DE3514691A1 - Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements in einem halbleiterscheibchen und entsprechendes halbleiterscheibchen mit diamantgitterstruktur - Google Patents

Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements in einem halbleiterscheibchen und entsprechendes halbleiterscheibchen mit diamantgitterstruktur

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DE3514691A1 DE19853514691 DE3514691A DE3514691A1 DE 3514691 A1 DE3514691 A1 DE 3514691A1 DE 19853514691 DE19853514691 DE 19853514691 DE 3514691 A DE3514691 A DE 3514691A DE 3514691 A1 DE3514691 A1 DE 3514691A1
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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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).
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Von einer Hauptorientierungsebene spricht man auch, wenn nur eine einzige Orientierungsebene vorliegt.
  • Bei dem Herstellen eines Halbleiteraufbaus werden die Orientierungsebenen als Mittel zum mechanischen Ausrichten des Scheibchens in eine besondere Bezugsposition verwendet.
  • 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.
  • Nach einer zusätzlichen, z.B. optischen, Justierung der ausgerichteten Position wird der Fotoresist auf dem Scheibchen mit einem bestimmten Maskenmuster selektiv belichtet.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Eine Mikrofotografie eines herkömmlich orientierten (100)-Siliziumscheibchens mit parallel uns senkrecht zu der Eoii#-Richtung orientierten geradlinigen Strukturen wird in Fig.
  • 2 dargestellt. Die Mikrofotografie wurde mit Hilfe eines Nomarski-Interferenz-Kontrastmikroskops aufgenommen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Hiernach kann die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe auch dahingehend spezifiziert werden, den vorgenannten Prozeß der Versetzungskeimbildung und -ausbreitung zu beherrschen und zu bremsen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.

Claims (10)

  1. "Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements in einem Halbleiterscheibchen und entsprechendes Halbleiterscheibchen mit Diamantgitterstruktur" Patentansprüche: 1. Verfahren zum Herstellen eines Halbleiterbauelements in einem die kubische Diamantgitterstruktur aufweisenden Halbleiterscheibchen (20) mit einer parallel zu einer der jl00# -Kristallebenen verlaufenden Hauptfläche (24), in welchem das Halbleiterscheibchen (20) mit Hilfe einer an seiner Peripherie vorgesehenen Hauptorientierungsebene (22) auf eine Bezugsposition ausgerichtet und dann bearbeitet wird, wobei angrenzend an die Hauptfläche (24) eine geradlinige Struktur (16) mit Spannungsverwerfungen in dem Scheibchen (20) verursachenden und in Bezug auf die Hauptorientierungsebene (22) um ein Mehrfaches von 900 orientierten Kanten (18) gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zum Minimieren der Zahl der beim Herstellen an den Kanten (18) eingeführten Versetzungen ein Halbleiterscheibchen (20) mit parallel zu einer der in der Hauptfläche (24) liegenden kristallografischen <001>-Richtungen ausgerichteter Hauptorientierungsebene (22) verwendet wird.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einkristallines Silizium enthaltendes Halbleiterscheibchen (20) eingesetzt wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliziumnitrid enthaltende geradlinige Struktur (16) verwendet wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine polykristallines Silizium enthaltende geradlinige Struktur (16) vorgesehen wird.
  5. 5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Siliziumdioxid enthaltende geradlinige Struktur (16) verwendet wird.
  6. 6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen PN-Übergang enthaltende geradlinige Struktur (16) vorgesehen wird.
  7. 7. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine einen Übergang von einem hochleitenden zu einem niedrigleitenden Gebiet enthaltende geradlinige Struktur (16) eingesetzt wird.
  8. 8. Halbleiterscheibchen (20) mit kubischer Diamantgitterstruktur und einer parallel zu einer der t100 -Kristallebenen verlaufenden Hauptfläche (24) und mit einer Orientierungsebene (22) an der Scheibchenperipherie, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptorientierungsebene (22) parallel zu einer der in der Hauptfläche (24) liegenden (oo# -Kristallrichtungen liegt.
  9. 9. Halbleiterscheibchen nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß es aus einkristallinem Silizium besteht.
  10. 10. Halbleiterscheibchen nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibchenperipherie im wesentlichen kreisförmig ist.
DE19853514691 1984-04-30 1985-04-24 Verfahren zum herstellen eines halbleiterbauelements in einem halbleiterscheibchen und entsprechendes halbleiterscheibchen mit diamantgitterstruktur Withdrawn DE3514691A1 (de)

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