1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6677
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ ПЛАСТИНА
ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: u 20100244
(22) 2010.03.12
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический инс-
титут Национальной академии наук
Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (001) с полированной рабо-
чей поверхностью и толщиной t, обеспечивающей необходимую прочность, отличающа-
яся тем, что на нерабочей поверхности содержит пленку нитрида кремния толщиной 0,1-
0,4 мкм, в которой сформирован рисунок, состоящий из разделенных участками диоксида
кремния островков этой пленки квадратной формы с расстоянием между ними l, равным
10-100 мкм, причем стороны островков ориентированы в кристаллографических направ-
лениях типа <100>, длина стороны выбрана из интервала от 0,2t до (0,8t-l), а толщина ди-
оксида кремния составляет 0,1-2,0 мкм.
2. Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (001) по п. 1, отличающаяся
тем, что упомянутые островки нитрида кремния разделены на 9 равных частей квадратной
формы, центральная из которых заменена на диоксид кремния.
3. Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (001) по п. 2, отличающаяся
тем, что упомянутые части островков нитрида кремния разделены на 9 равных вновь об-
разованных частей квадратной формы, центральная из которых заменена на диоксид
кремния, причем вновь образованные части последовательно разделены по тому же пра-
вилу необходимое количество раз.
Фиг. 6
BY6677U2010.10.30
2. BY 6677 U 2010.10.30
2
(56)
1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ЕТО.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Энер-
гия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986. -
С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Параметры исходной пластины во многом предопределяют
технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показате-
лем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам де-
фектообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен
практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к
полупроводниковым пластинам [1-3].
Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве ис-
ходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей не-
обходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью [4].
Такие пластины изготавливают обычно путем химического травления нарушенного
слоя, образующегося в процессе резки слитка кремния на пластины. Недостатки рассмат-
риваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверх-
ности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении
высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупровод-
никовых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефектов в
приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций, дефектов
упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых p-n-
переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы приемле-
мого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхно-
сти пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в материале
пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов. Не-
контролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приво-
дят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают
электрические характеристики получаемых приборов.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и
маркировочными срезами на краю пластины [5].
Маркировочные срезы на краю пластины позволяют различать пластины различных
типономиналов. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливае-
3. BY 6677 U 2010.10.30
3
мых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Од-
нако проблема неконтролируемых загрязнений этим не решается.
Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристалли-
ческие пластины ориентации (001), получаемые из кремния, выращенного методом Чо-
хральского, и содержащие в качестве загрязняющих примесей преимущественно кислород
и углерод. Воздействие на пластину разнообразных технологических сред при различных
температурах, контакт с технологической оснасткой, изготовленной из различных матери-
алов, приводит к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Особенностью
распределения этих загрязнений по объему пластины является то, что они концентриру-
ются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно зависит от темпе-
ратуры. При нагреве от комнатной температуры до ~1000 °С она повышается на несколько
порядков. При последующем охлаждении пластин растворимость резко падает и фактиче-
ская концентрация примесей начинает превышать предельную растворимость, в результа-
те чего образуются преципитаты, представляющие собой микроскопические выделения
второй фазы. Плотность таких выделений достигает 106
см-2
и более. В результате ухуд-
шаются характеристики изготавливаемых приборов и снижается выход годных изделий.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин к де-
фектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости пластин ори-
ентации (001) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина ори-
ентации (001) с полированной рабочей поверхностью и толщиной t, обеспечивающей не-
обходимую прочность, на нерабочей поверхности содержит пленку нитрида кремния
толщиной 0,1-0,4 мкм, в которой сформирован рисунок, состоящий из разделенных участ-
ками диоксида кремния островков этой пленки квадратной формы с расстоянием между
ними l, равным 10-100 мкм, причем стороны островков ориентированы в кристаллографи-
ческих направлениях типа <100>, длина стороны выбрана из интервала от 0,2t до (0,8t-l), а
толщина диоксида кремния составляет 0,1-2,0 мкм,
а также тем, что упомянутые островки нитрида кремния разделены на 9 равных частей
квадратной формы, центральная из которых заменена на диоксид кремния,
а также тем, что упомянутые части островков нитрида кремния разделены на 9 равных
вновь образованных частей квадратной формы, центральная из которых заменена на диок-
сид кремния, причем вновь образованные части последовательно разделены по тому же
правилу необходимое количество раз.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтроли-
руемых примесей управляемой самоформирующейся сеткой дислокаций, индуцированной
элементами рисунка в пленке нитрида кремния.
Поглощение неконтролируемых примесей дислокациями известно давно. Это явление
обусловлено высокой концентрацией ненасыщенных химических связей на дислокациях.
Однако методы управления характеристиками дислокационной структуры в настоящее
время развиты слабо. Настоящее техническое решение основано на явлении самоформи-
рования дислокационной сетки за счет фрактального характера рисунка в пленке нитрида
кремния.
Нитрид кремния широко используется в электронной технике в качестве конструктив-
ного материала для формирования активных и пассивных элементов. Особенностью пле-
нок нитрида кремния является наличие в них высоких растягивающих напряжений - до
100 ГПа [6], обусловленных процессами формирования пленки. Несмотря на небольшое
различие в значении коэффициента линейного термического расширения (клтр) Si3N4 и
4. BY 6677 U 2010.10.30
4
кремния (3,4 ×10-6
К-1
для Si3N4 [7] и 3,72×10-6
К-1
для Si [8]), использование высоких тем-
ператур при изготовлении полупроводниковых приборов и отсутствие полиморфных пре-
вращений Si3N4 приводят к возникновению высоких механических напряжений на
границе раздела Si-Si3N4 Границы элементов топологического рисунка характеризуются
скачкообразным изменением значения и знака механических напряжений, что приводит к
образованию на этих границах дислокаций в кремнии. Наличие большого количества ре-
гулярно расположенных элементов пленки нитрида кремния на нерабочей поверхности
пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций, управляемой пара-
метрами рисунка. Разделение элементов пленки нитрида кремния дорожками и элементами
пленки диоксида кремния усиливает описываемые процессы за счет того, что локальные
островки нитрида кремния способствуют углублению диоксида кремния в подложку, что
приводит к возникновению дополнительных распирающих напряжений на границах раз-
дела элементов. Эти напряжения носят термический характер, однако их релаксация про-
текает также через образование дислокаций в материале подложки.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. Для пластины ориентации (001)
плоскости типа {111} наклонены к поверхности под углом ~54°44', плоскости (110) и 0)1(1
перпендикулярны ей, а плоскости (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 наклонены под углом 45°.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (001) могут
быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений -
<100> или <110>. Все остальные направления являются промежуточными. При ориента-
ции сторон островков пленки нитрида кремния в одном из двух возможных направлений
типа <110>, а именно в направлениях [110] и 0]1[1 , генерация и скольжение дислокаций
возможны в плоскостях (111), )1(11 , 1)1(1 , )11(1 , (110) и 0)1(1 . Однако в связи с тем,
что плоскости типа {111} наклонены к поверхности, энергетически наиболее выгодными
плоскостями образования и скольжения дислокаций являются плоскости (110) и 0)1(1 ,
которые перпендикулярны поверхности пластины. При этом генерируемые дислокации
практически беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негод-
ность для формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
При ориентации сторон островков нитрида кремния в одном из двух возможных
направлений типа <100>, а именно в направлениях [100] и [010], генерация и скольжение
дислокаций возможны только в плоскостях (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 , которые наклонены
под углом 45° к поверхности пластины. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях
в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие
изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топологических элементов. Плоскости
(101), )1(10 , (011) и 1)1(0 перпендикулярны друг другу, поэтому генерируемые в этих
плоскостях дислокации блокируют друг друга в точках их пересечения с образованием
дислокационных полупетель, закрепленных концами на обратной стороне пластины. По-
скольку генерация дислокаций наблюдается только на границах элементов Si3N4, расстоя-
ние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей скольжения до поверхности
пластины зависит от размера элемента пленки нитрида кремния. Поэтому глубина про-
никновения дислокаций в пластину и характеристики дислокационной структуры в целом
эффективно управляются параметрами рисунка в пленке нитрида кремния.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка в пленке нитрида кремния
обусловлен тем, что, во-первых, только в этом случае обеспечивается ориентация всех
сторон элементов в равнозначных кристаллографических направлениях. Во-вторых, толь-
5. BY 6677 U 2010.10.30
5
ко в этом случае все плоскости скольжения дислокаций (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 , гене-
рируемые выбранным элементом рисунка, пересекаются внутри пластины в одной точке с
образованием пирамиды, что обеспечивает максимальное взаимное блокирование дисло-
каций. В случае выбора прямоугольной формы элементов условие по ориентации их сто-
рон соблюдается, но рассматриваемые плоскости не пересекаются в одной точке, а
фигура, образованная ими, представляет собой обелиск. В этом случае управление глуби-
ной проникновения дислокаций в пластину несколько затрудняется, т.к. их взаимное бло-
кирование ослабевает.
Совокупность плоскостей (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 скольжения дислокаций, фор-
мируемых единичным первичным элементом рисунка (островком) в пленке нитрида
кремния, образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокуп-
ность плоскостей (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 скольжения дислокаций, формируемых че-
тырьмя ближайшими элементами по отношению к рассматриваемому, образует над
этой пирамидой дополнительный пирамидальный купол, что усиливает процессы вза-
имного блокирования дислокаций. Вершины этих пирамидальных дефектов являются
точками концентрации механических напряжений, что приводит к формированию новых
элементов дислокационной структуры. Совокупность вершин четырех ближайших пира-
мид определяет границы основания двух новых пирамид, одна из которых обращена вер-
шиной вниз, а другая вверх. Поскольку величина механических напряжений в кремниевой
подложке по мере удаления от поверхности пластин уменьшается, преимущественная ге-
нерация дислокаций протекает во вновь образованной пирамиде, обращенной вершиной
вниз. Грани этой пирамиды являются продолжением граней близлежащих пирамид, обра-
щенных вершинами вверх, т.е. возникает явление самоформирования дислокационной
структуры. Это явление сопровождается образованием и других новых элементов струк-
туры - дефектов упаковки, которые, в зависимости от локальной плотности дислокаций,
могут быть полными или частичными. Эффективность поглощения неконтролируемых
примесей дефектами упаковки значительно выше, чем дислокациями, что обеспечивает
качественно новый уровень устойчивости пластин к образованию преципитатов примесей
в приповерхностной области пластины.
Совокупность всех островков пленки нитрида кремния и дорожек диоксида кремния
приводит к образованию дислокационной сетки, состоящей из множества пирамидальных
структур. В связи с тем, что рассматриваемая дислокационная структура образована пер-
вичными элементами рисунка, условно назовем ее структурой первого уровня.
Разделение островка пленки нитрида кремния с размером стороны а на 9 равных ча-
стей квадратной формы и замена центральной части на диоксид кремния приводят к воз-
никновению нового элемента структуры с размером стороны, равным 1/3a. Это окно в
пленке нитрида кремния, одновременно являющееся островком пленки диоксида кремния
и сопровождающееся возникновением новых границ. Возникновение новых границ, в
свою очередь, сопровождается генерацией дислокаций вдоль этих границ. Однако, по-
скольку линейные размеры вновь образованных элементов в 3 раза меньше размеров пер-
вичных элементов, глубина проникновения генерируемых ими дислокаций в пластину
соответственно уменьшается. Совокупность плоскостей скольжения, генерируемых вновь
образованным элементом, также образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим
элементом. Совокупность таких вновь образованных окон можно рассматривать как но-
вый, второй уровень элементов, который приводит к формированию новой совокупности
пирамидальных дефектов по всей площади пластины. Образуется новый, второй уровень
дефектов структуры (дислокации и дефекты упаковки) кремния с глубиной проникнове-
6. BY 6677 U 2010.10.30
6
ния, определяемой размерами соответствующих им элементов, т.е. 1/3 часть от глубины
проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей островков пленки нитрида кремния
по тому же правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной ча-
сти на диоксид кремния) приводит к формированию следующего уровня дислокационной
структуры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов
и составляет 1/3 часть от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым уровнем формирования элементов рисунка возникает все новый
уровень дислокационной структуры. Одновременное наличие элементов рисунка различ-
ного размера и фрактальный характер их взаимного расположения обеспечивают одно-
временное наличие дефектов различного размера, или уровня. Эти уровни существуют не
независимо друг от друга, а активно взаимодействуют друг с другом с образованием но-
вых элементов дислокационной структуры за счет явления самоформирования. Их взаи-
модействие обусловлено, с одной стороны, взаимодействием полей механических
напряжений, а с другой стороны, тем, что при пересечении плоскостей скольжения далеко
не все дислокации блокируются. Часть из них прорастает далее вглубь пластины и взаи-
модействует с дислокациями, генерируемыми другими элементами, сначала близлежащи-
ми, а затем и более отдаленными. Генерируемые различными элементами рисунка
плоскости скольжения дислокаций многократно пересекаются друг с другом, и при каж-
дом их пересечении часть дислокаций блокируется. По мере увеличения количества пере-
сечений все большая часть дислокаций блокируется, и с удалением от границы элемента
их плотность падает. Точки пересечения плоскостей скольжения являются точками кон-
центрации механических напряжений, совокупность которых приводит к самоформирова-
нию новых элементов дислокационной структуры. В результате такого взаимодействия
образуется дислокационная сеть, плотность которой увеличивается при приближении к
нерабочей стороне пластины, а максимальная глубина проникновения определяется раз-
мерами первичных элементов.
Увеличение количества уровней элементов при сохранении формы и ориентации
сторон вновь образованных элементов приводит к увеличению плотности формируемой
дислокационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения не-
контролируемых примесей. При этом образуется своеобразная фрактальная структура как
непосредственно пленки нитрида и диоксида кремния, так и генерируемой ими дислока-
ционной сетки. Такие структуры очень устойчивы и склонны к самоформированию, что
значительно повышает их эффективность.
Таким образом, регулярное расположение элементов пленки нитрида кремния приво-
дит к самоформированию дислокационной структуры в объеме кремниевой пластины.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислока-
ций составляет величину, равную сумме длины стороны а первичного элемента рисунка в
пленке нитрида кремния и расстояния между ними l, т.е. ширине разделяющей дорожки
пленки диоксида кремния, что соответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов.
Эта глубина h не должна превышать толщину пластины t, т.е. (a + l)≤t. В противном слу-
чае дислокации достигнут рабочей поверхности пластины и приведут ее в негодность. С
учетом глубины активной структуры и допусков на разброс толщины пластины требова-
ния по размерам первичного элемента рисунка ужесточаются до значения (a + l)≤0,8t или
a≤0,8t-l.
Минимальное значение длины стороны а первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста-
новленным минимальным значением является а = 0,2t, при котором с учетом фактической
7. BY 6677 U 2010.10.30
7
величины l примерно четверть объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения а
приводят к заметному снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные эле-
менты, определяется размером первичного элемента. Так, каждый квадрат, представляю-
щий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техническим решением
может быть разделен ровно на 9 равных частей квадратной формы, из чего следует, что
длина стороны вновь образованного элемента (а именно, окна в островке пленки нитрида
кремния или островка диоксида кремния, что то же самое) составляет 1/3a. Повторное
разделение каждой из оставшихся восьми частей островка пленки Si3N4 опять таки на 9
равных частей квадратной формы и замена центральной части на диоксид кремния приво-
дят к образованию восьми вновь образованных окон с длиной стороны (1/3)2
a. В целом
длину стороны элемента можно выразить как an = (1/3)(n-1)
а, где n - порядковый номер
уровня элемента, причем для первичного островка n = 1, для элементов второго уровня
n = 2 и т.д. Минимальный размер элементов рисунка при этом в принципе ограничен
только возможностями технологического оборудования. Однако, как показывает практи-
ка, для решения поставленной в данном случае задачи достаточно, как правило, до трех
уровней вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного уровня приве-
ден несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка в пленке нитрида кремния при
этом не зависит от количества уровней элементов, поскольку все они формируются в еди-
ном фотолитографическом цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка в пленке нитрида кремния опре-
деляется размерами зоны упругого влияния, возникающей в результате взаимодействия
пленки нитрида кремния с подложкой. Максимальные механические напряжения вносятся
в структуру элементами максимального размера. Поэтому первичные элементы рисунка
являются, с одной стороны, инициирующими процесс дефектообразования, а с другой -
ограничивающими прорастание дислокаций на рабочую сторону. Если расстояние l между
первичными элементами составляет величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механиче-
ские напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с дру-
гом с образованием сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на
границе раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком
маленькой для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для
образования дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не
только по краю элемента, но и внутри него. Дислокационная структура оказывается не-
управляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вноси-
мых соседними элементами рисунка в пленке нитрида кремния. В результате дислокаци-
онная структура формируется по островковому принципу внутри разделенных между
собой пирамид. Процессы самоформирования обрываются на границе этих пирамид, еди-
ная устойчивая структура не образуется.
Толщина пленки нитрида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, не обеспечивает
достаточно высокого уровня механических напряжений, необходимых для формирования
дислокационной структуры. Дислокационная сетка получается неплотной, процессы са-
моформирования практически отсутствуют, поэтому эффективность этой структуры очень
мала. Толщина пленки нитрида кремния более 0,4 мкм, например 0,6 мкм, приводит к ге-
нерации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они об-
разуются преимущественно в плоскостях (110) и 0)1(1 , перпендикулярных поверхности
пластины, что является неприемлемым.
8. BY 6677 U 2010.10.30
8
Толщина пленки диоксида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, также не обес-
печивает достаточно высокого уровня механических напряжений, необходимых для уси-
ления формирования дислокационной структуры. Ее наличие в этом случае практически
незаметно. Толщина пленки диоксида кремния более 2,0 мкм, например 3,0 мкм, приводит
к сильному дисбалансу напряжений, генерируемых диоксидом и нитридом кремния, в ре-
зультате чего рассмотренные выше закономерности генерации дислокаций перестают со-
блюдаться.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - фиг. 6.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в пленке нитрида кремния,
состоящее из первичных элементов в виде островков квадратной формы с длиной стороны
а и шириной дорожек диоксида кремния между ними l. На фиг. 2 приведено изображение
рисунка в пленке нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, в которых сфор-
мированы элементы второго уровня путем разделения первичных островков на 9 равных
квадратных частей и замены центральной части на диоксид кремния с образованием эле-
ментов с длиной стороны 1/3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка в пленке нитри-
да кремния, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы
второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка в пленке нитрида
кремния, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго,
третьего и четвертого уровней. На фиг. 5 приведено схематическое изображение элемента
дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {110} дислокаций,
генерируемых первичным элементом рисунка. Для наглядности этот элемент приведен в
координатах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек
кристаллической решетки кремния, а плоскости скольжения выделены заливкой. На
фиг. 6 схематически изображено сечение заявляемой пластины в плоскости (100). Дисло-
кационная структура в объеме пластины сформирована в результате релаксации механи-
ческих напряжений, внесенных пленкой нитрида кремния с рисунком, приведенным на
фиг. 3, и соответствует виду AA*. На фиг. 6 приняты следующие обозначения: 1 - полу-
проводниковая пластина толщиной t, 2 - активные элементы формируемых полупровод-
никовых приборов, 3 - островки пленки нитрида кремния со вскрытыми в них окнами,
которые заполнены диоксидом кремния 4. Жирными линиями обозначены плоскости
скольжения дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка и пересекающиеся друг
с другом с образованием пирамиды, основанием которой является элемент рисунка (ост-
ровок или окно). Тонкими линиями обозначены остальные плоскости скольжения. Из
фиг. 6 видно, что глубина проникновения дислокаций, генерируемых первичным элемен-
том, размер которого максимален, составляет h1 = (а + l), глубина проникновения дислокаций,
генерируемых элементом второго уровня, составляет h2 = (а/3 + l), глубина проникновения
дислокаций, генерируемых элементом третьего уровня, составляет h3 = (a/9 + l) и т.д.
Максимальная глубина проникновения дислокаций в пластину h не превышает вели-
чины h1. Области генерации дислокаций, соответствующие их самоформированию, выде-
лены заливкой. Сравнительный анализ структуры этих областей со структурой областей,
образованных непосредственно элементами рисунка (выделено жирными линиями), пока-
зывает их идентичность. Как видно из фиг. 6, эти области способствуют своеобразной
сшивке всей дислокационной структуры, что заметно повышает ее эффективность и
устойчивость.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную
организованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид,
образованных плоскостями скольжения (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 , причем плотность
дислокаций увеличивается при приближении к нерабочей стороне пластины.
9. BY 6677 U 2010.10.30
9
Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Распределение
концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины определяется их раство-
римостью в различных областях этой пластины. При этом растворимость неконтролируе-
мых примесей в значительной мере определяется возможностью образования химической
связи с материалом пластины. С увеличением количества ненасыщенных (оборванных)
химических связей вероятность образования связи между загрязняющей примесью и
кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их взаимодействия. При отсут-
ствии сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных химических связей в
кремнии располагает приповерхностная область пластины, в которой формируется актив-
ная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной сетки с высокой
плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному увеличению
растворимости неконтролируемых примесей в объеме пластины, где их влияние на характе-
ристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки
при формировании активной структуры полупроводникового прибора неконтролируемые
примеси приобретают высокую подвижность и свободно перемещаются по всему объему
пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перерас-
пределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщен-
ных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформированной
дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в приповерхностной
области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в объеме
пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролируемых при-
месей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины обеспечивает и отсутствие их
преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Таким образом,
устойчивость пластины к образованию кристаллографических дефектов в процессе изго-
товления активных элементов полупроводниковых приборов значительно возрастает.
Испытания пластин на устойчивость к образованию преципитатов неконтролируемых
примесей проводили следующим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщи-
ной t = 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию некон-
тролируемых примесей. Расчетными значениями размера а первичного элемента являются
величины от 0,2t = 90 мкм до (0,8t-l) = 350 мкм. Пленку нитрида кремния требуемой тол-
щины формировали за счет реакции между дихлорсиланом и аммиаком на установке
"Изотрон-4-150". Рисунок в пленке нитрида кремния формировали методами стандартной
фотолитографии и плазмохимического травления. Пленку диоксида кремния формировали
путем окисления открытых участков кремния под давлением на установке "Термоком-М".
Характеристики полученной структуры приведены в таблице.
Для оценки устойчивости полученных пластин к дефектообразованию их окисляли в
сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 °С на установке АДС 6-100. За-
тем с них удаляли образовавшийся диоксид кремния и подвергали травлению в травителе
Секко для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне структур.
Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также
плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической микроско-
пии при увеличении 250×
. Результаты контроля приведены в таблице.
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического ре-
шения устойчивость пластин к образованию преципитатов примесей на рабочей стороне
значительно возрастает. Ориентация сторон элементов рисунка в направлениях типа
<110> приводит к значительному повышению плотности дислокаций и дефектов упаковки
на рабочей стороне пластин. Использование запредельных значений заявляемых парамет-
ров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу.
![BY 6677 U 2010.10.30
2
(56)
1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ЕТО.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Энер-
гия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986. -
С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Параметры исходной пластины во многом предопределяют
технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показате-
лем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам де-
фектообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен
практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к
полупроводниковым пластинам [1-3].
Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве ис-
ходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей не-
обходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью [4].
Такие пластины изготавливают обычно путем химического травления нарушенного
слоя, образующегося в процессе резки слитка кремния на пластины. Недостатки рассмат-
риваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверх-
ности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении
высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупровод-
никовых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефектов в
приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций, дефектов
упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых p-n-
переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы приемле-
мого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхно-
сти пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в материале
пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов. Не-
контролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приво-
дят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают
электрические характеристики получаемых приборов.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и
маркировочными срезами на краю пластины [5].
Маркировочные срезы на краю пластины позволяют различать пластины различных
типономиналов. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливае-](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)