DE3779523T2

DE3779523T2 - Veraenderung der eigenschaften eines p-typ-dotierungsstoffes mittels eines anderen p-typ-dotierungsstoffes.

Info

Publication number: DE3779523T2
Application number: DE8787401927T
Authority: DE
Inventors: Sheldon Aronowitz
Original assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Current assignee: Fairchild Semiconductor Corp
Priority date: 1986-08-28
Filing date: 1987-08-25
Publication date: 1993-01-21
Anticipated expiration: 2007-08-26
Also published as: DE3779523D1; US4746964A; EP0258148B1; EP0258148A2; KR880003404A; EP0258148A3; JPS6362227A

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf monolithische intregrierte Schaltkreise und insbesondere auf die Charakteristiken von p-Typ-Bereichen in integrierten Schaltkreiskomponenten.
Bei der Auslegung von integrierten Schaltkreiskomponenten werden Bereiche eines Typs elektrischer Aktivität in oder nahe Bereichen gebildet, die entgegengesetzte elektrische Aktivität aufweisen, um gewünschte Betriebscharakteristiken zu erzielen. Beispielsweise umfaßt ein PMOS-Feldeffekttransistor ein n-Typ-Substrat mit p-Typ-Source- und Drainbereichen, die an seiner Oberfläche gebildet sind. Die n-Typ-Aktivität in dem Substrat wird bereitgestellt durch Dotieren einer Siliciumschicht mit einem Donator-(Gruppe V)-Dotierungsmittel, wie Arsen oder Phosphor. Die Source- und Drain-p-Typ-Bereiche werden dann gebildet durch Diffundieren eines Akzeptor-(Gruppe III)-Dotierungsmittels, an erster Stelle zu nennen Bor, in zwei vorbestimmte Bereiche des Substrats.
Eine physikalische Eigenschaft, die charakteristisch für alle üblicherweise verwendeten p-Typ-Dotierungsmittel ist, besteht darin, daß sie einen relativ hohen Diffusionskoeffizienten aufweisen. Mit anderen Worten haben während des Diffusionsprozesses oder nachfolgender Wärmebehandlungsschritte in der Herstellung eines integrierten Schaltkreises Dotierungsmittelatome vom p-Typ die Tendenz, sich über relativ große Distanzen in dem Silicium zu bewegen. Infolgedessen muß der Transistor in seiner Größe breit genug sein, um die relativ großen Volumina aufzunehmen, die von den p-Typ-Source- und Drainbereichen eingenommen werden, und trotzdem die gewünschte elektrische Aktivität bereitzustellen.
Demgemäß ist es wünschenswert, eine Technik zu schaffen für die Begrenzung der Diffusionstiefe von p-Typ-Dotierungsmitteln, um dadurch die Möglichkeit zu schaffen, kleinere integrierte Schaltkreiskomponenten herzustellen. Ein möglicher Weg zur Erreichung dieses Ziels ist die Verringerung der Konzentration von Dotierungsmittelatomen, die in dem p-Typ-Bereich verwendet werden. Ein solcher Ansatz würde beispielsweise ermöglichen, flachere Source- und Drainbereiche zu bilden. Dieser Ansatz ist jedoch nicht ohne begleitende Beschränkungen. Insbesondere zeigen diese flacheren Bereiche niedrigerer Konzentration erhöhten elektrischen Widerstand, der den elektrischen Leistungscharakteristiken des Transistors entgegengesetzt ist. Beispielsweise kann der Transistor langsamer arbeiten als ein ähnlicher Transistor mit tieferen und höher konzentrierten p-Typ-Bereichen.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren zu schaffen, das eine genauere Steuerung der p-Typ-Bereichsbildung ermöglicht, ohne die elektrischen Kennwerte der so hergestellten Transistoren zu verschlechtern.
Das Dokument Sov. Phys. Doklady 251, # 4-6, S. 305/306 offenbart ein Verfahren der Bildung eines p-Typ-Bereichs in einem Siliciumsubstrat, wobei Galliumionen implantiert werden, Borionen in demselben Bereich implantiert werden und das Substrat wärmebehandelt wird. In ähnlicher Weise offenbaren das Dokument Extended Abstracts 80, # 2, S. 1106/1107 und US-A-4,295,898 Doppelimplantierungsverfahren für die Bildung von p-Typ-Bereichen, wobei die Dotierungsmittel B, Ga und Al umfassen. Diese Doppelimplantierungsverfahren wurden entwickelt mit dem Ziel, Gittereffekte bei niedrigeren Temperaturen zu reduzieren, als sonst erzielbar wäre.
Es wurde festgestellt, daß dann, wenn zwei unterschiedliche Dotierungsmittel gemeinsam implantiert und wärmebehandelt werden, die implantierten Ionen einander "anziehen", und die vorliegende Erfindung nützt diesen Effekt aus zur Steuerung der Größe des diffundierten Volumens. Im einzelnen wird die Querschnittsfläche des Bereiches, in den ein erstes Dotierungsmittel implantiert wird, so ausgewählt, daß sie kleiner ist als die Querschnittsfläche des Bereichs, in den ein zweites Dotierungsmittel implantiert wird. Auf diese Weise kann der Oberflächenabschnitt, der beispielsweise erforderlich ist zum Bilden von Source- und Drain-p-Typ-Bereichen, kleiner gehalten werden.
Beispielsweise kann eine beschränkte Menge von Ga in einen p-Typ-Bereich implantiert werden bis zu einer begrenzten Tiefe, zusammen mit einer größeren Menge von B, um die Diffusion des Bors in Grenzen zu halten, und dadurch kleinere Komponenten zu erzeugen. Mit dem begrenzten Volumen weist der resultierende Bereich elektrische Aktvität auf, die größer ist als das einfache additive Verhalten von Bor oder Gallium, wenn sie allein wirksam sind.
Im Betrieb rührt die Steuerung bezüglich der Diffusion des Bors von einer Anziehung zwischen dem Bor und dem Gallium während der Diffusion her. Demgemäß wird durch das Implantieren des Galliums mit einer relativ niedrigen Energiemenge derart, daß die Tiefe des Implantats flach ist, d.h. nahe der Oberfläche eines Siliciumsubstrats, die Anziehung des Bors auf das Gallium bewirken, daß auch dieses nahe der Oberfläche während der Wärmebehandlung bleibt. Wenn umgekehrt das Gallium tief implantiert wird mit einem hohen Energiepegel, wird seine Wirkung darin bestehen, die Boratome auf größere Tiefen zu "ziehen", als normalerweise während der Wärmebehandlung eintreten würde, womit man ein gesteigertes Diffusionsmuster erhält, wenn dies erwünscht ist.
Andere geeignete Kombinationen von Dotierungsmitteln des p-Typs, die ähnliche Resultate liefern, umfassen Aluminium-Bor, Gallium-Aluminium und Indium-Bor.

KURZE ERLÄUTERUNG DER ZEICHNUNGEN

Figuren 1A-1E sind seitlich gesehene Schnitte eines Silicium-Wafers während der Bearbeitung zur Bildung eines PMOS-Transistors gemäß der vorliegenden Erfindung;
Figur 2A ist eine graphische Darstellung, die die relative Trägerkonzentration für jeweils Bor, Gallium und eine Kombination von Bor und Gallium in einem Beispiel der Erfindung illustriert;
Figur 2B ist eine graphische Darstellung, die die relative Ionenkonzentration von Bor und Gallium illustriert, wenn sie einzeln implantiert werden und wenn sie gemäß der vorliegenden Erfindung gepaart werden;
Fig. 3 ist eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 2B zur Illustration der relativen Ionenkonzentrationen von Bor und Gallium unter unterschiedlichen Implantierungsbedingungen; und
Fig. 4 ist eine graphische Darstellung ähnlich Fig. 2A zur Illustration der Charakteristiken einer Bor-Aluminium-Kombination.

BESCHREIBUNG BEVORZUGTER AUSFÜHRUNGSFORMEN

Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren geschaffen für die Bildung eines p-Typ-Bereichs in einem monolithisch integrierten Schaltkreis, wie in Anspruch 1 definiert.
Wie vorbeschrieben, ist das Grundkonzept, das der vorliegenden Erfindung zugrundeliegt, die Modifikation der Charakteristiken eines p-Typ-Dotierungsmittels mit der Verwendung eines zweiten p-Typ-Dotierungsmittels. Die Anwendung dieses Prinzips bei der Herstellung eines PMOS-Feldeffekttransistors ist in Fig. 1A - 1E illustriert.
Gemäß Fig. 1A läßt man eine n-Typ-Kanalschicht 10 aufwachsen oder in anderer geeigneter Weise auf einem p-Typ-Substrat 12 entstehen. Eine Oxidschicht 14 wird dann über der Kanalschicht gebildet. Wie in Fig. 1B gezeigt, werden zwei Fenster 16 in der Oxidschicht in den Flächen gebildet, wo die Source- und Drainbereiche des Transistors zu lokalisieren sind. Galliumionen werden durch die Fenster 16 in die Flächen 18 längs der Oberfläche der Kanalschicht 10 implantiert. Falls erwünscht, kann eine dünne Oxidschicht in jedem Fenster belassen werden, um eine bessere Steuerung bezüglich der Implantierungstiefe zu ermöglichen.
Nach der Galliumionenimplantierung werden die Fenster 16 vergrößert, wie in Fig. 1C gezeigt. Borionen werden dann in die Flächen 20 durch diese vergrößerten Fenster implantiert. Die Energiepegel, die während jeder der Ionenimplantierungen verwendet werden, sind vorzugsweise gewählt relativ zueinander, derart, daß die Tiefe der Spitzenkonzentration annähernd die gleiche für beide Dotierungsmittel ist, falls es erwünscht ist, die Diffusion des Bors zu begrenzen. Die gesamte Struktur wird erhitzt für eine geeignete Zeitperiode, damit die Gallium- und Borionen gleichzeitig in die Kanalschicht 10 diffundieren und dadurch die Source- und Drainbereiche 22 bilden, wie in Fig. 1D gezeigt.
Danach wird der Rest der Oxidschicht 14 abgetragen, und eine neue Oxidschicht 14' wird über der gesamten Struktur gebildet. Die Höhe eines Abschnitts der Schicht 14', die über dem Kanalbereich 26 zwischen Source- und Drainbereichen liegt, wird reduziert, beispielsweise durch Atzen, und eine Gate-Elektrode 28 wird in diesem Flächenbereich deponiert. Zusätzlich werden Löcher geöffnet über dem Source- und Drainbereich, und Kontakte 30 werden vorgesehen für die elektrische Verbindung des Transistors in wohlbekannter Weise.
Die Kombination eines Paares von p-Typ-Dotierungsmitteln, wie oben beschrieben, führt zu hochstabilen Komplexen in einem begrenzten Volumen. Wegen ihrer Anziehungskraft aufeinander haben die beiden Dotierungsmittel die Tendenz, gemeinsam zu diffundieren, so daß jedes über den durch die Diffusion gebildeten p-Typ-Bereich verteilt wird. Die kombinierten Dotierungsmittel weisen Diffusionsdistanzen auf, die bis zu 1/4 Mikron kleiner sind als bei jedem alleinwirkenden Dotierungsmittel bei ähnlichen Pegeln der Spitzenkonzentration. Ein anderer Vorteil, der geschaffen wird, besteht darin, daß molekulare Aktivität bei niedrigeren Wärmebehandlungstemperaturen erzeugt wird. Demgemäß können Wärmebehandlungstemperaturen im Bereich von 700 bis 900ºC, am meisten bevorzugt etwa 800ºC, verwendet werden anstatt der 1000ºC+ Temperaturen, die typischerweise eingesetzt werden. Demgemäß wird es bei der Herstellung von CMOS-Schaltkreisen möglich, zuerst alle n-Kanal-Bearbeitungen vorzunehmen und dann mit den p-Kanal-Bearbeitungen zu folgen unter Verwendung niedrigerer Temperaturen oder kürzerer Wärmebehandlungszeiten, da bei den n-Typ-Dotierungsmitteln nur geringe Wahrscheinlichkeit besteht, daß sie unter solchen Umständen weiter diffundieren.
Mit höheren Wärmebehandlungstemperaturen jedoch kann die Modifikation der Diffusionscharakteristiken immer noch beobachtet werden, obwohl der Effekt nicht so betont sein wird.
Weitere Merkmale der Erfindung werden mittels der folgenden Beispiele illustriert.

BEISPIEL 1

Borionen wurden in Silicium implantiert durch eine Schicht von thermisch aufgewachsenem Oxid mit einer Dicke von 25 nm (Ånstrom). Die Dosierung betrug 3 x 10¹&sup4; Ionen/cm², und der Leistungspegel für das Implantieren betrug 20 KeV. Das Material wurde dann wärmebehandelt bei 900ºC während 30 Minuten in Stickstoff.
Die resultierende Konzentration von p-Typ-Trägern hatte eine Verteilung, wie sie durch die Kurve A in Fig. 2A gezeigt ist. Die Konzentration von Bor (Atome/Kubikzentimeter) hatte eine Verteilung, wie durch die mit gestrichelten Linien gezeichnete Kurve mit der Markierung B in Fig. 2B gezeigt.

BEISPIEL 2

Galliumionen wurden in Silicium durch eine Schicht von thermisch aufgewachsenem Oxid mit einer Dicke von 25 nm (250 Ångstrom) implantiert. Die Dosierung betrug 1 x 10¹&sup4; Ionen/cm², und der Leistungspegel für das Implantieren betrug 110 KeV. Das Material wurde dann bei 900ºC während 30 Minuten in Stickstoff wärmebehandelt.
Die resultierende Konzentration von p-Typ-Trägern hatte eine Verteilung, wie durch die Kurve B in Fig. 2A gezeigt, und die Galliumatome waren verteilt, wie mit der mit "Ga" bezeichneten gestrichelten Linie in Fig. 2B dargestellt.

BEISPIEL 3

Derselbe Bereich von Siliciumsubstrat wurde implantiert mit Borionen, wie in Beispiel 1 beschrieben, und Galliumionen wurden implantiert, wie in Beispiel 2 beschrieben. Die kombinierten Implantate wurden dann bei 900ºC während 30 Minuten in Stickstoff wärmebehandelt.
Die resultierende Konzentration von p-Typ-Trägern hatte eine Verteilung, wie durch Kurve C in Fig. 1A dargestellt. Die Bor- und Galliumatome hatte eine Verteilung, wie repräsentiert durch die beiden mit ausgezogenen Linien gezeichneten Linien in Fig. 2B. Aus diesen Kurven kann man sehen, daß die beiden p-Typ-Dotierungsmittel einander anziehen, wenn sie gepaart werden und gemeinsam wärmebehandelt werden. Diese gegenseitige Anziehung resultiert darin, daß die Spitzenkonzentration der Träger deutlich näher an der Oberfläche des Substrats liegt, als wenn jedes Dotierungsmittel allein verwendet wird. Infolgedessen können flachere p-Typ-Bereiche gebildet werden ohne Erhöhung des inhärenten Widerstandes.
Im vorangehenden Beispiel waren die Leistungspegel der Implantierungen so, daß der projektierte Eindringbereich RP der Ionen annähernd derselbe war, sowohl für Bor als auch für Gallium. Dies wird so gemacht, um die Bortiefe während der Wärmebehandlung zu begrenzen. Die gegenseitige Anziehung der beiden Dotierungsmittel kann verwendet werden, um der Komponente andere Charakteristiken zu verleihen, wie in den folgenden Beispielen gezeigt.

BEISPIEL 4

Borionen wurden in ein Siliciumsubstrat mit einer Dosis von 3 x 10¹&sup4; Ionen/cm² und einem Leistungspegel von 40 KeV implantiert. Nach dem Wärmebehandeln bei 900ºC während 30 Minuten hatten die Boratome eine Verteilung, wie mit der mit gestrichelten Linien gezeichneten Kurve B in Fig. 3 gezeigt.

BEISPIEL 5

Galliumionen wurden in ein Siliciumsubstrat mit einer Dosierung von 1 x 10¹&sup4; Ionen/cm² und einem Leistungspegel von 60 KeV implantiert. Nach der Wärmebehandlung liegt eine Gallium-Ionen-Verteilung vor, wie durch die mit gestrichelten Linien gezeichnete Kurve "Ga" der Fig. 3 gezeigt.

BEISPIEL 6

Bor- und Galliumionen wurden in ein Substrat, wie in Beispielen 4 und 5 beschrieben, jeweils implantiert und dann bei 900ºC während 30 Minuten wärmebehandelt. Die Ionen dieser beiden Dotierungsmittel hatten Verteilungen, wie mit den mit durchgezogenen Linien dargestellten Kurven der Fig. 3 gezeigt.
In den unmittelbar voranstehenden Beispielen ist der projektierte Bereich des Borimplantats viel größer als jener des Galliumimplantats (beispielsweise etwa 64 nm (640 Å) tiefer). Im Ergebnis haben die Borionen die Tendenz, die Galliumionen tiefer in das Substrat während der Wärmebehandlung zu "ziehen". Eine solche Möglichkeit, die Diffusion des Galliums zu beeinflussen, kann in bestimmten Fällen wünschenswert sein.
Obwohl die der Erfindung zugrundeliegenden Konzepte im Zusammenhang mit der Kombination von Bor und Gallium beschrieben wurden, sind sie nicht auf diese spezifischen p-Typ-Dotierungsmittel begrenzt. Beispielsweise resultiert eine Kombination von Aluminium oder Indium mit entweder Bor oder Gallium ebenfalls in Wechselwirkungen, die die gleichen vorteilhaften Charakteristiken schaffen.
Fig. 4 illustriert das besondere Ergebnis, daß erzielt wird, wenn Aluminium und Bor gepaart werden zur Bildung des p-Typ-Dotierungsmittels. Kurve A in Fig. 4 zeigt die Trägerkonzentration, wenn nur Bor mit einer Dosis von 6 x 10¹&sup5; bei 50 KeV implantiert und bei 950ºC unter neutralen Umgebungsbedingungen während 60 Minuten wärmebehandelt wurde. Kurve B zeigt die Trägerkonzentration, wenn nur Aluminium mit einer Dosis von 4 x 10¹&sup5; bei 100 KeV implantiert wurde und wärmebehandelt wurde bei 950ºC unter neutralen Umgebungsbedingungen während 60 Minuten. Wenn beide, Bor und Gallium, mit diesen selben Dosierungen implantiert werden und gemeinsam wärmebehandelt werden unter gleichen Bedingungen, ist die resultierende Trägerkonzentration die durch Kurve C dargestellte Wie man sehen kann, haben die kombinierten Dotierungsmittel ein Aktivträgerkonzentrationsprofil, das wesentlich dichter an der Oberfläche des Siliciums liegt als bei Bor allein.

Claims

1. Ein Verfahren zum Ausbilden eines p-Typ-Bereichs in einem monolithischen integrierten Schaltkreis, umfassend die Schritte:

Implantieren von Ionen eines ersten p-Typ-Dotierungsmittels mit einer vorbestimmten Energie in einen vorbestimmten Bereich eines Siliciumsubstrats durch einen ersten Abschnitt der Oberfläche des Substrats mit einem ersten Querschnittsareal,

Implantieren von Ionen eines zweiten p-Typ-Dotierungsmittels, abweichend von dem ersten p-Typ-Dotierungsmittel, in den Bereich mit einer vorbestimmten Energie durch einen zweiten Abschnitt der Oberfläche des Substrats mit einem zweiten Querschnittsareal, das den ersten Abschnitt umfaßt, wobei das erste Querschnittsareal, durch das das erste Dotierungsmittel implantiert wird, kleiner ist als das zweite Querschnittsareal, durch welches das zweite Dotierungsmittel implantiert wird,

Wärmebehandeln des Substrats, um beide Dotierungsmittel in das Substrat gemeinsam diffundieren zu lassen.

2. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Implantierungsschritte bei zugeordneten Energien ausgeführt werden, welche bewirken, daß die Spitzenkonzentration von Ionen bei etwa der gleichen Tiefe in dem Substrat für beide Dotierungsmittel liegt, so daß die Diffusionstiefe des ersten p-Typ-Dotierungsmittels in das Substrat begrenzt wird.

3. Das Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem jedes der ersten und zweiten Dotierungsmittel ausgewählt wird aus der Gruppe bestehend als Bor, Aluminium, Gallium und Indium.

4. Das Verfahren nach Anspruch 1, bei dem das zweite p-Typ-Dotierungsmittel in das Substrat bei größerer Tiefe implantiert wird als das erste Dotierungsmittel, um zu bewirken, daß das erste Dotierungsmittel tiefer in das Substrat diffundiert wird während der Wärmebehandlung, als ohne das Vorhandensein des zweiten Dotierungsmittels eintreten würde.