Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6681
(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 20100248
(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 слой нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм разделен на
элементы в виде квадратных островков с расстоянием между ними l, равным 10-100 мкм,
причем стороны островков ориентированы в кристаллографических направлениях типа
<100>, а длина стороны выбрана из интервала от 0,2t до (0,8t-l), где t - толщина пластины.
2. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (001) по п. 1, отличающееся тем, что упомянутые островки разделены на 9 равных
частей квадратной формы, центральная из которых удалена.
3. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (001) по п. 2, отличающееся тем, что упомянутые части островков разделены на 9
равных вновь образованных частей квадратной формы, центральная из которых удалена,
причем вновь образованные части последовательно разделены по тому же правилу необ-
ходимое количество раз.
Фиг. 3
BY6681U2010.10.30

2. BY 6681 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 последователь-
ным формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с
использованием тонкопленочных покрытий различного функционального назначения.
Тонкие твердые пленки в микроэлектронной технологии выполняют функции конструк-
тивного 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 пла-
стины 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.

3. BY 6681 U 2010.10.30
3
Недостатком прототипа, как и аналогов, является то, что он обеспечивает только пас-
сивную защиту активной структуры от примесей, которые могут быть внесены в структуру
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 рас-
творимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной
температуры 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 поверх-
ности пластины достигает 106
см-2
и более. Эти дефекты являются причиной так называе-
мых "мягких" характеристик приборов, когда обратные токи p-n-переходов возрастают, 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, слой нитрида кремния толщиной 0,1-0,4
мкм разделен на элементы в виде квадратных островков с расстоянием между ними l, рав-
ным 10-100 мкм, причем стороны островков ориентированы в кристаллографических
направлениях типа <100>, а длина стороны выбрана из интервала от 0,2t до (0,8t-l), где t -
толщина пластины,
а также тем, что упомянутые островки разделены на 9 равных частей квадратной фор-
мы, центральная из которых удалена,
а также тем, что упомянутые части островков разделены на 9 равных вновь образованных
частей квадратной формы, центральная из которых удалена, причем вновь образованные
части последовательно разделены по тому же правилу необходимое 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. Образующая-
ся сетка дислокаций устойчива к воздействию разнообразных технологических факторов
и "работает" в течение всего цикла изготовления приборов, а также при их последующей
эксплуатации.

4. BY 6681 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 приводят 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 в составе заяв-
ляемого покрытия предупреждает образование дислокаций в центральной части элемента
пленки нитрида кремния. Диоксид кремния в данном случае выполняет функцию пере-
ходного и демпфирующего слоя.
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 уг-
лом 45°.
Стороны топологических элементов покрытия 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 ориентации 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 дис-
локации практически беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в
негодность 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 наклоне-
ны под углом 45° к поверхности пластины. Генерация дислокаций именно в этих плоско-
стях в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что
возникающие изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топологических элемен-
тов. Плоскости (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 перпендикулярны друг другу, поэтому гене-
рируемые 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 элементов

5. BY 6681 U 2010.10.30
5
Si3N4, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей скольжения до по-
верхности пластины зависит от размера элемента слоя нитрида кремния. Поэтому глубина
проникновения дислокаций в пластину и характеристики дислокационной структуры в
целом эффективно управляются параметрами рисунка в заявляемом покрытии.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка в слое нитрида кремния обу-
словлен 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 , генериру-
емые выбранным элементом рисунка, пересекаются внутри пластины в одной точке с об-
разованием пирамиды, что обеспечивает максимальное взаимное блокирование
дислокаций. В случае выбора прямоугольной формы элементов условие по ориентации их
сторон соблюдается, но рассматриваемые плоскости не пересекаются в одной точке, а фи-
гура, образованная ими, представляет собой обелиск. В этом случае управление глубиной
проникновения дислокаций в пластину несколько затрудняется, т.к. их взаимное блокиро-
вание ослабевает.
Совокупность плоскостей (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 скольжения дислокаций, фор-
мируемых единичным первичным элементом рисунка (островком) в слое нитрида крем-
ния, образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность
плоскостей (101), )1(10 , (011) и 1)1(0 скольжения дислокаций, формируемых четырьмя
ближайшими элементами по отношению к рассматриваемому, образует над этой пира-
мидой дополнительный пирамидальный купол, что усиливает процессы взаимного
блокирования дислокаций. Вершины этих пирамидальных дефектов являются точками
концентрации механических напряжений, что приводит к формированию новых элемен-
тов дислокационной структуры. Совокупность вершин четырех ближайших по отноше-
нию друг к другу пирамид определяет границы основания двух новых пирамид, одна из
которых обращена вершиной вниз, а другая вверх. Поскольку величина механических
напряжений в кремниевой подложке по мере удаления от поверхности пластин уменьша-
ется, преимущественная генерация дислокаций протекает во вновь образованной пирами-
де, обращенной вершиной вниз. Грани этой пирамиды являются продолжением граней
близлежащих пирамид, обращенных вершинами вверх, т.е. возникает явление самофор-
мирования дислокационной структуры. Это явление сопровождается образованием и дру-
гих новых элементов структуры - 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 об-
разованию преципитатов примесей в приповерхностной области пластины.
Совокупность всех элементов рисунка покрытия приводит к образованию дислокаци-
онной сетки, состоящей из множества пирамидальных структур. В связи с тем, что рас-
сматриваемая дислокационная структура образована первичными элементами рисунка,
условно назовем ее структурой первого уровня.
Разделение первичного островка слоя нитрида кремния с размером стороны а на 9
равных частей квадратной формы и удаление центральной части приводят к возникнове-
нию в нем окна с размером стороны, равным 1/3a. При этом образуется новый, второй
уровень элементов рисунка, сопровождающийся возникновением новых границ. Возник-
новение новых границ, в свою очередь, сопровождается генерацией дислокаций вдоль
этих границ. Однако, поскольку линейные размеры окна в 3 раза меньше размеров ост-
ровка, глубина проникновения генерируемых им дислокаций в пластину соответственно
уменьшается. Совокупность плоскостей скольжения, генерируемых вновь образован-

6. BY 6681 U 2010.10.30
6
ным элементом (окном), также образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим
элементом. Совокупность всех вновь образованных окон приводит к формированию но-
вой совокупности пирамидальных дефектов по всей площади пластины. Образуется но-
вый, второй уровень дефектов структуры (дислокации и дефекты упаковки) кремния с
глубиной проникновения, определяемой размерами соответствующих им окон, т.е. 1/3
часть от глубины проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей островков слоя Si3N4 по тому же
правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и удаление центральной части) при-
водит к формированию следующего уровня дислокационной структуры. Глубина его зале-
гания определяется размерами вновь образованных окон и составляет 1/3 часть от
глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов покрытия возникает все новый
уровень дислокационной структуры. Фрактальный характер рисунка в слое Si3N4 обеспе-
чивает одновременное наличие дефектов различного размера или уровня. Эти уровни су-
ществуют не независимо друг от друга, а активно взаимодействуют друг с другом с
образованием новых элементов дислокационной структуры за счет явления самоформиро-
вания. Их взаимодействие обусловлено, с одной стороны, взаимодействием полей механиче-
ских напряжений, а с другой стороны, тем, что при пересечении плоскостей скольжения
далеко не все дислокации блокируются. Часть из них прорастает далее вглубь пластины и
взаимодействует с дислокациями, генерируемыми другими элементами, сначала близле-
жащими, а затем и более отдаленными. Генерируемые различными элементами рисунка
плоскости скольжения дислокаций многократно пересекаются друг с другом, и при каждом
их пересечении часть дислокаций блокируется. По мере увеличения количества пересече-
ний все большая часть дислокаций блокируется, и с удалением от границы элемента их
плотность падает. В результате такого взаимодействия образуется дислокационная сеть,
плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей стороне пластины, а макси-
мальная глубина проникновения определяется размерами первичных элементов покрытия.
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 сумме длины стороны первичного элемента рисунка а и
расстояния между ними l, что соответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов.
Эта глубина h не должна превышать толщину пластины t, т.е. (a + l)≤t. В противном случае
дислокации достигнут рабочей поверхности пластины и приведут ее в негодность. С учетом
глубины активной структуры и допусков на разброс толщины пластины требования 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 a = 0,2t, при котором с учетом фактической
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 слоя нитрида
кремния) составляет 1/3a. Повторное разделение каждой из оставшихся восьми частей
островка пленки опять таки на 9 равных частей квадратной формы и удаление централь-
ных вновь образованных частей приводят к образованию восьми новых окон с длиной

7. BY 6681 U 2010.10.30
7
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 эле-
ментов второго уровня n = 2 и т.д. Минимальный размер элементов рисунка при этом в
принципе ограничен только возможностями технологического оборудования. Однако, как
показывает практика, для решения поставленной в данном случае задачи достаточно, как
правило, до трех уровней вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного
уровня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка в слое нитрида
кремния при этом не зависит от количества уровней элементов, поскольку осуществляется
в едином технологическом цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка в слое нитрида кремния опреде-
ляется размерами зоны упругого влияния, возникающей в результате взаимодействия по-
крытия 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 - ограничива-
ющими прорастание дислокаций на рабочую сторону. Если расстояние 1 между первич-
ными элементами составляет величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механические
напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с другом 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 образова-
ния дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по
краю элемента, но и внутри него. Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
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 слое нитрида кремния. В результате дислокацион-
ная структура формируется по островковому принципу внутри разделенных между собой
пирамид. Процессы самоформирования обрываются на границе этих пирамид, единая
устойчивая структура не образуется.
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.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - фиг. 6.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в слое нитрида кремния за-
являемого покрытия, состоящее из первичных элементов в виде островков квадратной
формы с длиной стороны а и расстоянием между ними l. На фиг. 2 приведено изображе-
ние рисунка в слое нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, в которых
сформированы элементы второго уровня путем разделения первичных островков на 9
равных квадратных частей и удаления центральной части с образованием окна с длиной
стороны 1/3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка в слое нитрида кремния, состоя-
щее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго и третьего
уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка в слое 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 пер-

8. BY 6681 U 2010.10.30
8
вичным элементом рисунка покрытия. Для наглядности этот элемент приведен в коорди-
натах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек кри-
сталлической решетки кремния, а плоскости скольжения выделены заливкой. На фиг. 6
схематически изображено сечение полупроводниковой кремниевой пластины ориентации
(001) в плоскости (100) после формирования на ней заявляемого покрытия. Дислокацион-
ная структура в объеме пластины сформирована в результате релаксации механических
напряжений, внесенных заявляемым покрытием с рисунком, приведенным на фиг. 3, и со-
ответствует виду AA*. На фиг. 6 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводнико-
вая пластина толщиной t, 2 - активные элементы формируемых полупроводниковых
приборов, 3 - островки слоя нитрида кремния со вскрытыми в них окнами 4. Слой диокси-
да кремния расположен между слоем нитрида кремния и кремнием по всей поверхности
пластины и во избежание загромождения чертежа не приведен. Жирными линиями обо-
значены плоскости скольжения дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка в
слое нитрида кремния и пересекающиеся друг с другом с образованием пирамиды, осно-
ванием которой является элемент рисунка (островок или окно). Тонкими линиями обозна-
чены остальные плоскости скольжения. Из фиг. 6 видно, что глубина проникновения
дислокаций, генерируемых первичным элементом, размер которого максимален, состав-
ляет h1 = (a + l), глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом второго
уровня, составляет h2 = (a/3 + l), глубина проникновения дислокаций, генерируемых элемен-
том третьего уровня, составляет h3 = (a/9 + l) и т.д. Максимальная глубина проникновения
дислокаций в пластину h не превышает величины h1. Области генерации дислокаций, со-
ответствующие их самоформированию, выделены заливкой. Сравнительный анализ
структуры этих областей со структурой областей, образованных непосредственно элемен-
тами рисунка заявляемого покрытия (выделено жирными линиями), показывает их иден-
тичность. 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 органи-
зованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид, образован-
ных 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 поля
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 слоя диоксида кремния
предупреждает образование дислокаций в центральной части элементов нитрида кремния.
Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины опреде-
ляется их растворимостью в различных областях этой пластины. При этом растворимость
неконтролируемых примесей в значительной мере определяется возможностью образова-
ния 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 отсутствии сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных химических свя-
зей в кремнии располагает приповерхностная область пластины, в которой формируется
активная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной сетки с высо-
кой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному увеличе-

9. BY 6681 U 2010.10.30
9
нию растворимости неконтролируемых примесей в объеме пластины, где их влияние на
характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термооб-
работки при формировании активной структуры полупроводникового прибора неконтро-
лируемые примеси приобретают высокую подвижность и свободно перемещаются по
всему объему пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых
примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотно-
стью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области
сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в
приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концен-
трируются в объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие не-
контролируемых 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 = 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.
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. Характеристики 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 направления типа <110> приводит к значительному повышению плотности дислока-
ций на рабочей стороне пластин и резкому ухудшению электрических характеристик
тестовых структур. Использование запредельных значений заявляемых параметров не
позволяет в полной мере решить поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом расширить функциональные возможности покрытия по защите активных элементов
от неконтролируемых примесей.

10. BY 6681 U 2010.10.30
10
Влияние конструктивных особенностей заявляемого покрытия
на характеристики тестовых структур
№
п/п
Толщина
пленки
нитрида
кремния,
мкм
Размер
пер-
вично-
го эле-
эле-
мента,
мкм
Расстоя-
ние между
первич-
ными эле-
ментами,
мкм
Количе-
ство
уровней
элемен-
тов
Ориен-
тация
сторон
элемен-
тов
U1,
В
U2,
В
Плотность дефектов на
рабочей стороне пластины,
см-2
При-
меча-
ниедисло-
каций
дефек-
тов
упаков-
ки
микро-
дефектов
1 0,05 250 50 3 <100> 38,3 35,7 3×103
- 3×103
2 0,1 250 50 3 <100> 48,7 47,7 4×101
- 4×101
3 0,3 49,2 48,2 2×101
- 2×101
4 0,4 48,5 46,9 5×101
- 9×100
5 0,6 250 50 3 <100> 38,6 35,1 5×103
2×101
2×102
6 0,3 50 50 3 <100> 42,3 34,0 7×103
5×101
3×102
7 0,3 90 50 3 <100> 50,1 48,1 6×101
- 7×101
8 250 50 49,2 48,0 3×101
- 5×101
9 350 10 49,5 47,7 7×101
- 5×101
10 0,3 600 50 3 <100> 41,6 30,1 2×103
1×102
5×102
11 03 250 5 3 <100> 40,3 32,5 1×103
1×102
3×102
12 0,3 250 10 3 <100> 49,7 48,1 3×101
- 5×101
13 50 48,9 47,8 5×101
- 6×101
14 100 49,2 48,2 5×101
- 9×100
15 0,3 250 200 3 <100> 43,4 39,9 5×102
- 3×102
16 0,3 250 50 1 <100> 49,7 48,8 7×101
- 3×101
фиг. 1
17 2 49,5 48,1 1×102
- 2×101
фиг. 2
18 3 49,1 47,9 7×101
- 9×100
фиг. 3
19 4 50,1 49,9 5×101
2×101
фиг. 4
20 5 50,2 48,7 3×101
- 6×100
21 0,3 250 50 3 <110> 16,5 9,3 8×106
3×103
-
22 Прототип 35,2 17,1 5×103
1×102
5×105
Фиг. 1 Фиг. 2

11. BY 6681 U 2010.10.30
11
Фиг. 4 Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.