Патент на полезную модель Республики Беларусь

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6683
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) КРЕМНИЕВАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА
ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: u 20100250
(22) 2010.03.12
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический ин-
ститут 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. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (001), представляющая собой
монокристаллическую кремниевую подложку толщиной t со сформированными на рабо-
чей поверхности скрытым слоем заданной топологической конфигурации и/или эпитакси-
альным слоем требуемой толщины, отличающаяся тем, что на нерабочей поверхности
содержит вытравленный на глубину 0,5-1,5 мкм рисунок, состоящий из ямок квадратной
формы с расстоянием между ними l, равным 10-100 мкм, причем стороны ямок ориенти-
рованы в кристаллографических направлениях типа <100>, а длина стороны выбрана из
интервала от 0,2t до (0,8t-l).
2. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (001) по п. 1, отличающаяся
тем, что упомянутые ямки разделены на 9 равных частей квадратной формы, центральную
из которых оставляют невытравленной.
3. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (001) по п. 2, отличающаяся
тем, что упомянутые части ямок разделены на 9 равных вновь образованных частей квад-
ратной формы, центральную из которых оставляют невытравленной, причем вновь обра-
зованные части последовательно разделены по тому же правилу необходимое количество
раз.
Фиг. 3
BY6683U2010.10.30

2. BY 6683 U 2010.10.30
2
(56)
1. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов.- М.: Энер-
гия, 1968.- С. 46.
2. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003.
3. Карбань В.И., Кой П., Рогов В.В., Хофман X. и др. Обработка полупроводниковых
материалов / Под ред. Н.В. Новикова и В. Бертольди. - Киев: Наукова думка, 1982. - 256 с.
4. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. -
С. 72-124 (прототип).
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 их качества является устойчивость к процессам дефектообразования в процессе фор-
мирования активной структуры.
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 [1].
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 полупро-
водниковых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефек-
тов в приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций,
дефектов упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формиру-
емых p-n-переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы
приемлемого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей по-
верхности пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в мате-
риале пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов.
Неконтролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и при-
водят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают
электрические характеристики получаемых приборов.
В связи с этим наибольшее распространение для изготовления полупроводниковых
приборов получили кремниевые пластины круглой формы с толщиной, обеспечивающей
необходимую прочность, и полированной рабочей поверхностью [2, 3].
Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливаемых приборов
за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Однако проблема
неконтролируемых загрязнений этим не решается. Кроме того, постоянный рост требова-
ний к техническим характеристикам изготавливаемых приборов привел к необходимости
использования в качестве исходного материала для их изготовления эпитаксиальных
структур (ЭС).
Наиболее близким техническим решением к заявляемому, его прототипом, является
эпитаксиальная структура, представляющая собой кремниевую подложку толщиной,
обеспечивающей необходимую прочность, с заданными электрофизическими характери-
стиками, на рабочей поверхности которой сформирована монокристаллическая пленка
кремния с электрофизическими характеристиками, существенно отличающимися от ха-
рактеристик пластины. Используемые толщины эпитаксиальных слоев для формирования

3. BY 6683 U 2010.10.30
3
активной структуры не превышают, как правило, величину 15 мкм. При этом ЭС в своем
составе часто содержит сформированные в объеме исходной подложки скрытые слои, ко-
торые могут быть сплошными или содержать рисунок требуемой топологической конфи-
гурации [4]. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальной пленки при этом
соответствует кристаллографической ориентации исходной пластины.
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. Процесс эпитаксиального наращивания пленок кремния основан на термиче-
ском разложении силанов при высокой температуре в атмосфере водорода. Очистка поверх-
ности от собственного оксида кремния перед наращиванием эпитаксиальной пленки обычно
проводится с добавкой хлористого водорода. В процессе проведения эпитаксиального
наращивания технологические газы, в данном случае водород и хлористый водород, неиз-
бежно контактируют с металлической технологической оснасткой с образованием летучих
гидридов и хлоридов металлов, из которых изготовлена оснастка. Это приводит к некон-
тролируемому загрязнению растущей эпитаксиальной пленки металлами.
Рассматриваемая совокупность конструктивных элементов эпитаксиальной структуры
и технологии их формирования обуславливает чрезвычайно низкую ее устойчивость к де-
фектообразованию в процессе дальнейшего формирования активных элементов полупро-
водниковых приборов. Это связано с тем, что, с одной стороны, структура насыщена
неконтролируемыми примесями различного типа и происхождения. С другой стороны,
значительное различие в электрофизических свойствах и методах получения материала
исходной пластины и эпитаксиальной пленки наряду с малой толщиной пленки по отно-
шению к исходной пластине приводит к накоплению основной части этих примесей в
эпитаксиальной пленке. Воздействие на эпитаксиальную структуру в процессе формиро-
вания активных элементов полупроводниковых приборов разнообразных технологических
сред при различных температурах, контакт с технологической оснасткой, изготовленной
из различных материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению структур метал-
лами. Особенностью распределения этих загрязнений по объему структур является то, что
они концентрируются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно
зависит от температуры. При нагреве от комнатной температуры до ~1000 °С она повы-
шается на несколько порядков. При последующем охлаждении структур растворимость
резко падает, и фактическая концентрация примесей начинает превышать предельную
растворимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие собой мик-
роскопические выделения второй фазы. Плотность таких выделений достигает 106
см-2
и
более. В результате ухудшаются характеристики изготавливаемых приборов и снижается
выход годных изделий.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость ЭС к дефектообра-
зованию в процессе формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости эпитаксиаль-
ных структур ориентации (001) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что кремниевая эпитаксиальная структура ориен-
тации (001), представляющая собой монокристаллическую кремниевую подложку толщи-
ной t со сформированными на рабочей поверхности скрытым слоем заданной
топологической конфигурации и/или эпитаксиальным слоем требуемой толщины, на не-
рабочей поверхности содержит вытравленный на глубину 0,5-1,5 мкм рисунок, состоящий
из ямок квадратной формы с расстоянием между ними l, равным 10-100 мкм, причем сто-
роны ямок ориентированы в кристаллографических направлениях типа <100>, а длина
стороны выбрана из интервала от 0,2t до (0,8t-l),
а также тем, что упомянутые ямки разделены на 9 равных частей квадратной формы,
центральную из которых оставляют невытравленной,

4. BY 6683 U 2010.10.30
4
а также тем, что упомянутые части ямок разделены на 9 равных вновь образованных
частей квадратной формы, центральную из которых оставляют невытравленной, причем
вновь образованные части последовательно разделены по тому же правилу необходимое
количество раз.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтроли-
руемых примесей управляемой сеткой дислокаций, индуцированной элементами рисунка
на нерабочей стороне ЭС при формировании активных элементов приборов.
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 на нерабочей сто-
роне ЭС.
Формирование различных технологических слоев, в частности оксидных, и использо-
вание высоких температур при изготовлении полупроводниковых приборов за счет разли-
чия коэффициентов линейного термического расширения (клтр) формируемых слоев и
кремния приводят к возникновению на границе ямок высоких механических напряжений.
Так, при проведении процесса окисления на всей поверхности структур образуется диок-
сид кремния. После охлаждения структур до комнатной температуры часть оксидной
пленки, находящаяся в углублении пластины, оказывает распирающее действие на стенки
этой ямки. В результате на границах ямок возникают высокие механические напряжения,
величина которых зависит от размеров элемента рисунка и толщины оксидной пленки
(или другого технологического слоя). С увеличением размера ямки и толщины оксидной
пленки эти напряжения возрастают. Это приводит к образованию на границах ямок дис-
локаций в кремнии. Наличие большого количества регулярно расположенных ямок на не-
рабочей поверхности структуры приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций,
управляемой параметрами рисунка.
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), ),110( (011) и 1)1(0 наклонены под углом 45°.
Стороны топологических элементов на поверхности ЭС ориентации (001) могут быть
выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений - <100>
или <110>. Все остальные направления являются промежуточными. При ориентации сто-
рон ямок 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), ),111(
),111( ),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 скольже-
ния дислокаций являются плоскости (110) и 0),1(1 которые перпендикулярны поверхно-
сти пластины. При этом генерируемые дислокации практически беспрепятственно
прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для формирования актив-
ных элементов полупроводниковых приборов.
При ориентации сторон ямок 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 по-
верхности пластины. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае
энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие в процессе форми-
рования технологических слоев изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топо-
логических элементов. Плоскости (101), ),1(10 (011) и 1)1(0 перпендикулярны друг

5. BY 6683 U 2010.10.30
5
другу, поэтому генерируемые в этих плоскостях дислокации блокируют друг друга в точ-
ках их пересечения с образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами
на обратной стороне ЭС. Поскольку генерация дислокаций наблюдается только на грани-
цах элементов рисунка, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей
скольжения до поверхности ЭС зависит от размера этого элемента. Поэтому глубина про-
никновения дислокаций в подложку и характеристики дислокационной структуры в целом
эффективно управляются параметрами рисунка на нерабочей стороне ЭС.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка обусловлен тем, что, во-
первых, только в этом случае обеспечивается ориентация всех сторон элементов в равно-
значных кристаллографических направлениях. Во-вторых, только в этом случае все плос-
кости 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 (ямкой), образует пирамиду с осно-
ванием, совпадающим с этим элементом. Совокупность плоскостей (101), ),1(10 (011) и
1)1(0 скольжения дислокаций, формируемых четырьмя ближайшими элементами по от-
ношению к рассматриваемому, образует над этой пирамидой дополнительный пирами-
дальный купол, что усиливает процессы взаимного блокирования дислокаций. Вершины
этих пирамидальных дефектов являются точками концентрации механических напряже-
ний, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры. Сово-
купность 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 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 ЭС
к образованию преципитатов примесей на рабочей поверхности.
Совокупность всех ямок приводит к образованию дислокационной сетки, состоящей
из множества пирамидальных структур. В связи с тем, что рассматриваемая дислокацион-
ная структура образована первичными элементами рисунка, условно назовем ее структу-
рой первого уровня.
Разделение ямки с размером стороны а на 9 равных частей квадратной формы и остав-
ление центральной части невытравленной приводит к возникновению в ней островка (бу-
горка) с размером стороны, равным 1/3a. Образуется новый, второй, уровень элементов
рисунка, сопровождающийся при формировании активной структуры полупроводниковых
приборов генерацией дислокаций вдоль границ этих элементов. Однако поскольку линей-
ные размеры островка в 3 раза меньше размеров ямки, глубина проникновения генериру-
емых им дислокаций в подложку соответственно уменьшается. Совокупность плоскостей
скольжения, генерируемых вновь образованным элементом, также образует пирамиду с
основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность всех вновь образованных

6. BY 6683 U 2010.10.30
6
элементов приводит к формированию новой совокупности пирамидальных дефектов по
всей площади ЭС. Образуется новый, второй, уровень кристаллографических дефектов
(дислокации и дефекты упаковки) кремния с глубиной проникновения, определяемой раз-
мерами соответствующих им элементов, т.е. 1/3 часть от глубины проникновения дефек-
тов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей элементов рисунка по тому же
правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и оставление центральной части не-
вытравленной) приводит к формированию следующего уровня дислокационной структу-
ры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов и
составляет 1/3 часть от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов возникает все новый уровень дис-
локационной структуры. Фрактальный характер вытравленного рисунка обеспечивает од-
новременное 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 подложки 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. В результате такого взаимодействия образуется дислокационная
сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей стороне ЭС, а мак-
симальная глубина проникновения определяется размерами первичных элементов.
Таким образом, регулярное расположение элементов вытравленного рисунка приво-
дит к самоформированию дислокационной структуры в объеме ЭС.
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 подложки t, т.е. (a + l)≤t. В противном слу-
чае дислокации достигнут рабочей поверхности ЭС и приведут ее в негодность. С учетом
глубины активной структуры (в том числе скрытого слоя) и допусков на разброс толщины
подложки требования по размерам первичного элемента рисунка ужесточаются до значе-
ния (a + l)≤0,8t, или a≤0,8t-l.
Минимальное значение длины стороны а первичных элементов определяется долей
объема подложки, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста-
новленным минимальным значением является a = 0,2t, при котором с учетом фактической
величины l примерно четверть объема подложки 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 невытравленного островка) со-
ставляет 1/3a. Повторное разделение каждой из оставшихся восьми частей ямки опять, та-
ки на 9 равных частей квадратной формы и оставление центральных вновь образованных
частей невытравленными приводит к образованию восьми новых островков с длиной сто-
роны (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 первичной ямки n = 1, для элементов

7. BY 6683 U 2010.10.30
7
второго уровня n = 2 и т.д. Минимальный размер элементов рисунка при этом в принципе
ограничен только возможностями технологического оборудования. Однако, как показыва-
ет практика, для решения поставленной в данном случае задачи достаточно, как правило,
до трех уровней вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного уров-
ня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка при этом не зависит
от количества уровней элементов, поскольку осуществляется в едином технологическом
цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка определяется размерами зоны
упругого влияния, возникающей в результате нанесения на нерабочую сторону подложки
технологического слоя. 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 l 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 малень-
кой для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для образо-
вания дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по
краю элемента, но и внутри его. 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 результате дислокационная структура формирует-
ся по островковому принципу внутри разделенных между собой пирамид. Процессы
самоформирования обрываются на границе этих пирамид, единая устойчивая структура не
образуется.
Выбор в качестве источника дислокаций неровностей поверхности в виде чередую-
щихся ямок глубиной 0,5-1,5 мкм на нерабочей стороне подложки обусловлен тем, что в
процессе эпитаксии используется крайне агрессивная среда на основе газообразного хло-
ристого водорода. Все известные материалы, используемые в технологии изготовления
полупроводниковых приборов, являются по отношению к нему нестойкими. Кремний то-
же нестоек по отношению к хлористому водороду и подвергается травлению в процессе
эпитаксии. Однако скорость травления кремния одинакова на поверхности пластины и на
дне ямки. Поэтому этот микрорельеф поверхности в процессе эпитаксии сохраняется.
Дислокационная структура для обеспечения поглощения неконтролируемых примесей
формируется в течение технологического цикла изготовления активных элементов. Этим
фактором, в первую очередь, определяется минимальная глубина ямок, образующих ри-
сунок на нерабочей поверхности пластины. Механические напряжения, возникающие в
результате формирования технологических слоев, на нерабочей стороне структуры долж-
ны превышать напряжения, вносимые этими слоями, на рабочей поверхности. Тогда гене-
рируемая сетка дислокаций на нерабочей стороне пластины всегда будет "работать на
опережение", все вновь вносимые неконтролируемые загрязнения будут успевать погло-
щаться растущей сеткой дислокаций. Небольшая глубина ямок, например 0,3 мкм, в тече-
ние цикла изготовления активных элементов полупроводниковых приборов не позволяет
получить плотную дислокационную структуру в связи с тем, что многократное окисление
пластин и удаление оксида кремния приводит к сглаживанию изначально вертикальных
стенок ямок. Они становятся пологими, что не обеспечивает возникновения распирающих
механических напряжений требуемого уровня. Большая глубина ямок, например 2 мкм,
приводит к затруднениям при очистке поверхности эпитаксиальной структуры. Проник-
новение реактивов в уголки ямок затруднено. Там накапливаются остатки фоторезиста,

8. BY 6683 U 2010.10.30
8
технологических слоев и т.п. В результате эти ямки превращаются в источник загрязнения
эпитаксиальной структуры.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - 6.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка на нерабочей стороне эпи-
таксиальной структуры, состоящее из первичных элементов в виде ямок квадратной фор-
мы с длиной стороны а и расстоянием между ними l. На фиг. 2 приведено изображение
рисунка, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго
уровня путем разделения первичных ямок на 9 равных квадратных частей и оставления
центральной части невытравленной с образованием бугорка с длиной стороны 1/3a. На
фиг. 3 приведено изображение рисунка, состоящее из первичных элементов, в которых
сформированы элементы 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 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 однослойной заявляемой ЭС в плоскости (100)
после формирования на ее рабочей стороне активных элементов. Дислокационная струк-
тура в объеме ЭС сформирована в результате релаксации механических напряжений, вне-
сенных рисунком, приведенным на фиг. 3, и соответствует виду АА*. На фиг. 6 приняты
следующие обозначения: 1 - полупроводниковая подложка толщиной t, 2 - эпитаксиаль-
ный слой, 3 - активные элементы полупроводниковых приборов, 4 - вытравленные ямки
на нерабочей стороне подложки с невытравленными островками 5. Жирными линиями
обозначены плоскости скольжения дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка,
и пересекающиеся друг с другом с образованием пирамиды, основанием которой является
элемент рисунка (ямка или островок). Тонкими линиями обозначены остальные плоскости
скольжения. Из фиг. 6 видно, что глубина проникновения дислокаций, генерируемых пер-
вичным элементом, размер которого максимален, составляет h1 = (a + l), глубина проник-
новения дислокаций, генерируемых элементом второго уровня, составляет h2 = (a/3 + l),
глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом третьего уровня, составля-
ет h3 = (a/9 + l) и т.д. Максимальная глубина h проникновения дислокаций в подложку не
превышает величины h1. Области генерации дислокаций, соответствующие их самофор-
мированию, выделены заливкой. Сравнительный анализ структуры этих областей со
структурой областей, образованных непосредственно элементами рисунка (выделено
жирными линиями), показывает их идентичность. Как видно из фиг. 6, эти области спо-
собствуют своеобразной сшивке всей дислокационной структуры, что заметно повышает
ее эффективность и устойчивость.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную орга-
низованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид, образо-
ванных плоскостями скольжения (101), ),1(10 (011) и 1),1(0 причем плотность
дислокаций увеличивается при приближении к нерабочей стороне ЭС.
Заявляемая эпитаксиальная структура с вытравленным рисунком на нерабочей сто-
роне действует следующим образом. Первой термической обработкой при изготовлении
активных областей полупроводниковых приборов является, как правило, окисление. Об-
разование диоксида кремния на нерабочей стороне приводит к возникновению распираю-
щих напряжений, действующих на стенки ямок. Релаксация этих напряжений протекает
через структурно-фазовые превращения в диоксиде кремния и образование дислокаций в
кремниевой подложке эпитаксиальной структуры. Ориентация сторон ямок обеспечивает
образование дислокаций в заданных кристаллографических плоскостях в соответствии с
описанными выше механизмами. Постоянный рост дислокационной структуры по мере

9. BY 6683 U 2010.10.30
9
увеличения количества термообработок обеспечивает поглощение все увеличивающегося
количества неконтролируемых примесей. Экспериментально установлено, что основа
дислокационной сетки формируется уже при первой термообработке эпитаксиальных
структур. Дальнейшие термообработки приводят к развитию ее структуры и повышению
плотности за счет самоформирования все новых плоскостей скольжения дислокаций.
Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему эпитаксиальной
структуры определяется их растворимостью в различных областях этой структуры. При
этом растворимость неконтролируемых примесей в значительной мере определяется воз-
можностью образования химической связи с кремнием. С увеличением количества нена-
сыщенных (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 связей в кремнии располагает приповерхностная область структуры, в кото-
рой формируются активные элементы полупроводникового прибора. Наличие дислокаци-
онной сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к
значительному увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме струк-
туры, где их влияние на характеристики изготавливаемых приборов практически исклю-
чено. В процессе термообработки при формировании активных элементов полупро-
водникового прибора неконтролируемые примеси приобретают высокую подвижность и
свободно перемещаются по всему объему структуры. При охлаждении структур концен-
трация неконтролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей
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 структуры, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсут-
ствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой эпитаксиаль-
ной структуры обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей
поверхности не образуются. Таким образом, устойчивость эпитаксиальных структур к об-
разованию кристаллографических дефектов в процессе изготовления активных элементов
полупроводниковых приборов значительно возрастает.
Испытания эпитаксиальных структур на устойчивость к образованию преципитатов
неконтролируемых примесей проводили следующим образом.
Для испытаний использовали эпитаксиальные структуры двух типов - однослойные и
структуры со скрытым слоем. При изготовлении однослойных структур использовали
подложки типа 100 КЭС 0,01 ориентации (001) и толщиной 450 мкм. На рабочей поверх-
ности подложек на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2ПК-А формировали
эпитаксиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 8 мкм. При изготовлении структур со
скрытым слоем использовали подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной 450 мкм.
Скрытый слой n+
-типа проводимости глубиной 6 мкм получали путем ионного легирова-
ния пластин сурьмой дозой 250 мкКл/см2
и энергией 100 кэВ с последующей активацией
примеси термообработкой. Затем на рабочей поверхности подложек формировали эпитак-
сиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 12 мкм. Расчетными значениями размера а пер-
вичного элемента являются величины от 0,2t = 90 мкм до (0,8t-l) = 350 мкм. Рисунок на
нерабочей стороне эпитаксиальной структуры формировали методами стандартной фото-
литографии и плазмохимического травления. Характеристики полученной структуры при-
ведены в таблице.
Для оценки устойчивости полученных эпитаксиальных структур к дефектообразо-
ванию их окисляли в сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 °С на уста-
новке АДС 6-100. Затем 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

10. BY 6683 U 2010.10.30
10
примесей, а также плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом опти-
ческой микроскопии при увеличении 250×
. Результаты контроля приведены в таблице.
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического ре-
шения плотность микродефектов, обусловленная наличием неконтролируемых примесей,
уменьшается по сравнению с прототипом примерно на 3 порядка. 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 параметров не позволяет в полной мере решить по-
ставленную задачу.
Влияние характеристик рисунка на нерабочей стороне на устойчивость эпитакси-
альных структур к дефектообразованию
№
п/п
Глу-
бина
ри-
сунка,
мкм
Размер
первич-
ного
элемен-
та, мкм
Расстояние
между пер-
вичными
элемента-
ми, мкм
Коли-
чество
уровней
элемен-
тов
Тип эпи-
такси-
альных
структур
Ориен-
тация
сторон
элемен-
тов
Плотность дефектов на рабо-
чей стороне пластины, см-2
При-
меча-
ние
дисло-
каций
дефек-
тов упа-
ковки
микро-
дефек-
тов
1 0,3 250 50 3 ОЭС <100> 3×103
- 5×103
2 0,5
250 50 3 ОЭС <100>
5×101
- 7×101
3 1,0 3×101
- 4×101
4 1,5 2×102
- 5×101
5 2,0 250 50 3 ОЭС <100> 5×103
3×101
2×102
6 11,0 50 50 3 ОЭС <100> 5×103
2×101
5×101
7
1,0
90 50
3 ОЭС <100>
2×101
- 5×101
8 250 50 1×101
- 2×101
9 350 10 1×102
- 3×101
10 1,0 600 50 3 ОЭС <100> 2×103
5×101
5×101
11 1,0 250 5 3 ОЭС <100> 5×103
3×101
4×102
12
1,0 250
10
3 ОЭС <100>
5×101
- 2×101
13 50 7×101
- 3×101
14 100 2×101
- 3×101
15 1,0 250 200 3 ОЭС <100> 5×102
- 4×103
16
1,0 250 50
1
ОЭС <100>
5×101
- 5×101
фиг. 1
17 2 6×101
- 5×101
фиг. 2
18 3 1×101
- 2×101
фиг. 3
19 4 3×101
- 3×101
фиг. 4
20 5 1×101
- 1×101
21 1,0 250 50 3 ОЭС <110> 8×106
4×103
-
22 1,0 250 50 3 ЭСС <100> 4×101
- 5×101
23 прототип 5×103
1×102
5×105
Примечание: ОЭС - однослойные эпитаксиальные структуры, ЭСС - эпитаксиальные
структуры со скрытым слоем.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом повысить устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию.

11. BY 6683 U 2010.10.30
11
Фиг. 1 Фиг. 2
Фиг. 4 Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.