beschriebenen Ausführungsbeispiels identisch sind, so dass hier eine erneute Beschreibung dieser Schritte im Detail ausgelassen wird.
Wie in 9A gezeigt ist, werden in dem Substrat 601 Silizium-Carbid-Präzipitate 606 gebildet mittels Implantierens von Kohlenstoff-Ionen (vgl. 7A) und anschließenden Erhitzens des Substrats 601 zusammen mit den implantierten Kohlenstoff-Atomen 603 (vgl. 7B). Da in diesem Ausführungsbeispiel die Gate-Struktur 801 während der Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 noch nicht vorhanden ist, resultiert kein Maskeneffekt, und somit wird in dem Substrat 601 eine zusammenhängende Band-Struktur 604 aus Silizium-Carbid-Präzipitaten 606 gebildet, im Gegensatz zu der unterbrochenen Band-Struktur 604 des Feldeffekt-Transistors gemäß dem in 8A bis 8C gezeigten Ausführungsbeispiel. In diesem Zusammenhang wird unter dem Ausdruck "zusammenhängend" verstanden, dass die SiC- Präzipitate 606 nicht nur in Bereichen unterhalb der Source/Drain-Bereiche 831, 832 sondern auch in einem Bereich unterhalb der Gate-Struktur 801 gebildet werden. Somit ist in der Gesamt-Band-Struktur 604 keine Lücke, wie es bei dem in 8A bis 8C gezeigten Ausführungsbeispiel der Fall ist.
Nach der Bildung der SiC-Präzipitate 606 wird die Gate-Struktur 801 gebildet, beispielsweise gemäß dem in Zusammenhang mit 8A beschriebenen Verfahren. Anschließend wird die Voramorphisierung des Substrats 601 durchgeführt mittels Implantierens von Ge⁺-Ionen 821 (siehe Struktur 910 in 9B).
Danach werden wiederum ein erster Source/Drain-Bereich 831 und ein zweiter Source/Drain-Bereich 832 gebildet mittels Implantierens von Bor-Atomen in den amorphisierten Bereich 813 neben der Gate-Struktur 801, wobei während der Implantation B⁺-Ionen 833 als Implantations-Ionen und die Gate-Struktur 801 als Maske verwendet werden. Somit wird ein Feldeffekt-Transistor 920 (siehe 9C) bereitgestellt, welcher verglichen mit herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren eine geringere Zahl an zwischengitterplatzartigen Defekten 201 aufweist. Auf diese Weise wird auch die TED von Bor-Atomen in dem gebildeten Feldeffekt-Transistor 920, verglichen mit herkömmlichen Feldeffekt-Transistoren.
Somit kann gemäß dem in 9A bis 9C gezeigten Ausführungsbeispiel das Bilden des Silizium-Carbid-Präzipitat-Bandes 604 vor dem Gate-Oxidations-Prozess integriert werden. Das heißt, die Implantation der Kohlenstoff-Ionen 602 und der nachfolgende Anneal-Schritt zum Bilden des SiC-Präzipitat-Bandes 604 werden vor dem Gate-Oxidations-Prozess durchgeführt.
10 zeigt ein Verfahren 1000 zum Herstellen eines Halbleiter-Elements in einem Substrat gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 1020 wird eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten in dem Substrat gebildet. Die Carbid-Präzipitate können beispielsweise gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gebildet werden.
In 1040 werden Implantations-Ionen in das Substrat implantiert, derart, dass Kristalldefekte in dem Substrat gebildet werden. Die Implantation der Implantations-Ionen kann beispielsweise gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden.
In 1060 wird das Substrat erhitzt, derart, dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte unter Verwendung der Carbid-Präzipitate eliminiert wird. Das Erhitzen bzw., mit anderen Worten, die thermische Behandlung des Substrats kann beispielsweise gemäß einem der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele durchgeführt werden.
In 1080 wird das Halbleiter-Element unter Verwendung der Implantations-Ionen gebildet.
Zusätzlich zu der vorangegangenen ausführlichen Beschreibung beispielhafter Ausgestaltungen werden im Folgenden weitere Merkmale und Effekte von beispielhaften Ausgestaltungen der Erfindung aufgezeigt.
Gemäß manchen Ausgestaltungen der Erfindung sind Verfahren bereitgestellt zum Herstellen eines Halbleiter-Elements mit einer verringerten Anzahl von Kristalldefekten innerhalb des Halbleiter-Elements.
Gemäß manchen Ausgestaltungen der Erfindung sind Prozess-Abläufe bereitgestellt, welche auf sehr einfache Weise in einen herkömmlichen CMOS-Prozess integriert werden können.
Es wird kein negativer Effekt hinsichtlich der Leistung des Halbleiter-Elements, z. B. des Feldeffekt-Transistors, erzeugt, da die Silizium-Carbid-Präzipitate so gebildet werden können, dass sie einen genügend großen Abstand zu den p+/n-Übergängen der ultra-flachen Übergänge des Halbleiter-Elements aufweisen.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung können die TED und die Deaktivierung der Dotierstoffatome deutlich reduziert werden, als direkte Folge der Verringerung von EOR-Defekten.
Gemäß einigen Ausführungsbeispielen der Erfindung können ultra-schnelle thermische Prozesse wie z. B. Laser-Erhitzen (Laser-Annealing) oder Flash-Erhitzen (Flash-Annealing) bei einer Temperatur von weniger als 1300°C durchgeführt werden, derart, dass Problem der Dielektrikums-Schädigung (Degradation) vermieden werden können.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann ein schnelles thermisches Erhitzen (Rapid Thermal Anneal, RTA) anstelle eines Laser-Erhitzens oder eines Flash-Erhitzens verwendet werden.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wird eine hohe Implantationsdosis von Kohlenstoff-Ionen in einen herkömmlichen CMOS-Prozess integriert, wobei die Kohlenstoff-Ionen in einem Bereich des Substrats, in dem EOR-Defekte gebildet werden, Silizium-Carbid-Präzipitate bilden.
Gemäß manchen Ausführungsbeispielen der Erfindung bleiben diese Silizium-Carbid-Präzipitate während eines Gate-Oxidations-Prozesses stabil und unterliegen einem konkurrierenden Reifungsprozess mit zwischengitterplatzartigen Defekten während des Hochtemperatur-Heiz-Prozesses (z. B. Laser-Erhitzen oder Flash-Erhitzen). Die Wahrscheinlichkeit, das zwischengitterplatzartige Defekte (wie beispielsweise Versetzungsringe (dislocation loops) oder {113}-Defekte) eliminiert werden, hängt sowohl von der Dichte als auch von der Größe der Silizium-Carbid-Präzipitate ab. Je größer die Silizium-Carbid-Präzipitate sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass sich die Versetzungsringe auflösen.
Das Konkurrieren der Silizium-Carbid-Präzipitaten mit den zwischengitterplatzartigen Defekten setzt zu Beginn des RTP-Heiz-Prozesses ein. Da die Oberflächenenergie der Silizium-Carbid-Präzipitate ungefähr äquivalent ist zu der Oberflächenenergie der Silizium-Oberfläche, sind die Versetzungsringe energetisch ungünstiger, und aus diesem Grund setzt ein Fluss von zwischengitterplatzartigen Defekten in Richtung hin zu den Silizium-Carbid-Präzipitaten ein.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements bereitgestellt, wobei mittels des Verfahrens die Silizium-Oberfläche näher an die EOR-Defekte herangebracht wird.
Unter der Bedingung, dass die Silizium-Carbid-Präzipitate von den p+/n-Übergängen ausreichend fern gehalten werden, hat das Verfahren keinen negativen Effekt auf die Leistungsfähigkeit des Halbleiter-Elements.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel werden lediglich geringfügige Modifikationen in dem Prozessfluss eines herkömmlichen CMOS-Prozesses benötigt. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Energie der Voramorphisierungs-Implantate geringfügig erhöht werden, um die Silizium-Carbid-Präzipitat-Schicht von dem Übergang fernzuhalten,
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die Spitzen-Temperungs-Temperatur (peak annealing temperature) eines ultra-schnellen thermischen Prozesses deutlich unter 1300°C reduziert werden.
Einer der Gründe, extrem hohe Temperaturen zu verwenden, liegt darin, die TED zu reduzieren und den Grad der Dotierstoff-Aktivierung zu erhöhen.
Wie bereits beschrieben worden ist, können mittels Erzeugens einer Senke für zwischengitterplatzartige Defekte sowohl die TED als auch die Dotierstoff-Deaktivierung reduziert bzw. eliminiert werden, und aus diesem Grund werden Hochtemperatur-Prozesse nicht länger benötigt. Dies bietet eine Vielzahl an Möglichkeiten zum Auswählen des am besten geeigneten RTP-Verfahrens.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann der Ausdruck "Carbid-Präzipitate" wie er hierin verwendet wird, Silizium-Carbid-Präzipitate (SiC-Präzipitate) bezeichnen, beispielsweise die Beta-SiC-Phase, obgleich andere Carbid- Strukturen bzw. andere Carbid-Phasen ebenfalls umfasst sein können. Gemäß einigen Ausführungsbeispielen kann der Ausdruck "Carbid-Präzipitate" beispielsweise auch beliebige Anhäufungen (Agglomerationen) von Kohlenstoff-Atomen in einer Matrix umfassen, wie zum Beispiel reine Kohlenstoff-Cluster, oder kann sogar Präzipitate mit einschließen, welche Sauerstoff-Atome aufweisen, wie zum Beispiel Silizium-Sauerstoff-Kohlenstoff-Präzipitate.
Obwohl die Erfindung unter Bezug auf spezielle Ausführungsbeispiele gezeigt und beschrieben wurde, sollte es von denjenigen, welche mit dem Fachgebiet vertraut sind, verstanden werden, dass zahlreiche Veränderungen an der Ausgestaltung und Details daran vorgenommen werden können, ohne vom Geist oder Bereich der Erfindung, wie durch die nachfolgenden Ansprüche definiert, abzuweichen. Der Bereich der Erfindung ist somit durch die angefügten Ansprüche angegeben, und es ist beabsichtigt, dass sämtliche Änderungen, welche unter den Wortlaut oder in den Äquivalenzbereich der Ansprüche fallen, umfasst sind.

Claims

Verfahren zum Herstellen eines Halbleiter-Elements in einem Substrat, bei dem: eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten in dem Substrat gebildet wird; Implantations-Ionen in das Substrat implantiert werden, wodurch Kristalldefekte in dem Substrat gebildet werden; das Substrat erhitzt wird, derart, dass zumindest ein Teil der Kristalldefekte unter Verwendung der Carbid-Präzipitate eliminiert wird; und das Halbleiter-Element unter Verwendung der Implantations-Ionen gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei die Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten mittels Implantierens von Kohlenstoff-Ionen in das Substrat in dem Substrat gebildet wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, wobei die Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten so gebildet wird, dass die Carbid-Präzipitate ein Band aus voneinander getrennten Carbid-Präzipitaten bilden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 oder 3, wobei die Kohlenstoff-Ionen mit einer Implantationsdosis von ungefähr zwischen 10¹⁴ cm^–2 und 10¹⁸ cm^–2 implantiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die Kohlenstoff-Ionen so implantiert werden, dass sie während der Implantation eine Energie von ungefähr zwischen 10 keV und 100 keV aufweisen.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei das Substrat mit den implantierten Kohlenstoff-Ionen einer thermischen Behandlung unterzogen wird, derart, dass die Carbid-Präzipitate gebildet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 6, wobei das Substrat während der thermischen Behandlung auf eine Temperatur von ungefähr zwischen 600°C und 1000°C erhitzt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 6 oder 7, wobei das Substrat während der thermischen Behandlung für eine Dauer von ungefähr zwischen 5 Minuten und 4 Stunden erwärmt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Implantations-Ionen Voramorphisierungs-Ionen sind und das Substrat mittels der Voramorphisierungs-Ionen teilweise voramorphisiert wird.
Verfahren gemäß Anspruch 9, wobei Germanium-Ionen als Voramorphisierungs-Ionen für die teilweise Voramorphisierung des Substrats verwendet werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, wobei Silizium-Ionen als Voramorphisierungs-Ionen für die teilweise Voramorphisierung des Substrats verwendet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die teilweise Voramorphisierung des Substrats nach dem Bilden der Carbid-Präzipitate erfolgt.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Carbid-Präzipitate in der Nähe einer Grenzfläche gebildet werden, welche zwischen einem kristallenen Bereich des Substrats und einem amorphen Bereich des Substrats, welcher mittels der teilweisen Voramorphisierung gebildet wird, ausgebildet ist.
Verfahren gemäß Anspruch 13, wobei die Carbid-Präzipitate in dem kristallinen Bereich unterhalb der Grenzfläche gebildet werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, wobei Dotieratome zumindest in einen Teilbereich des amorphen Bereichs des Substrats implantiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei als Dotieratome Bor-Atome, Phosphor-Atome oder Arsen-Atome in das Substrat implantiert werden.
Verfahren gemäß Anspruch 16, wobei die Bor-Atome mittels Einbringens von Bor-Ionen in das Substrat oder mittels Einbringens von Bor-Fluid-Ionen in das Substrat oder mittels Einbringens von Bor-Clustern in das Substrat implantiert werden.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei mindestens ein Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen flachen Übergang des Halbleiter-Elements bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, wobei das Halbleiter-Element ein Transistor ist.
Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei das Halbleiter-Element ein Feldeffekt-Transistor ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei mindestens ein Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich oder einen Drain-Bereich des Feldeffekt-Transistors bildet.
Verfahren gemäß Anspruch 21, wobei ein erster Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Source-Bereich des Feldeffekt-Transistors bildet; und wobei ein zweiter Bereich, innerhalb dessen die Dotieratome in das Substrat implantiert werden, einen Drain-Bereich des Feldeffekt-Transistors bildet.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei das Substrat ein Silizium-Substrat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 23, wobei das Substrat ein (100)-Silizium-Substrat oder ein (111)-Silizium-Substrat ist.
Verfahren gemäß Anspruch 20, wobei die Carbid-Präzipitate vor dem Bilden eines Gate-Isolators des Feldeffekt-Transistors gebildet werden.
Halbleiter-Element, aufweisend: ein Substrat; mindestens einen flachen Übergang, welcher in dem Substrat ausgebildet ist; Dotieratome in dem flachen Übergang; eine Mehrzahl von Carbid-Präzipitaten, welche in dem Substrat unterhalb des mindestens einen flachen Übergangs ausgebildet sind.
Halbleiter-Element gemäß Anspruch 26, wobei der mindestens eine flache Übergang innerhalb eines amorphen Bereichs des Substrats ausgebildet ist.
Halbleiter-Element gemäß Anspruch 27, wobei die Carbid-Präzipitate in der Nähe einer zwischen einem kristallinen Bereich und dem amorphen Bereich des Substrats ausgebildeten Grenzfläche ausgebildet sind.
Halbleiter-Element gemäß Anspruch 28, wobei die Carbid-Präzipitate in dem kristallinen Bereich unterhalb der Grenzfläche ausgbildet sind.
Halbleiter-Element gemäß einem der Ansprüche 26 bis 29, wobei das Halbleiter-Element ein Transistor ist.
Halbleiter-Element gemäß Anspruch 30, wobei das Halbleiter-Element ein Feldeffekt-Transistor ist.
Halbleiter-Element gemäß Anspruch 31, wobei der mindestens eine flache Übergang den Source-Bereich oder den Drain-Bereich des Feldeffekts-Transistors bildet.
Halbleiter-Element gemäß einem der Ansprüche 26 bis 32, wobei die Dotieratome Bor-Atome sind.