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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
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Halbleiterbauelements in einem die kubische Diamantgitterstruktur
aufweisenden Halbleiterscheibchen mit einer parallel zu einer der t1003 -Kristallebenen
verlaufenden Hauptfläche, in welchem das Halbleiterscheibchen mit Hilfe einer an
seiner Peripherie vorgesehenen Hauptorientierungsebene auf eine Bezugsposition ausgerichtet
und dann bearbeitet wird, wobei angrenzend an die Hauptfläche eine geradlinige Struktur
mit Spannungsverwerfungen in dem Scheibchen verursachenden und in Bezug auf die
Hauptorientierungsebene um ein Mehrfaches von 900 orientierten Kanten gebildet wird.
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Sie betrifft ferner ein Halbleiterscheibchen mit kubischer Diamantgitterstruktur
und einer parallel zu einer dert100i-Kristall ebenen verlaufenden Hauptfläche und
mit einer Hauptorientierungsebene an der Scheibchenperipherie.
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Einkristallines Silizium ist ein verbreitetes Substratmaterial zum
Herstellen eines halbleitenden Festkörperaufbaus, wobei die jeweiligen Substrate
in Form kreisförmiger Scheibchen vorbereitet werden. Die Scheibchen werden durch
Zerschneiden eines zylindrischen Stabs aus einkristallinem Silizium senkrecht zu
seiner Hauptachse hergestellt. Geeignete Stäbe können nach dem Czochralski-Verfahren
gewonnen werden. Silizium besitzt eine kubische Diamantgitter-Kristallstruktur;
die spezielle kristallografische Orientierung des Scheibchens bei dessen Verarbeitung
ist eine der physikalischen Parameter, die abhängig von der vorgesehenen Anwendung
des Halbleiterscheibchens auszuwählen sind.
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In einer Folge von Schritten zum Herstellen eines Halbleiterbauelements
wird für ein Scheibchen typisch vorgeschrieben, daß seine Hauptflächen parallel
zu einer der t100t -oder t -Kristallebenen liegen sollen. Beispielsweise wird für
ein Scheibchen eine parallel zu einer der 6111? -Ebenen liegende Hauptfläche dann
vorgeschrieben, wenn die
Hauptfläche epitaktisch beschichtet werden
soll. Ein Scheibchen mit einer Hauptfläche parallel zu einer #ioo.? -Ebene wird
typisch vorgeschrieben, wenn ein Oxid auf der Hauptfläche gebildet werden soll,
z.B. bei der Herstellung eines MOSFET (Metall-Oxid-Halbleiter-Feld-Effekt-Transistor).
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Nach der konventionellen kristallografischen Nomenklatur gehören in
einem kubischen System zur Familie der {111}-Ebenen die kristallografischen Äquivalente
(111), (111), (1?i), (ii#), (1T1), (111), (tut) und (111). Ein Scheibchen mit einer
parallel zu einer der {111} -Ebenen liegenden Hauptfläche wird typisch als (lll)-Scheibchen
spezifiziert. Ähnlich gehören in einem kubischen System zur Familie der t100 -Ebenen
die (100)-, (010)-, (001)-, (100)-, und und(001)-Ebenen; und ein Scheibchen mit
einer parallel zu einer der {100} -Ebenen liegenden Hauptebene wird im allgemeinen
als (100)-Scheibchen angesprochen.
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Weitere Erläuterungen der kristallografischen Orientierung zum Herstellen
eines Halbleiteraufbaus können entnommen werden aus: D.O. Townley, Zeitschrift "Solid
State Technology", Januar 1973, 43 bis 47; G.E. Moore, Sr. et al, Zeitschrift "Solid
State Technology", Februar 1975, 40 bis 43; und US-PS 42 68 848.
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Um die Orientierung der kristallografischen Richtungen auf der Oberfläche
eines Siliziumscheibchens anzuzeigen, wird das Scheibchen üblicherweise mit einer
Orientierungsebene oder mehreren solcher Ebenen an seinem im übrigen kreisförmigen
Umfang versehen. Diese Ebenen werden - vor dem Zerteilen in Scheibchen - durch mechanisches
Schleifen eines Teils der Oberfläche des zylindrischen Siliziumstabs als parallel
zur Hauptachse des Stabs verlaufende Fläche gebildet. Wenn mehrere solcher Orientierungsebenen
vorgesehen
werden, wird eine der Ebenen länger als die anderen gemacht
und im allgemeinen als Hauptorientierungsebene bezeichnet.
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Von einer Hauptorientierungsebene spricht man auch, wenn nur eine
einzige Orientierungsebene vorliegt.
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Bei dem Herstellen eines Halbleiteraufbaus werden die Orientierungsebenen
als Mittel zum mechanischen Ausrichten des Scheibchens in eine besondere Bezugsposition
verwendet.
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Während einer typischen Bearbeitungsfolge wird das Scheibchen mehrfach
auf diese Weise ausgerichtet. Beispielsweise in einer herkömmlichen fotolithografischen
Bearbeitungsfolge wird ein Scheibchen, dessen Hauptfläche mit Fotoresist bedeckt
ist, vor dem Belichten mechanisch ausgerichtet und fixiert. Hierbei wird die Hauptorientierungsebene
zum Anschlag an eine Bezugsfläche gebracht, welche durch zwei Ausrichtstifte in
einer Spannvorrichtung gebildet sein kann. Entweder eine zweite Orientierungsebene
oder der kreisförmige Rand des Scheibchens wird dann zum Anschlag an eine zweite
Bezugsfläche, beispielsweise einen dritten Ausrichtstift, gebracht.
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Nach einer zusätzlichen, z.B. optischen, Justierung der ausgerichteten
Position wird der Fotoresist auf dem Scheibchen mit einem bestimmten Maskenmuster
selektiv belichtet.
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Während des Belichtens werden Strukturen, z.B. nachfolgend zu dotierende
Substratzonen oder verschiedene auf der Scheibchenoberfläche liegende Schichten
aus Silizium oder anderen Materialien, begrenzt. Diese Strukturen besitzen herkömmlich
geradlinige Geometrien, deren Kanten so orientiert werden, daß sie parallel oder
senkrecht zur Hauptorientierungsebene liegen. Nach dem Begrenzen und Herstellen
dieser Strukturen wurde eine Korrelation zwischen der Orientierung der geradlinigen
Kanten der Strukturen und den kristallografischen Fehlern des Scheibchens beobachtet.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Vermindern
der beim Herstellen eines halbleitenden Festkörperaufbaus erzeugten kristallografischen
Defekte zu schaffen. Insbesondere wird nach einem Verfahren zum Ausrichten von Strukturen
eines Halbleiterbauelements in Bezug auf eine besondere kristallografische Richtung
gesucht.
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Die erfindungsgemäße Lösung besteht für das eingangs genannte Verfahren
zum Herstellen eines Halbleiterbauelements in einem Halbleiterscheibchen mit einer
parallel zu einer der F100 -kubischen Diamantgitter-Kristallebenen verlaufenden
Hauptfläche und einer an seiner Peripherie vorgesehenen Hauptorientierungsebene
darin, daß zum Minimieren der Zahl der beim Herstellen an den Kanten eingeführten
Versetzungen ein Halbleiterscheibchen mit parallel zu einer der in der Hauptfläche
liegenden kristallografischen #001)-Richtungen ausgerichteter Hauptorientierungsebene
verwendet wird. Gemäß weiterer Erfindung wird in dem Verfahren ein Halbleiterscheibchen
mit kubischer Diamantgitterstruktur eingesetzt, dessen Hauptorientierungsebene parallel
zu einer der in der Hauptfläche liegenden #OOi>-Kristallrichtungen verläuft.
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Im Laufe des Herstellungsverfahrens werden geradlinige Strukturen
an der Scheibchenoberfläche gebildet. Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde,
daß die geradlinigen Strukturen Kanten besitzen, die Spannungsverwerfungen verursachen,
und daß die Spannungsverwerfungen entweder parallel oder senkrecht zu der Hauptorientierungsebene
ausgerichtet sind. Um also die an den Kanten der geraden Strukturen bei der Bauelementbearbeitung
gekeimten und fortgepflanzten Versetzungen zu minimieren, wird erfindungsgemäß vorgesehen,
die Hauptorientierungsebene parallel zu einer der 4001> -Kristallrichtungen zu
orientieren, die in der speziellen #100?-Ebene der Scheibchenoberfläche liegen.
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Anhand der schematischen Darstellung in der Zeichnung werden Einzelheiten
der Erfindung beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine Draufsicht auf ein herkömmliches
(100)-Siliziumscheibchen; Fig. 2 eine Mikrofotografie eines herkömmlich bearbeiteten
(100)-Siliziumscheibchens mit darin in bekannter Weise orientierten geradlinigen
Strukturen; und Fig. 3 eine Draufsicht auf ein (10O)-Halbleiterscheibchen, welches
im erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt wird.
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Beim Herstellen eines bekannten Halbleiteraufbaus wird ein im wesentlichen
kreisförmiges, einkristallines (100)-Siliziumscheibchen 10 mit einer Hauptfläche
14 nach Fig. 1 eingesetzt. Dieses (100)-Scheibchen 10 besitzt eine Hauptorientierungsebene
12, die längs einer der kristallografischen <011>-Richtungen orientiert ist,
die auf der Ebene der Scheibchenoberfläche 14 liegen. Wie oben angedeutet, wird
ein solches Scheibchen 10 typisch bei der Fabrikation von MOSFET-Vorrichtungen verwendet,
in denen eine Hauptfläche 14 vom #100£-Typ gewünscht wird. Zur Erläuterung sei darauf
hingewiesen, daß die {100}-Hauptfläche 14 des Scheibchens 10 im folgenden als parallel
zu der (100)-Ebene betrachtet wird. In der (Oll>-Familie von Richtungen, zu denen
die -, [101] -, [011] -, [110] -, [110] -, (101] -, [101] -, -, -, [110] -, - und
-Richtungen gehören, liegen die [011] -, [011] -, - und -Richtungen in der (100)-Ebene.
Ebenso wird die Orientierung der Ebene 12 im folgenden zum Zwecke der Klarheit als
parallel zu der 2010 -Richtung betrachtet.
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Beim Herstellen einer MOSFET-Vorrichtung wird eine Vielzahl von geradlinigen
Strukturen, z.B. die mit 16 bezeichneten Gebilde oder Merkmale, angrenzend an die
Oberfläche 14 fotolithografisch erzeugt. Diese Strukturen 16 können beispielsweise
Siliziumnitrid, polykristallines Silizium, Siliziumdioxid oder eine Vielzahl anderer
Materialien auf der Oberfläche 14 umfassen. Außerdem können zu den Strukturen 16
dotierte Zonen des Halbleiterscheibchens gehören.
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Beispielsweise kommen zum Bilden von PN-Übergängen oder Übergängen
zwischen gut- und schlechtleitenden Bereichen durch Diffusion oder Ionenimplantation
erzeugte dotierte Bereiche an der Oberfläche 14 in Frage.
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Die Strukturen können allgemein dadurch gekennzeichnet werden, daß
sie geradlinige Kanten 18 besitzen, welche entweder senkrecht oder parallel zu der
goli -Orientierungsebene 12 stehen. Die herkömmliche Orientierung der Strukturen
16, deren Kanten 18 parallel oder senkrecht zu der Richtung auf (100)-Scheibchen
liegen, besitzt eine den Spaltebenen in der kubischen Diamantgitterstruktur des
Siliziums entsprechende Basis. Wenn auf einem einzigen Scheibchen mehrere Haibleitervorrichtungen
herzustellen sind, werden die Einzelvorrichtungen herkömmlich längs Linien voneinander
getrennt, die den auf den kristallinen Spaltebenen, d.h. i111} -Ebenen, liegenden
Richtungen entsprechen. Zum Maximieren der Packungsdichte von Strukturen dieser
Bauelemente werden in den Strukturen Kanten 18 vorgesehen, die parallel und senkrecht
zu den genannten Richtungen verlaufen. Auf der (100)-Oberfläche liegen die 50110
-, joi)i - Foi# und g Richtungen auf den £111im Spaltebenen.
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Die Kanten 18 verursachen jedoch Spannungsverwerfungen im Siliziumscheibchen
10, und diese Spannungsverwerfungen neigen dazu, kristallografische Defekte, z.B.
Versetzungen,
im einkristallinen Scheibchen 10 zu erzeugen. Ferner
wurde festgestellt, daß die durch die Spannungsverwerfungen in herkömmlichen Scheibchen
eingeführten Versetzungen stark dazu neigen, sich bei den im Zuge der Herstellung
der Halbleiterbauelemente anschließenden Bearbeitungsschritten fortzupflanzen, und
daß die Verschlechterung der kristallinen Siliziumstruktur als Folge dieser Defekte
zu einer erheblichen Beeinträchtigung der letztlich aus den Scheibchen hergestellten
Vorrichtungen führt.
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Eine Mikrofotografie eines herkömmlich orientierten (100)-Siliziumscheibchens
mit parallel uns senkrecht zu der Eoii#-Richtung orientierten geradlinigen Strukturen
wird in Fig.
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2 dargestellt. Die Mikrofotografie wurde mit Hilfe eines Nomarski-Interferenz-Kontrastmikroskops
aufgenommen.
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Die dargestellten Strukturen ergaben sich aus folgenden Verfahrensschritten:
a. Bilden einer Siliziumdioxidschicht auf einer Oberfläche eines (100)-Scheibchens;
b. fotolithografisches Begrenzen und Ätzen der Siliziumdioxidschicht, so daß eine
einen Teil der Scheibchenoberfläche bedeckende Siliziumdioxidmaske entsteht; c.
Implantieren von Ionen in durch die Maske nicht bedeckte Oberflächenteile; d. Wärmebehandeln
zum Tempern des Scheibchens und zum Diffundieren der implantierten Ionen; e. Entfernen
des bei der Wärmebehandlung gebildeten Oxids; f. Bilden einer zweiten Siliziumdioxidschicht
auf der Scheibchenoberfläche; g. Bilden einer Siliziumnitridschicht auf der zweiten
Siliziumdioxidschicht;
h. fotolithografisches Begrenzen und Ätzen
der Siliziumnitrid/Siliziumdioxidschicht zum Herstellen einer zweiten einen Teil
der Scheibchenoberfläche bedeckenden Maske; i. Bilden einer Feldoxidschicht auf
nicht von der zweiten Maske bedeckten Bereichen der Scheibchenoberfläche; j. Entfernen
der zweiten Maske und des Feldoxids; und k. Ätzen in Wright-Ätzmitteln zum Sichtbar-
bzw. Glänzendmachen aller auf der Scheibchenoberfläche vorhandenen Defekte; das
Wright-Ätzmittel ist eine Kombination von HF, HN03, CrO3, CH3C00H, destilliertem
Wasser und Cu(N03)2#2H20; eine typische Mischung besteht aus: 60 ml HF 30 ml HN03
30 ml Cr03 - eine 5 molprozentige Lösung 60 ml CHQCOOH 60 ml destilliertes Wasser
2 mg Cu(N03)2#3H20.
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Wie in Fig. 2 gezeigt wird, fand die Ionenimplantation beim Verfahrensschritt
(c) in der mit 30 bezeichneten Implantationszone statt; Kristalldefekte 32 treten
bevorzugt in den Bereichen des Siliziumscheibchens auf, wo die Kanten der Siliziumnitrid/Siliziumdioxid-Maskenstruktur
34 gebildet waren. Dieser Effekt beruht wahrscheinlich darauf, daß die Kanten der
Siliziumnitrid/Siliziumdioxid-Maskenstruktur 34 Spannungsverwerfungen bzw. Spannungsstufen
im angrenzenden Silizium liefern und daß diese Spannungsverwerfungen eine Vielzahl
von Versetzungen einführen. Experimentell wurde die Dichte der Versetzungen bestimmt
aus der Dichte von durch das Wright-Ätzmittel erzeugten Ätzgrübchen. In Fig. 2 beträgt
die Versetzungsdichte annähernd 104 pro cm des Umfangs der Siliziumnitrid/Siliziumdioxid-Maskenstruktur
34.
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In der kubischen Diamantgitterstruktur des Siliziums bilden die Ebenen
der #ii4-Familie Gleitebenen. Da die durch die Maskenstruktur 34 verursachten Spannungsverwerfungen
in den <011> -Richtungen liegen und sich diese Richtungen auf den 8 -Gleitebenen
befinden, ist die Energie für die Keimbildung von Versetzungen in diesen Richtungen
relativ gering. Ferner kann angenommen werden, daß diese Versetzungen, wenn sie
einmal entstanden sind, relativ leicht fortgesetzt und vervielfacht werden, weil
der zugehörige Burgers-Vektor in der Gleitebene liegt.
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Hiernach kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch dahingehend
spezifiziert werden, den vorgenannten Prozeß der Versetzungskeimbildung und -ausbreitung
zu beherrschen und zu bremsen.
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Nach Fig. 3 wird beim erfindungsgemäßen Verfahren ein im wesentlichen
kreisförmiges (100)-Siliziumscheibchen 20 verwendet, das eine Hauptorientierungsebene
22 parallel zu einer der <001>-Richtungen besitzt, welche auf der (100)-Ebene
der Hauptfläche 24 des Scheibchens liegen. Zur Vereinfachung wird die Hauptorientierungsebene
22 parallel zu der [001] -Richtung dargestellt, es sei jedoch darauf hingewiesen,
daß bei einer (100)-Scheibchenoberfläche die [010]-, - und [010] -Richtungen- und
äquivalent sind.
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Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird das Scheibchen 20 ebenso wie
das Scheibchen 10 bearbeitet, so daß auf seiner Hauptfläche -24 geradlinige Strukturen
16 mit Kanten 18 entstehen, welche entweder parallel oder senkrecht zu der Hauptorientierungsebene
22 liegen; das heißt, daß die geradlinigen Strukturen 16 Kanten 18 besitzen, die
Spannungsverwerfungen bzw. -stufen verursachen, die um 900 oder ein Vielfaches davon
in Bezug auf die Hauptorientierungsebene 22 ausgerichtet bzw. geschwenkt sind.
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Die geradlinigen Strukturen 16 auf dem Scheibchen 20 führen aber zu
einer beträchtlich geringeren Keimbildung und Fortpflanzung von Versetzungen an
den Kanten 18. Es wird vermutet, daß dieses Ergebnis erhalten wird, weil erfindungsgemäß
die (OOl>-Richtungen, zu denen die Kanten 18 parallel liegen, gegenüber den il13-Gleitebenen
um einen maximalen Betrag, d.h. 45° , winkelversetzt sind. Da die die Kanten 18
der geradlinigen Struktur 16 begleitenden Spannungsverwerfungen bzw. -stufen erfindungsgemäß
von den ; -Gleitebenen weg verlegt werden, ist die Energie zum Keimen von Versetzungen
größer, und der Burgers-Vektor jeder trotzdem gekeimten Versetzung liegt nicht in
einer Gleitebene. Wie aus der Kristallografie bekannt ist, kann eine Versetzung
nicht durch einen Gleitmechanismus fortgepflanzt werden, wenn der Burgers-Vektor
der Versetzung nicht in einer Gleitebene liegt. Irgendeine beliebig entstandene
Versetzung kann sich daher nicht ohne weiteres vervielfachen.
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Nach dem Bearbeiten des Scheibchens in den vorbeschriebenen Stufen
(a) bis (k) wurden beträchtlich weniger Versetzungen beobachtet. Auf dem Scheibchen
20 lag die Versetzungsdichte in der Größenordnung von 1 pro cm des Umfangs der Siliziumnitrid/Siliziumdioxid-Maskenstruktur.