Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6679
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: u 20100246
(22) 2010.03.12
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной ака-
демии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (001), содержащее слой диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм и слой нитрида крем-
ния, отличающееся тем, что в слое нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм сформирован
рисунок, состоящий из чередующихся в шахматном порядке контрастных по отношению
друг к другу элементов в виде окон и островков этого слоя квадратной формы, причем
стороны элементов ориентированы в кристаллографических направлениях типа <100>,
окна заполнены дополнительным диоксидом кремния толщиной 0,1-2,0 мкм, а длина сто-
роны выбрана из интервала от 0,25t до 0,80t, где t - толщина пластины.
2. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (001) по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые элементы разделены на 9 равных
частей квадратной формы, центральная из которых заменена на контрастную.
3. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (001) по п. 2, отличающееся тем, что упомянутые части элементов разделены на 9
равных вновь образованных частей квадратной формы, центральная из которых заменена
на контрастную, причем вновь образованные части последовательно разделены по тому
же правилу необходимое количество раз.
Фиг. 3
BY6679U2010.10.30

2. BY 6679 U 2010.10.30
2
(56)
1. Технология СБИС: В 2-х кн.: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986.
2. Патент РБ 11325, МПК(2006) H 01L 21/02, 2008 (прототип).
3. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
4. 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. Активная структура приборов изготавливается последовательным
формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с использо-
ванием тонкопленочных покрытий различного функционального назначения. Тонкие
твердые пленки в микроэлектронной технологии выполняют функции конструктивного
материала для формирования активных элементов интегральных схем (ИС), например
подзатворного диэлектрика МДП ИС (ИС на основе полевых транзисторов со структурой
металл-диэлектрик-полупроводник), вспомогательных слоев, например, в качестве маски
при ионном легировании, защитных и пассивирующих покрытий и т.п. [1].
При этом одной из общих функций тонких твердых пленок является защита активной
структуры от проникновения нежелательных примесей на выбранном этапе формирова-
ния этой структуры. Однако эти покрытия не защищают активную структуру от примесей,
которые уже проникли в полупроводниковую структуру на более ранних этапах изготов-
ления, например при выращивании кремния. Напротив, их наличие на поверхности
пластины приводит к образованию переходной области между материалом покрытия и
кремнием. Эта область служит стоком для неконтролируемых примесей в связи с наличи-
ем в ней большого градиента механических напряжений и ненасыщенных химических
связей. Накопление неконтролируемых примесей в приповерхностной области пластины
приводит к образованию характерных дефектов, которые значительно ухудшают характе-
ристики изготавливаемых полупроводниковых приборов.
Рассматриваемые покрытия, кроме того, обладают определенной селективностью дей-
ствия по отношению к тем или иным загрязнениям, в связи с чем более широкое примене-
ние нашли многослойные покрытия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
многослойное пассивирующее покрытие, содержащее последовательно сформированные
на полупроводниковой подложке слои диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, поликри-
сталлического кремния, нитрида кремния толщиной 0,05-0,2 мкм и борофосфоросиликат-
ного стекла толщиной 0,6-2,0 мкм [2].
Прямым функциональным назначением такого покрытия является защита активных
областей полупроводникового прибора от загрязняющих примесей. Борофосфоросиликат-
ное стекло служит защитой от проникновения в структуру влаги, нитрид кремния защи-
щает прибор от подвижных ионов, тонкий диоксид кремния служит для обеспечения
электрической связи между покрытием и подложкой за счет туннельного эффекта. Тол-
щина слоя поликристаллического кремния при этом не регламентируется. Его функцией,
как следует из описания прототипа, является уменьшение плотности зарядовых состояний
на границе раздела покрытия и полупроводниковой структуры.
Недостатком прототипа, как и аналогов, является то, что он обеспечивает только пас-
сивную защиту активной структуры от примесей, которые могут быть внесены в структуру

3. BY 6679 U 2010.10.30
3
после формирования этого покрытия. Такое многослойное покрытие играет роль пассив-
ного барьера на пути неконтролируемых примесей из внешней среды. Оно формируется
на завершающих этапах изготовления активной структуры полупроводникового прибора,
когда практически все высокотемпературные операции уже выполнены. Рассматриваемое
покрытие не защищает активную структуру от неконтролируемых примесей, которые вне-
сены в нее ранее в течение цикла изготовления.
Неконтролируемые примеси накапливаются в кремнии, начиная уже с момента его
выращивания. Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются моно-
кристаллические пластины ориентации (001), получаемые из кремния, выращенного ме-
тодом Чохральского, 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 различ-
ных материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Их
растворимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной тем-
пературы до ~1000 °С она для подавляющего большинства неконтролируемых примесей
повышается на несколько порядков. При последующем охлаждении пластин раствори-
мость резко падает и фактическая концентрация примесей начинает превышать предель-
ную растворимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие собой
микроскопические выделения второй фазы. Плотность таких выделений на рабочей
поверхности пластины достигает 106
см-2
и более. Эти дефекты являются причиной так
называемых "мягких" характеристик приборов, когда обратные токи p-n-переходов воз-
растают, а напряжение их пробоя снижается.
Таким образом, прототип не обеспечивает защиту активной структуры от имеющихся
в ней неконтролируемых примесей.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возмож-
ностей покрытия по защите активной структуры от неконтролируемых примесей.
Поставленная задача решается тем, что в функциональном покрытии для полупровод-
никовых кремниевых пластин ориентации (001), содержащем слой диоксида кремния
толщиной 0,5-2,5 нм и слой нитрида кремния, в слое нитрида кремния толщиной
0,1-0,4 мкм сформирован рисунок, состоящий из чередующихся в шахматном порядке
контрастных по отношению друг к другу элементов в виде окон и островков этого слоя
квадратной формы, причем стороны элементов ориентированы в кристаллографических
направлениях типа <100>, окна заполнены дополнительным диоксидом кремния толщи-
ной 0,1-2,0 мкм, а длина стороны выбрана из интервала от 0,25t до 0,80t, где t - толщина
пластины,
а также тем, что упомянутые элементы разделены на 9 равных частей квадратной
формы, центральная из которых заменена на контрастную,
а также тем, что упомянутые части элементов разделены на 9 равных вновь образо-
ванных частей квадратной формы, центральная из которых заменена на контрастную,
причем вновь образованные части последовательно разделены по тому же правилу необ-
ходимое количество раз.
Сущность заявляемого технического решения заключается в появлении новой актив-
ной функции покрытия - генерации в кремниевой пластине управляемой сетки дислока-
ций, которая поглощает неконтролируемые примеси, внесенные как на предыдущих
этапах формирования полупроводниковых приборов, так и на последующих.
Заявляемое покрытие, в отличие от прототипа, формируется на нерабочей стороне
пластины на начальных этапах изготовления полупроводниковой структуры. Образующа-
яся сетка дислокаций устойчива к воздействию разнообразных технологических факторов
и "работает" в течение всего цикла изготовления приборов, а также при их последующей
эксплуатации.

4. BY 6679 U 2010.10.30
4
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 заявляемом
функциональном покрытии.
Особенностью пленок нитрида кремния является наличие в них высоких растягиваю-
щих структурных напряжений - до 100 ГПа [1], обусловленных процессами формирования
пленки. Несмотря на небольшое различие в значении коэффициента линейного термиче-
ского расширения (клтр) Si3N4 и кремния (3,4×10-6
К-1
для Si3N4 [3] и 3,72×10-6
К-1
для Si
[4]), использование высоких температур при изготовлении полупроводниковых приборов
и отсутствие полиморфных превращений Si3N4 приводит к возникновению высоких меха-
нических 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. Нали-
чие большого количества регулярно расположенных элементов слоя нитрида кремния на
нерабочей поверхности пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислока-
ций, управляемой параметрами рисунка. Наличие слоя диоксида кремния толщиной
0,5-2,5 нм в составе заявляемого покрытия предупреждает образование дислокаций в
центральной части элемента пленки нитрида кремния. Диоксид кремния в данном случае
выполняет функцию переходного и демпфирующего слоя. Разделение элементов слоя
нитрида кремния элементами дополнительного диоксида кремния усиливает описываемые
процессы за счет того, что локальные островки нитрида кремния способствуют углуб-
лению дополнительного диоксида кремния в подложку, что приводит к возникновению
распирающих напряжений на границах раздела элементов. Эти напряжения носят терми-
ческий характер, однако их релаксация протекает 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 элементов рисунка покрытия в одном из двух возможных направлений типа
<110>, а именно в направлениях [110] и 0]1[1 , генерация и скольжение дислокаций воз-
можны 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 элементов рисунка покрытия 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

5. BY 6679 U 2010.10.30
5
(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.
Поскольку генерация дислокаций наблюдается только на границах раздела элементов
Si3N4-SiO2, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей скольжения до
поверхности пластины зависит от размера этих элементов. Поэтому глубина проникнове-
ния дислокаций в пластину и характеристики дислокационной структуры в целом эффек-
тивно управляются параметрами рисунка покрытия.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка покрытия обусловлен тем,
что, во-первых, только в этом случае обеспечивается ориентация всех сторон элементов в
равнозначных кристаллографических направлениях. Во-вторых, только в этом случае все
плоскости скольжения дислокаций (101), ),1(10 (011) и 1),1(0 генерируемые выбранным
элементом рисунка, пересекаются внутри пластины в одной точке с образованием пира-
миды, что обеспечивает максимальное взаимное блокирование дислокаций. В случае вы-
бора прямоугольной формы элементов условие по ориентации их сторон соблюдается, но
рассматриваемые плоскости не пересекаются в одной точке, а фигура, образованная ими,
представляет собой обелиск. В этом случае управление глубиной проникновения дисло-
каций в пластину несколько затрудняется, т.к. их взаимное блокирование ослабевает.
Совокупность плоскостей (101), ),1(10 (011) и 1)1(0 скольжения дислокаций, фор-
мируемых единичным первичным элементом рисунка (Si3N4 или SiO2, что то же самое,
поскольку плоскости скольжения генерируемых дислокаций наклонены под углами как
+45°, так и -45°), образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Вер-
шины этих пирамидальных дефектов являются точками концентрации механических
напряжений, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры.
Совокупность вершин четырех ближайших пирамид определяет границы основания двух
новых пирамид, одна из которых обращена вершиной вниз, а другая вверх. Поскольку ве-
личина механических напряжений в кремниевой подложке по мере удаления от поверхно-
сти пластин уменьшается, преимущественная генерация дислокаций протекает во вновь
образованной пирамиде, обращенной вершиной вниз. Грани этой пирамиды являются
продолжением граней близлежащих пирамид, обращенных вершинами вверх, т.е. возни-
кает явление самоформирования дислокационной структуры. Это явление сопровождается
образованием и других новых элементов структуры - дефектов упаковки, которые, в зави-
симости от локальной плотности дислокаций, могут быть полными или частичными. Эф-
фективность 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 элементов рисунка приводит к образованию дислокационной сет-
ки, состоящей из множества пирамидальных структур. В связи с тем, что рассматриваемая
дислокационная структура образована первичными элементами рисунка, условно назовем
ее структурой первого уровня.
Разделение первичного элемента рисунка (как Si3N4, так и SiO2) с размером стороны а
на 9 равных частей квадратной формы и замена центральной части на контрастную по от-
ношению к данному элементу приводит к возникновению нового элемента (Si3N4 в случае
выбора в качестве первичного элемента SiO2 и, соответственно, SiO2 в случае выбора
Si3N4) с размером стороны, равным 1/3a. При этом образуется новый, второй, уровень
элементов рисунка, сопровождающийся возникновением новых границ. Возникновение
новых границ, в свою очередь, сопровождается генерацией дислокаций вдоль этих границ.
Однако поскольку линейные размеры элементов второго уровня в 3 раза меньше размеров
элементов первого уровня (т.е. первичных элементов), глубина проникновения генериру-

6. BY 6679 U 2010.10.30
6
емых ими дислокаций в пластину соответственно уменьшается. Совокупность плоскостей
скольжения, генерируемых некоторым выбранным вновь образованным элементом, также
образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность всех
вновь образованных элементов рисунка 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-
ния, определяемой размерами соответствующих им элементов, т.е. 1/3 от глубины про-
никновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей первичных элементов пленки по
тому же правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной части
на контрастную) приводит к формированию следующего уровня дислокационной струк-
туры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов и
составляет 1/3 от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов возникает все новый уровень дис-
локационной структуры. Фрактальный характер рисунка покрытия обеспечивает одно-
временное наличие дефектов различного размера, или уровня. Эти уровни существуют не
независимо друг от друга, а активно взаимодействуют друг с другом с образованием
новых элементов дислокационной структуры за счет явления самоформирования. Их вза-
имодействие 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 дислокаций являются
точками концентрации механических напряжений, что приводит к самоформированию
новых элементов дислокационной структуры. В результате такого взаимодействия образу-
ется дислокационная сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей
стороне пластины, а максимальная глубина проникновения определяется размерами пер-
вичных элементов.
Таким образом, заявляемое расположение элементов рисунка покрытия приводит к
самоформированию дислокационной структуры в объеме кремниевой пластины.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислока-
ций составляет величину, равную длине стороны первичного элемента рисунка а, что со-
ответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов. Эта глубина h не должна
превышать толщину пластины t, т.е. a≤t. В противном случае дислокации достигнут рабо-
чей поверхности пластины и приведут ее в негодность. С учетом глубины активной струк-
туры и допусков на разброс толщины пластины требования по размерам первичного
элемента рисунка ужесточаются до значения a≤0,80t.
Минимальное значение длины стороны а первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста-
новленным минимальным значением является a = 0,25t, при котором примерно четверть
объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения а приводят к заметному сни-
жению 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

7. BY 6679 U 2010.10.30
7
длина стороны вновь образованного элемента составляет 1/3a. Повторное разделение каж-
дой из оставшихся восьми частей элемента рисунка опять-таки на 9 равных частей квад-
ратной формы и замена центральных вновь образованных частей на контрастные
приводит к образованию восьми новых элементов 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 эле-
мента, причем для первичного элемента n = 1, для элементов второго уровня n = 2 и т.д.
Минимальный размер элементов рисунка при этом в принципе ограничен только возмож-
ностями технологического оборудования. Однако, как показывает практика, для решения
поставленной в данном случае задачи достаточно, как правило, до трех уровней вновь об-
разованных элементов. Внешний вид структур различного уровня приведен несколько
ниже. Трудоемкость формирования рисунка в покрытии при этом не зависит от количе-
ства уровней элементов, поскольку осуществляется в едином фотолитографическом цик-
ле.
Толщина слоя 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 слоя нитрида кремния более 0,4 мкм, например 0,6 мкм, приводит к гене-
рации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они обра-
зуются преимущественно в плоскостях (110) и 0),1(1 перпендикулярных поверхности
пластины, что является неприемлемым.
Толщина пленки дополнительного диоксида кремния менее 0,1 мкм, например
0,05 мкм, также не обеспечивает достаточно высокого уровня механических напряжений,
необходимых для усиления формирования дислокационной структуры. Ее наличие в этом
случае практически незаметно. Толщина пленки диоксида кремния более 2,0 мкм, напри-
мер 3,0 мкм, приводит к сильному дисбалансу напряжений, генерируемых диоксидом и
нитридом кремния, в результате чего рассмотренные выше закономерности генерации
дислокаций перестают соблюдаться.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-7.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка заявляемого покрытия, со-
стоящее из первичных элементов в виде островков пленок нитрида и диоксида кремния
квадратной формы с длиной стороны а, чередующихся в шахматном порядке друг по от-
ношению к другу. На фиг. 2 приведено изображение рисунка, состоящее из первичных
элементов, в которых сформированы элементы второго уровня путем их разделения на 9
равных квадратных частей и замены центральной части на контрастную. Длина стороны
вновь образованного элемента составляет 1/3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка
заявляемого покрытия, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы эле-
менты второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка, 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 пер-
вичным 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 приведено схе-
матическое изображение элементов дислокационной структуры, образованной плоскостя-
ми скольжения {110} дислокаций, генерируемых четырьмя соседними первичными
элементами рисунка (в данном случае эти элементы приведены в координатах XYZ и впи-
саны в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической ре-
шетки кремния, количество которых увеличено в 8 раз по отношению к изображению,
приведенному на фиг. 5). Из фиг. 6 видно, что вершины пирамидальных дефектов, обра-

8. BY 6679 U 2010.10.30
8
зованных первичными элементами, определяют границы основания (выделено пунктир-
ной линией) самоформирующегося пирамидального дефекта с вершиной в точке О. На
фиг. 7 схематически изображено сечение полупроводниковой кремниевой пластины ори-
ентации (001) в плоскости (100) с нанесенным на нее заявляемым покрытием. Дислокаци-
онная структура в объеме пластины сформирована в результате релаксации механических
напряжений, внесенных покрытием с рисунком, приведенным на фиг. 3, и соответствует
виду AA*. На фиг. 7 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая пластина
толщиной t, 2 - активные элементы формируемых полупроводниковых приборов. На не-
рабочей стороне пластины расположены первичные элементы пленки нитрида и диоксида
кремния с длиной стороны а, элементы второго уровня с размером стороны a/3 в виде ост-
ровков нитрида кремния 3 и островков диоксида кремния 3*, а также элементы третьего
уровня с размером стороны a/9 в виде островков нитрида кремния 4 и островков диоксида
кремния 4*. Жирными линиями обозначены плоскости скольжения дислокаций, генериру-
емые краями элементов рисунка и пересекающиеся друг с другом с образованием пирами-
ды, основанием которой является элемент рисунка (Si3N4 или SiO2). Тонкими линиями
обозначены остальные плоскости скольжения. Из фиг. 7 видно, что глубина проникнове-
ния дислокаций, генерируемых первичным элементом, размер которого максимален, со-
ставляет h1 = a, глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом второго
уровня, составляет h2 = a/3, глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом
третьего уровня, составляет h3 = a/9 и т.д. Максимальная глубина проникновения дисло-
каций в пластину h не превышает величины h1. Области генерации дислокаций, соответ-
ствующие их самоформированию, выделены заливкой. Сравнительный анализ структуры
самоформирующихся областей со структурой областей, образованных непосредственно
элементами рисунка (выделено жирными линиями), показывает их идентичность. Как
видно из фиг. 7, эти области способствуют своеобразной сшивке всей дислокационной
структуры, что заметно повышает ее эффективность и устойчивость.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную ор-
ганизованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид, об-
разованных плоскостями скольжения (101), ),1(10 (011) и 1),1(0 причем плотность
дислокаций увеличивается при приближении к нерабочей стороне пластины.
Заявляемое покрытие действует следующим образом. Наличие регулярно располо-
женных элементов приводит к появлению в покрытии знакопеременного поля механиче-
ских напряжений. Величина и знак механических напряжений при этом зависят от вида
элемента покрытия и его размера. Направление действия напряжений при этом определя-
ется кристаллографической ориентацией сторон элементов покрытия. Наличие такого по-
ля напряжений приводит к генерации в кремниевой пластине сетки дислокаций,
плоскости скольжения которых расположены в соответствии с расположением элементов
покрытия и образуют устойчивую структуру внутри пластины. Наличие демпфирующего
слоя диоксида кремния предупреждает образование дислокаций в центральной части эле-
ментов нитрида кремния.
Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины опре-
деляется их растворимостью в различных областях этой пластины. При этом раствори-
мость неконтролируемых примесей в значительной мере определяется возможностью
образования химической связи с материалом пластины. С увеличением количества нена-
сыщенных (оборванных) химических связей вероятность образования связи между загряз-
няющей примесью и кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их
взаимодействия. При отсутствии сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных
химических связей в кремнии располагает приповерхностная область пластины, в которой
формируется активная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной
сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному

9. BY 6679 U 2010.10.30
9
увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме пластины, где их влия-
ние на характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе
термообработки при формировании активной структуры полупроводникового прибора
неконтролируемые примеси приобретают высокую подвижность и свободно перемещают-
ся по всему объему пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируе-
мых примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме пластины
плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в обла-
сти сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плот-
ность в приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью
концентрируются в объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсут-
ствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности пластины обеспечивает и
отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Харак-
теристики изготавливаемых приборов при этом заметно улучшаются.
Таким образом, функциональные возможности заявляемого покрытия расширяются за
счет его активного воздействия на структуру полупроводникового материала, что обеспе-
чивает поглощение всех неконтролируемых примесей в формируемых полупроводнико-
вых приборах.
Испытания функциональных возможностей заявляемого покрытия проводили следу-
ющим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщи-
ной t = 460 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию некон-
тролируемых примесей. Расчетными значениями размера а первичного элемента являются
величины от 0,25t = 115 мкм до 0,8t = 368 мкм.
Заявляемое покрытие получали путем последовательного формирования слоя диокси-
да кремния химической обработкой пластин в кислоте Каро, нанесения слоя нитрида
кремния и вскрытия в нем окон. Слой нитрида кремния требуемой толщины формировали
за счет реакции между дихлорсиланом и аммиаком на установке "Изотрон-4-150". Рису-
нок в слое нитрида кремния формировали методами стандартной фотолитографии и плаз-
мохимического травления. Дополнительный диоксид кремния формировали путем
окисления открытых областей кремния под давлением на установке "Термоком-М". Ха-
рактеристики полученного покрытия приведены в таблице.
После формирования на обратной стороне пластин заявляемого покрытия на их рабо-
чей стороне изготавливали тестовые p-n-переходы. Для оценки функциональных возмож-
ностей заявляемого покрытия измеряли напряжение пробоя p-n-переходов U1 и
напряжение U2, при котором обратный ток через переход достигал 1 нА. После измерения
характеристик полученных тестовых элементов с пластин удаляли все слои и травили в
травителе Секко для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне.
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 напряжение пробоя тестовых структур и напряжение, при котором ток утечки до-
стигает 1 нА, возрастают. Их рост сопровождается значительным уменьшением плотности
микродефектов на рабочей поверхности пластины. Ориентация сторон элементов покры-
тия в направлениях типа <110> приводит к значительному повышению плотности дисло-
каций на рабочей стороне пластин и резкому ухудшению электрических характеристик
тестовых структур. Использование запредельных значений заявляемых параметров не
позволяет в полной мере решить поставленную задачу.

10. BY 6679 U 2010.10.30
10
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом расширить функциональные возможности покрытия по защите активных элементов
от неконтролируемых примесей.
Влияние конструктивных особенностей заявляемого покрытия
на характеристики тестовых структур
№
п/п
Толщина
пленки
нитрида
кремния,
мкм
Размер
первич-
ного
элемен-
та, мкм
Толщина
дополни-
тельного
диоксида
кремния,
мкм
Коли-
чество
уров-
ней
эле-
ментов
Ори-
ента-
ция
сторон
элемен
мен-
тов
U1, В U2, В
Плотность дефектов
на рабочей стороне
пластины, см-2
Примеча-
ние
дисло-
каций
дефек-
тов
упа-
ковки
мик-
роде-
фектов
1 0,05 250 0,8 3 <100> 35,1 28,0 7×102
- 2×103
фиг. 3
2 0,1
250 0,8 3 <100>
49,8 48,4 8×100
- 3×101
фиг. 3
3 0,3 49,7 47,8 3×101
- 5×100
фиг. 3
4 0,4 48,5 47,9 4×101
- 3×101
фиг. 3
5 0,6 250 0,8 3 <100> 39,9 33,2 2×103
2×101
5×102
фиг. 3
6 0,3 70 0,8 3 <100> 43,1 38,5 1×102
1×101
3×102
фиг. 3
7
0,3
115
0,8 3 <100>
48,5 48,0 2×101
- 3×101
фиг. 3
8 250 50,2 49,7 2×101
- 5×101
фиг. 3
9 368 49,5 47,5 3×101
- 5×101
фиг. 3
10 0,3 600 0,8 3 <100> 44,6 37,4 2×102
1×101
2×102
фиг. 3
11 0,05 250 0,05 3 <100> 40,5 35,6 5×102
- 3×102
фиг. 3
12
0,3 250
0,1
3 <100>
49,7 48,0 3×101
- 5×101
фиг. 3
13 2,0 48,3 47,5 5×101
- 9×100
фиг. 3
14 0,3 250 3,0 3 <100> 43,9 39,0 2×103
3×101
3×102
фиг. 3
15
0,3 250 0,8
1
<100>
49,0 48,1 8×100
- 5×101
фиг. 1
16 2 49,0 47,9 5×101
- 7×100
фиг. 2
17 3 47,9 47,0 8×100
- 1×101
фиг. 3
18 4 48,5 47,2 1×101
- 3×101
фиг. 4
19 5 51,2 49,3 7×100
- 8×100
-
20 0,3 250 0,8 3 <110> 17,5 11,7 5×105
3×102
- фиг. 3
21 прототип 35,2 17,1 5×103
1×102
5×105
Фиг. 1 Фиг. 2

11. BY 6679 U 2010.10.30
11
Фиг. 4
Фиг. 5 Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.