DE2109874C3 - Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper und Verfahren zum Herstellen - Google Patents

Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper und Verfahren zum Herstellen

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Description

Die Erfindung betrifft ein Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper, dessen Hauptoberfläche eine kristallographische Orientierung aufweist, die um einen Winkelbereich von der (100)-Achse abweicht, und mit einem auf der Hauptoberfläche angeordneten Siliziumoxidfilm.
Monokristalline Siliziumkörper mit einer Oberfläche, die parallel zu einer (100)-Ebene liegt, finden aufgrund ihres geringen Kanaleffektes (channel effect) und aus sonstigen Gründen seit einiger Zeit immer stärkere Ver-Wendung. Bei der Fabrikation eirhis Halbleiterbauelements aus dem Silizium-Kristallkörper werden in den Herstellverfahren die thermische Oxidation und sonstigen verschiedenen Behandlungen gewöhnlich an der Oberfläche des Kristallkörpers ausgeführt
Bei der thermischen Oxidation des Silizium-Kristallkörpers mit einer (lOO)-Kristallebene treten jedoch an der Siliziumoberfläche die in F i g. 3(a) und 4(a) gezeigten Stapelfehler auf, die sich auf die Eigenschaften des jeweiligen Transistors, der Diode oder dergleichen nachteilig auswirken; diese Fehler sind bei rauscharmen Transistoren besonders spürbar.
Es ist bekannt, daß thermische Oxidation oder Glühen in feuchter Sauerstoffatmosphäre bei Silizium-Einkristallen Stapelfehler an den Oberflächenschichten des Kristalls hervorrufen. Außerdem, wird gemeinhin angenommen, daß Wasserdampf- oder Sauerstoffatmosphäre in Verbindung mit Spannungszentren, die während der Oberflächenbehandlung des Kristalles eingeführt werden oder in gezogenen Kristallen in Form von Niederschlägen von Siiiziumdioxid bereits vorhanden sind, für die Erzeugung derartiger Stapelfehier verantwortlich sind. Über den Mechanismus im einzelnen ist jedoch bisher keine eindeutige Erklärung gegeben worden.
Zur Bildung des Oxidfilms (S1O2) mittels thermischer Oxidation der Oberfläche des Siliziumkristalls, wobei der auf eine hohe Temperatur erhitzte Kristallkörper in eine oxidierende Atmosphäre gebracht wird, ist eine wasserdampfhaltige Atmosphäre stärker in Gebrauch, da sie eine höhere Oxidationsgeschwindigkeit aufweist als eine wasserdampffreie oxidierende Atmosphäre (trockene Oxidation). Es kann zwar die Dichte der Stapelfehler durch Steuerung des Wasserdampfgehaltes reduziert werden, da diese Fehler infolge der Oxidation des Silizium-Kristallkörpers mit der (lOO)-Kristallebene
-to in einer wasserdampfhaltigen oxidierenden Atmosphäre (sogenannte feuchte Oxidation) auftreten; es war jedoch nicht möglich die Entstehung von Stapelfehlern vollständig zu verhindern, und außerdem war die Oxidationszeit unerwünscht verlängert. Wird ferner ein SiOj-FiIm an der Oberfläche des Silizium-Kristallköruers durch trockene Oxidation oder Zerlegung von Siian befestigt, so führt die an den Befestigungsvorgang anschließende Hochtemperatur-Behandlung dazu, daß Stapelfehler auftreten, wodurch die wesentliche Lösung des Problems unerreichbar wird.
Ein Stapelfehler besteht in einer Störung oder Unregelmäßigkeit der Stapel-Reihenfolge der Silizium-Kristallgitterebenen an einer bestimmten Ebene beispielsweise der (lll)-Ebene. An den Enden dieser Unregelmäßigkeit bestehen Versetzungen, die als partielle Versetzungen bezeichnet werden. Wie praktisch beobachtet wurde, bewirken bei Vorliegen dieses Fehlertyps in dem Kristallkörper die durch Diffusion eingeleiteten Störstoffatome oder die bereits in dem Kristall vorhandenen Störstoffatome an diesen Versetzungen, die wie eine Diffusionsröhre wirken, einen außerordentlichen Anstieg der Diffusionsgeschwindigkeit. Es ist bekannt, daß dann, wenn derartige Versetzungen durch den PN-Übergang verlaufen, die Eigenschaften des PN-Übergangs wegen der auftretenden Mikroplasmen verschlechtert werden (H. J. Queisser und A. Goetzberger, Philosophical Magazine, B. 8, 1963, S. 1063). Die Versetzung haben ferner die generelle Eigenschaft, als Rekom-
binationszentren für die Ladungsträger zu wirken, was insbesondere dann ein Problem darstellt, wenn rauscharme Eigenschaften gefordert werden.
Stapelfehler entstehen auch, wenn ein (lOO)-Siliziummaterial mit Fluorwasserstoff (HF) oder einer Fluorwasserstoffhaltigen Lösung zur Entfernung von auf den Kristallflächen zurückbleibenden unerwünschten Oxidfilmen zum Ätzen und dergleichen oder mit Salzsäure (HCl) zur Dampfätzung behandelt wird.
Aus der DE-OS 15 14 082 ist ein Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper bekannt, bei dem die Hauptoberfläche des Siliziumkörpers zwischen einer 100- und einer 110-Ebene liegt, also eine kristallographische Orientierung aufweist, die um einen Winkelbereich von der 100-Achse abweicht
Ausgehend von diesem bekannten eingangs genannten Halbleiterbauelement liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Silizium-Kristallkörper für ein Halbleiterbauelement mit einer Hauptoberfläche zu schaffe« Aio jf-o! yQji mit dem Aufbringen des Si!'*7'limr*v'^- films verbundenen Stapelfehlern ist, ohne daß c'-.e Eigenschaften der (lOO)-Kristallebene verlorengehen.
Diese Aufgabe wird bei einem Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper, dessen Hauptoberfläche eine kristallographische Orientierung aufweist, die um einen Winkelbereich von der (.100)-Achse abweicht, und mit einem auf der Hauptoberfläche angeordneten Siliziumoxidfilm dadurch gelöst, daß die kristallographische Orientierung der Hauptoberfläche von der (100)-Achse um einen Winkel von 2,5 bis 15° auf eine Achse zu abweicht, die in der (lOO)-Ebene liegt und einen Wjnkel von 0 bis 35° mit einer der Achsen (010), (001), (010) und (001) bildet. Stapelfehler in der Oberfläche eines derartigen monokristallinen Siliziumkörpers verringern sich oder verschwinden nach der thermischen Oxidation, nach dem Spülen oder Waschen mit Fluorwasserstoff, oder dergleichen. Die Erfindung läßt sich auch in wirksamer Weise bei eir.jm epitaxial aufgewachsenen monokristallinen Siliziumkörper anwenden.
Weitere vorteilhafte Ausbildungsformen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert; in diesen zeigt
Fig. la einen halokugelförmigen Liüzium-Einkristall zur Betrachtung von Stapelfehlern in verschiedenen Ebenen der Halbkugeloberfläche,
Fig. Ib einen Schnitt durch den halbkugelförmigen Silizium-Einkristall in der Ebene der (0ΪΊ) und (OlT)-Achsengemäß Fig. la,
F i g. 2 eii.e Draufsicht auf die Oberfläche des halbkugelförmigen Silizium-Einkristalls nach Fig. la zur Darstellung der Verteilung der Stapelfehler in dieser Fläche,
F i g. 3(a) bis 3(e) Mikroskopaufnahmen zur Darstellung der Stapelfehler in Silizium-Kristallflächen, deren kristallographische Orientierung von der (lOO)-Achse um 0°, 2,5°, 5°, 7° bzw. 10° in Richtung der (OlT)-Achse abweicht,
Fig.4(a) bis 4(e) Mikroskopaufnahmen von Stapelfehlern in epitaxial aufgewachsenen Silizium-Einkristallflächen, deren kristallographische Orientierung von der_( 100)-Achse um 0°, 2,5°, 5°. 7° bzw. 10° auf die (011)-Achse zu abweicht,
F i g. 5 den Bereich von Kristallebenen, die frei von Stapelfehlern sind, und
Fig. 6 einen Querschnitt durch einen NPN-Transistor mit einer Kristallebene als Hauptoberfläche, deren kristallographische Orientierung von der (lOO)-Achse um 4° in Richtung auf die (010)-Achse abweicht
Gemäß den Untersuchungen der Erfinder verlaufen die Stapelfehler, die an einer zur (100)-Ebene parallelen Fläche eines Silizium-Kristallkörpers beispielsweise nach der Entfernung eines thermisch erzeugten Oxidfilms und nach einem 50 Sekunden langen Ätzvorgang auftreten, parallel zu den Schnittlinien der (lOO)-Ebene und vier (111)-Ebenen, d. h. in den Richtungen der (011)- und (0lT)-Achsen, wie dies aus den Fotografien der F i g. 3(a) und 4(a) hervorgeht
Die Beziehung zwischen der Orientierung der Kristallebene und der Entstehung von Stapelfehlern erhellt aus dem nachstehend beschriebenen Experiment Dieses Experiment besteht darin, daß ein Siliziumkristall in halbkugelförmiger Konfiguration um die (100)-Achse geformt wird, daß der Kristall in eüier oxidierenden wasserdampfhaltigen Atmosphäre oxidiert wird, daß der so erzeugte Oxidfilm dann entfernt wird und daß der Ätzvorgang ausgeführt wird, und da? Maß der Erzeugung von Stapelfehlern an den Kristaii^benen in Abhängigkeit vom Unterschied des Winkels gegenüber der (lOO)-Achse zu beobachten.
F i g. la zeigt den halbkugelförmig ausgebildeten Siliziumkristall, wobei die Radiallinien vom Punkt 0 die zur (lOO)-Acnse senkrechten Kristallachsen angeben; infolge der kristaliographischen Symmetrie haben die Kristallebenen der zueinander orthogonalen Kristallachsen kristallographisch gleiche Eigenschaften. Fig. 1 b ist ein Querschnitt durch den halbkugelförmigen Siliziumkristall längs den Achsen (01T)- und (OTl), wobei die den Punkt 0 mit dem Mittelpunkt der halbkugelförmigen Oberfläche verbindende Linie die (100)-Achsen angibt Eine Tangente an der Kugelfläche des Silizium-Kristallkörpers in einem Punkt, der um einen Winkel 6>gegenüber der (lOO)-Grundachse versetzt ist, definiert eine Kristallebene jjnter dem Winkel Θ, die um diesen Winkel auf die (OlT)-Achse zu geneigt ist. Durch Einstellung von θ auf verschiedene Werte wurde die Erzeugung von Stapelfehlern in den jeweiligen Kristallebenen unters.cht.
Fig. 2 zeigt ein Beispiel für die Verteilung von Stapelfehlern, die mittels eines bewegbaren Mikroskops an den verschiedenen Kristallebenen der halbkugelförmigen Silizium-Kristalloberfläche beobachtet wurden, wobei der mit a bezeichnete Bereich den Abschnitt ohne auftretende Stapelfehler angibt, während der mit b bezeichnete Bereich den Abschnitt angibt, in dem Stapelfehler auftraten; wie aus Fig.2 ersichtlich, erscheinen die Stapelfehler an den Kugelabschnitten, die in den Richtungen der vier Kristallachsen (011), (ΟΐΤ),(θΤΤ) und (01 fliegen.
F i ρ 3(a) bis 3(e) sind Fotografien von mikrokristallinen Siliziumflächen, deren kristallographische Orientierung jeweils um 0°, 2^5°, 5°, 7° bzw. 10° von der
(lOO)-Achse auf die (OlT)-Achse zu abweicht, während F i g. 4(a) bis 4(e) Fotografien von Oberflächen von epitaxial aufgewachsenen Silizium-Einkristallkörpern sind, deren kristallograpnische Orientierung wiederum um jeweils 0°, 2,5°, 5°, 7° bzw. 10° von der (100)-Achse in Richtung auf die (OlT)-Achse abweicht, und zwar nachdem die thermische Oxidation ausgeführt und nachdem der dadurch erzeugte Siliziumoxidfilm entfernt worden ist.
Wie aus den Fotografien ersichtlich, haben die auftre-
6J tenden Stapelfehler bei einer Neigung der Kristallebene um 2,5° auf die (OlT)-Achse die Tendenz, daß sie auf diejenigen beschränkt sind, deren Schnitt mit der Silizium-Kristallcbene parallel zur (OlT)-Achse verläuft, wäh-
rend die zur (011)-Achse parallelen Fehler die Tendenz haben, zu verschwinden. Diese Tendenz herrscht bis zu einem Winkel von 7 bis 8° vor; bei einem Winkel von etwa 10" treten die zur (OOl)-Achse parallelen Stapelfehler wieder auf, wobei sich jedoch aufgrund der Ver- Schiebung der Kristallorientierung um 10° gegenüber der (lOO)-Achse die Form /N aufweisen, jedoch eine geringere Fehlerdichte als in der (lOO)-Ebene zeigen. Andererseits verschwinden die Stapelfehler an einer (nicht gezeigten) Kristallebene, die gegenüber der (lOO)-Achse um einen Winkel von 2,5° auf die (001)-Achse zu geneigt ist, und diese Tendenz herrscht bis zu einem Winkel von etwa 15° vor. Das obige Ergebnis hat sich als reproduzierbar erwiesen.
Die Entstehung und das Verschwinden der oben beschriebenen Stapelfehler haben aufgrund der kristallographischen Symmetrie zwischen den Kristallebenen orthogonaler Kristaiiachsen gemäß Fig. ib die gleiche Tendenz, wobei sich jedoch die Fehlerdichte je nach den Bedingungen der thermischen Oxidation ändert. Beispielsweise hängt die Fehlerdichte von der Oxidationstemperatur, dem verwendeten Wasserdampfgehalt sowie von winzigen Beschädigungen oder Verschmutzungen der Oberfläche während der Oberflächenbehandlung ab. Bei dem Experiment der Erfindung wurde eine spiegelblank polierte Oberfläche eines Siliziumkristalls unter höchst allgemeinen Bedingungen oxidiert, wie sie bei der Fabrikation von Halbleiterbauelementen angewandt werden, d. h. bei einer Oxidalionstemperatur von 12000C, mit diesendem Wasser bei einer Temperatur von 95CC und bei einer Sauerstoff-Strömungsgeschwindigkeit von 1,0 Liter pro Minute, wobei nach Entfernen des Oxidfilms bis zu einer Tiefe von I bis 2 μπι geätzt wurde. Die Untersuchung führte zu dem Ergebnis, daß die Dichte der Stapelfehler, ausgedrückt als Durch-Störstoffen, die den N-Leitungstyp bestimmten, beispielsweise durch Ziehen auf einen Durchmesser von etwa 50 mm gebracht. Bei diesem Vorgang ist es zweckmäßig, daß die Zugabe mit der (lOO)-Richtung zusammenfällt. Das Rohmaterial wird dann in eine Vielzahl von Plättchen mit ebenen Flächen zerschnitten, die senkrecht zu einer Orientierung liegen, die um 4° von der (100)-Achse des Rohmaterials auf die (010)-Achse zu abweicht. In Fig.6 bezeichnet die Ziffer 1 einen Abschnitt eines so erzeugten Plättchens mit einem spezifischen Widerstand von etwa 0,02 Ω ■ cm. An der Oberfläche 2 des Plättchens 1 wird eine N-Siliziumschicht 3 mit einem spezifischen Widerstand von etwa 3 bis etwa 5 Ω ■ cm und einer Dicke von 13 bis 17 μπι epitaxial aufgewachsen. Die Oberfläche 4 der epitaxialen Schicht 3, deren kristallographische Orientierung um <T von der (lOO)-Achse auf die (OlO)-Achse zu abweicht, wird einer feuchten oxidierenden Atmosphäre bei etwa 1000"C ausgesetzt, wodurch ein Siliziumoxidfilm 5.mit einer Dicke von etwa 600 nm geformt wird. Aus dem oben beschriebenen Experiment ist zu entnehmen, daß die Oberfläche 4 frei von Stapelfehlern ist. Unter Benutzung der gewöhnlichen fotolithografischen Technik wird der Siliziumoxidfilm mit einem Ätzmittel, beispielsweise einer wäßrigen Lösung von Fluorwasserstoff oder von Fluorwasserstoff und Ammoniumfluorid (NH4F). selektiv graviert, um ein Loch zum selektiven Eindiffundieren vorzusehen. Durch Eindiffundieren eines P-Störstoffs wie etwa Bor durch das Loch hindurch in die epitaxiale Schicht 3 wird eine Basiszone 6 gebildet, die eine Oberflächenkonzentration von etwa 6 · 1018 Atomen pro Kubikzentimeter aufweist. Während der Diffusion wird in dem Loch ein neuer Siliziumoxidfilm 7 mit einer Dicke von etwa 500 nm gebildet, der dann selektiv entfernt wird, um einen Teil der Oberfläche 4 freizule-
ttSISiu pi"u v./üäuratZciitiiiictcr, uci ctüVä 8,0 · 10* gen. in uicac ircigcicgtc Oberfläche Wird ein N-Störatöif
im Falle eines Winkels von 3 bis 8° lag.
In F i g. 2 gibt der Bereich mit den ,Y-Zeichen um die (100)-Achse den Bereich an, in dem gemäß F i g. 3(a) und 4(a) eine große Anzahl von Stapelfehlern auftreten: diesei Bereich liegt innerhalb eines Winkels von etwa 2,5° entsprechend dem Winkel θ nach Fig. Ib und hat die höchste Dichte an Stapelfehlern. In den Bereichen, in denen die Abweichung etwa 10° von dei (100)-Achse beträgt, entstehen zwar noch Stapelfehler, ihre Dichte ist jedoch im Vergleich zur Umgebung der (lOO)-Achse (innerhalb 25°) reduziert. Andererseits ist der Abschnitt a vollkommen frei von der Erzeugung von Stapelfehlern. Dieser Abschnitt a liegt nach F i g. 5 zwischen dem Winkel Φ kleiner gleich 35'.
Da jedoch die hervorragenden Eigenschaften der (100)-Ebene verlorengehen, wenn der Winkel θ zn groß gewählt wird, wird ein Winkel von 15° bevorzugt, um die Eigenschaften genügend auszunützen.
Wie aus der obigen Beschreibung erheilt, ist es erfindungsgemäß möglich, ein Halbleiterbauelement mit einem Silizium-Kristallkörper mit einer bestimmten Kristallorientierung ohne Beeinflussung durch die Stapelfehler zu erhalten.
Dieser Vorteil tritt auch bei einem monokristallinen Siliziumkörper auf, dessen Hauptoberfläche mit Fluorwasserstoff oder Chlorwasserstoff oder dergleichen behandelt werden soll, um Oberflächenoxide oder an der Oberfläche beschädigte Schichten zu entfernen.
In Fig.6 ist ein NPN-Transistor gezeigt, dessen Hauptoberfläche eine solche Kristaliebene bildet.
Zur Herstellung eines solchen Transistors wird zunächst ein monokristallines Silizium-Rohmaterial mit wie etwa Phosphor eindiffundiert, wodurch eine Emitterzone 8 mit einer Oberflächenkonzentration von etwa 2 - 1021 Atomen pro Kubikzentimeter geformt wird. Als letztes wird in dem neuen Oxidfilm 7 ein Loch für eine Basiselektrode 10 vorgesehen, und schließlich werden die Emitterelektrode 9, die Basiselektrode 10 und die Kollektorelektrode 11 an den entsprechenden Oberflächenteilen angebracht.
Der so hergestellte Transistor hat ausgezeichnete elektrische Eigenschaften; insbesondere sind das Stoßrauschen und/oder das 1 //"-Rauschen gegenüber einem Transistor mit einer (100)-Ebene als Hauptoberfläche vermindert.
Bei den erfindungsgemäßen Halbleiterbauelementen ist der Fehler vermieden, daß die Durchbruchsspannung des PN-Übergangs durch Stapelfehler, die diesen Obergang schneiden, verschlechtert wird.
Es ergibt sich ferner auch, daß bei MOS-Transistoren der Prozentsatz an Kurzschlüssen zwischen Source und Drain vermindert wird.
Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:
1. Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper, dessen Hauptoberfläche eine kristallographische Orientierung aufweist, die um einen Winkjlbereich von der (100)-Achse abweicht, und mit einem auf der Hauptoberfläche angeordneten Siliziumoxidfilm, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographische Orientierung der Hauptoberfläche (4) von der (100)-Achse um einen Winkel von 2$ bis 15° auf eine Achse zu abweicht, die in der (100)-Ebene liegt und einen Winkel von 0 bis_35° mit einer der Achsen (010), (001), (010) und (001) bildet.
2. Halbleiterbauelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographische Orientierung der Hauptoberfläche (4) um 2,5 bis 8° von der (iCO)-Achse abweicht.
3. Halbleiterbauelement nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die kristallographische Orientierung der Hauptoberfläche (4) um 4° von der (100)-Achse abweicht.
4. Halbleiterbauelement nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß in dem monokristallinen Siliziumkörper (3) ein Halbleiterbereich (6) ausgebildet ist, dessen Leitungstyp zu dem des Siliziumkörpers (3) entgegengesetzt ist und der mit dem Siliziumkörper (3) einen PN-Übergang bildet, daß 'rmer ein Siliziumoxidfilm (7) einen Teil der Hauptoberfläche (4) bedeckt und daß an dem Halbleiterbereich (6) ein elektrischer Anschluß (10) vorgesehen ist (F i g. 6).
5. Halbleiterbauelement nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der monokristalline Siliziumkörper (3) aus einer epitaxial aufgewachsenen Siliziumschicht besteht.
6. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 4, bei dem auf einem Siliziumkörper ein Siliziumoxidfilm durch thermische Oxidation der Oberfläche des Siliziumkörpers aufgetragen wird, dadurch gekennzeichnet, daß die mit dem Siliziumoxidfilm beschichtete Oberfläche so gelegt wird, daß ihre kristallographische Orientierung von der (100)-Achse um 2,5 bis 15° auf eine Achse zu abweicht, die in der (100) Ebene liegt und einen Winkel von 0 bis 35° mit einer der Achsen (010), (001) (010) und (001) bildet.
7. Verfahren zur Herstellung eines Halbleiterbauelements nach Anspruch 5, mit einer auf eine Hauptoberfläche eines Siliziumkörpers epitaxial aufgewachsenen Siliziumschicht, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptoberfläche des Siliziumkörpers so gelegt wird, daß ihre kristallographische Orientierung vonder(100)-Achseum2,5bis 15° auf eine Achse zu abweicht, die in der (100)-Ebene liegt und einen Winkel von 0 bis 35° mit einer der Achsen (010), (001), (01O)1(OOl) bildet.
DE2109874A 1970-03-02 1971-03-02 Halbleiterbauelement mit einem monokristallinen Siliziumkörper und Verfahren zum Herstellen Expired DE2109874C3 (de)

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