1. (19) BY (11) 6337
(13) U
(46) 2010.06.30
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(51) МПК (2009)
H 01L 21/00
(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ ПЛАСТИНА
ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: u 20090985
(22) 2009.11.25
(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. Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111) с полированной рабо-
чей поверхностью и толщиной t, обеспечивающей необходимую прочность, отличаю-
щаяся тем, что на нерабочей поверхности содержит пленку нитрида кремния толщиной
0,1-0,4 мкм, которая разделена на элементы в виде правильных треугольных островков
пленкой диоксида кремния толщиной 0,1-2,0 мкм, причем стороны этих элементов ориен-
тированы в кристаллографических направлениях типа <110>, расстояние между ними со-
ставляет 10-100 мкм, а длина стороны выбрана из интервала (0,3-1,0)t, где t - толщина
пластин.
2. Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111) по п. 1, отличающаяся
тем, что элементы пленки нитрида кремния разделены на элементы меньших размеров
островками пленки диоксида кремния при сохранении формы и ориентации сторон вновь
образованных элементов.
Фиг. 2
BY6337U2010.06.30
2. BY 6337 U 2010.06.30
2
(56)
1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ЕТО.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. -М.: Энер-
гия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986. - С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности, к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Параметры исходной пластины во многом предопределяют
технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показате-
лем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам дефек-
тообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен
практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к
полупроводниковым пластинам [1-3].
Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве ис-
ходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей не-
обходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью [4].
Такие пластины изготавливают обычно путем химического травления нарушенного
слоя, образующегося в процессе резки слитка кремния на пластины. Недостатки рассмат-
риваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверх-
ности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении
высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры 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 форми-
руемых 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.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и
маркировочными срезами на краю пластины [5].
Маркировочные срезы на краю пластины позволяют различать пластины различных
типономиналов. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливае-
мых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Од-
нако проблема неконтролируемых загрязнений этим не решается.
3. BY 6337 U 2010.06.30
3
Одними из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристал-
лические пластины ориентации (111), получаемые из кремния, выращенного методом
Чохральского, и содержащие в качестве загрязняющих примесей преимущественно ки-
слород и углерод. Воздействие на пластину разнообразных технологических сред при раз-
личных температурах, контакт с технологической оснасткой, изготовленной из различных
материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Особенно-
стью распределения этих загрязнений по объему пластины является то, что они концент-
рируются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно зависит от
температуры. При нагреве от комнатной температуры до ~1000 °С она повышается на
несколько порядков. При последующем охлаждении пластин растворимость резко падает
и фактическая концентрация примесей начинает превышать предельную растворимость, в
результате чего образуются преципитаты, представляющие собой микроскопические выделе-
ния 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 пластин к де-
фектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости пластин ори-
ентации (111) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что полупроводниковая кремниевая пластина ори-
ентации (111) с полированной рабочей поверхностью и толщиной t, обеспечивающей не-
обходимую прочность, на нерабочей поверхности содержит пленку нитрида кремния
толщиной 0,1-0,4 мкм, которая разделена на элементы в виде правильных треугольных
островков пленкой диоксида кремния толщиной 0,1-2,0 мкм, причем стороны этих элементов
ориентированы в кристаллографических направлениях типа <110>, расстояние между
ними составляет 10-100 мкм, а длина стороны выбрана из интервала (0,3-1,0)t, где t - тол-
щина пластин, а также тем, что элементы пленки нитрида кремния разделены на элементы
меньших размеров островками пленки диоксида кремния при сохранении формы и ориен-
тации сторон вновь образованных элементов.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтроли-
руемых примесей управляемой сеткой дислокаций, индуцированной элементами рисунка
в пленке нитрида кремния.
Поглощение неконтролируемых примесей дислокациями известно давно. Это явление
обусловлено высокой концентрацией ненасыщенных химических связей на дислокациях.
Однако методы управления характеристиками дислокационной структуры в настоящее
время развиты слабо. Настоящее техническое решение основано на явлении самоформи-
рования дислокационной сетки за счет фрактального характера рисунка в пленке нитрида
кремния.
Нитрид кремния широко используется в электронной технике в качестве конструктив-
ного материала для формирования активных и пассивных элементов. Особенностью пле-
нок нитрида кремния является наличие в них высоких растягивающих напряжений - до
100 ГПа [6], обусловленных процессами формирования пленки. Несмотря на небольшое
различие в значении коэффициента линейного термического расширения (клтр) Si3N4 и
кремния (3,4 × 10-6
К-1
для Si3N4 [7] и 3,72 × 10-6
К-1
для Si [8]), использование высоких
температур при изготовлении полупроводниковых приборов и отсутствие полиморфных
превращений Si3N4 приводят к возникновению высоких механических напряжений на
границе раздела Si-Si3N4. Границы элементов топологического рисунка характеризуются
скачкообразным изменением значения и знака механических напряжений, что приводит к
образованию на этих границах дислокаций в кремнии. Наличие большого количества
регулярно расположенных элементов пленки нитрида кремния на нерабочей поверхности
пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций, управляемой пара-
4. BY 6337 U 2010.06.30
4
метрами рисунка. Разделение элементов пленки нитрида кремния дорожками и элементами
пленки диоксида кремния усиливает описываемые процессы за счет того, что локальные
островки нитрида кремния способствуют углублению диоксида кремния в подложку, что
приводит к возникновению дополнительных распирающих напряжений на границах раз-
дела элементов. Эти напряжения носят термический характер, однако их релаксация про-
текает также через образование дислокаций в материале подложки.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (111) могут
быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений -
<112> или <110>. Угол между этими направлениями составляет 30°. Все остальные на-
правления являются промежуточными. Если топологический элемент имеет углы, равные
2n × 30° (где n - целое число), он может быть ориентирован строго в кристаллографиче-
ских направлениях одного типа. Если островок или окно имеет прямоугольную форму (с
углами 90° ≠ 2n × 30°), его смежные стороны могут быть ориентированы либо одновременно
в направлениях двух рассматриваемых типов, либо в промежуточных направлениях. Такая
форма элементов не соответствует заявляемому техническому решению. А если же они
имеют форму правильного треугольника (n = 1) или шестиугольника (n = 2), все их сторо-
ны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только одного типа.
Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников, единственной
рассматриваемой формой элементов формируемого рисунка в нитриде кремния является
правильный треугольник.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. В пластине ориентации (111) плос-
кости типа {111} расположены под углами α1 = 0° (т.е. параллельно поверхности, в дан-
ном случае это плоскость ( 111 ), находящаяся в двойниковой ориентации по отношению
к рабочей поверхности) и α2 = 70°32' к плоскости пластины, а плоскости типа {110} рас-
положены под углами α3 = 90° (т.е. перпендикулярно поверхности, а именно плоскости
( 011 ), ( 110 ) и ( 101 )) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхно-
сти пластины.
В случае ориентации сторон элементов рисунка в кристаллографических направлениях
типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях ( 011 ),
( 110 ) и ( 101 ), расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энергия об-
разования этих дислокаций минимальна. При этом дислокации практически беспрепятст-
венно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для формирования
активных элементов полупроводниковых приборов.
Ориентация сторон элементов рисунка в направлениях [ 011 ], [ 110 ] и [ 101 ] позволяет
сформировать сетку дислокаций в плоскостях (110) и ( 111 ), (101) и ( 111 ), (011) и ( 111 )
попарно, соответственно кристаллографическому направлению ориентации стороны эле-
мента. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае энергетически
наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие от механических напряжений на
границе элемента изгибающие моменты перпендикулярны границе этого элемента.
Совокупность плоскостей {111} скольжения дислокаций, формируемых единичным
первичным элементом рисунка в пленке нитрида кремния, образует правильный тетраэдр
с основанием, совпадающим с этим элементом, а совокупность плоскостей скольжения
{110} образует тетраэдр с тем же основанием, но меньшей высоты. Пересечение рассмат-
риваемых плоскостей скольжения приводит к блокированию дислокаций, скользящих в
пересекающихся плоскостях с образованием дислокационных полупетель, закрепленных
концами на обратной стороне пластины. Фактически образуется новый элемент структуры -
тетраэдрический дефект упаковки, который, в зависимости от локальной плотности дислока-
ций, может быть полным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых
5. BY 6337 U 2010.06.30
5
примесей дефектами упаковки значительно выше, чем дислокациями, что обеспечивает
качественно новый уровень устойчивости пластин к дефектообразованию. Совокупность
всех первичных элементов пленки нитрида кремния приводит к образованию дислокаци-
онной сетки, состоящей из множества одинаковых "двойных тетраэдров".
Любой элемент рисунка в пленке нитрида кремния, выбранный в качестве централь-
ного, окружен тремя боковыми соседними элементами, которые отделены от него полос-
ками диоксида кремния и находятся по отношению к нему в двойниковой ориентации.
Стороны этих элементов ориентированы в кристаллографических направлениях одного и
того же типа <110>, но их углы ориентированы в неравнозначных взаимно противопо-
ложных направлениях типа <112>. При ориентации углов элементов в направлениях
[ 211 ], [ 121 ] и [ 112 ] плоскости скольжения {111} и {110} пересекаются с образовани-
ем тетраэдров внутри объема пластины. При ориентации углов элементов в направлениях
[ 211 ], [ 121 ] и [ 112 ] расположение плоскостей скольжения {111} и {110} таково, что они
пересекаются с образованием тетраэдров вне объема пластины. Совокупность плоскостей
скольжения, формируемых тремя соседними по отношению к центральному (при ориен-
тации его углов в направлениях [ 211 ], [ 121 ] и [ 112 ]) элементами, приводит к образо-
ванию в объеме пластины дополнительного тетраэдрического купола над тетраэдром
плоскостей скольжения, образованным центральным элементом. При этом пересечение
плоскостей скольжения {111} и {110}, образованных центральным и боковыми элемента-
ми, происходит на высоте, меньшей высоты пересечения таких же плоскостей скольже-
ния, но образованных только боковыми элементами. Этот факт, а также то, что боковые
элементы не связаны между собой, приводит к тому, что упомянутый купол образуется
неполным, а глубина проникновения дислокаций вглубь пластины от боковых элементов
при этом не превышает глубины проникновения дислокаций от центрального элемента.
Разделение первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньших раз-
меров островками пленки диоксида кремния при сохранении формы и ориентации сторон
вновь образованных элементов приводит к увеличению плотности формируемой дис-
локационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения не-
контролируемых примесей. При этом образуется своеобразная фрактальная структура как
непосредственно пленки нитрида и диоксида кремния, так и генерируемой ими дислока-
ционной сетки. Такие структуры очень устойчивы и склонны к самоформированию, что
значительно повышает их эффективность.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемую такой фрактальной
структурой, можно описать следующим образом. Вначале формируется сетка "сдвоенных
тетраэдров" с основанием, совпадающим с первичным элементом пленки нитрида крем-
ния (при ориентации его углов в направлениях [ 211 ], [ 121 ] и [ 112 ]). При первом раз-
делении первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньшего размера
путем вписывания в него островков диоксида кремния в объеме кремниевой пластины
формируется новый уровень сетки дислокаций, представляющий собой также "тетраэд-
ры", но площадь их основания уже в 41
раза меньше. При этом элементы рисунка, пред-
ставляющие собой островки диоксида кремния треугольной формы, также являются
основаниями тетраэдров плоскостей скольжения. При разделении этих вновь образован-
ных элементов рисунка островками других (островки нитрида разделяются островками
диоксида, а островки диоксида разделяются островками нитрида) пленок образуется 42
элементов, площадь основания которых в 42
раза меньше по отношению к первичному
"тетраэдру" и т.д. Высота "тетраэдров" каждый раз уменьшается в 2 раза. При этом вер-
шины "тетраэдров" одного уровня находятся на одной и той же высоте и лежат в плоско-
сти (111), которая также является плоскостью скольжения, что приводит к образованию
нового элемента дислокационной структуры - октаэдра. Его можно рассматривать так же,
как фигуру, образованную в результате пересечения двух тетраэдров. Основание первого
6. BY 6337 U 2010.06.30
6
тетраэдра совпадает с первичным элементом в пленке нитрида кремния. Основание второ-
го тетраэдра лежит на высоте, равной половине высоты первого тетраэдра, находится в
двойниковой ориентации по отношению к основанию первого тетраэдра, а его вершина
обращена в сторону нерабочей поверхности пластины. Грани этого "второго тетраэдра"
частично образованы гранями тетраэдров, основания которых совпадают с вновь образо-
ванными (т.е. образованными в результате вписывания нового элемента) элементами ри-
сунка. Очевидно, что образование "второго тетраэдра" и октаэдра происходит за счет
явления самоформирования. Аналогично происходит формирование дислокационной
структуры в плоскостях {110}. Вершины "тетраэдров", образованные плоскостями сколь-
жения {110}, находятся на одинаковой высоте и лежат в плоскости (111). Это приводит к
самоформированию вторичных "тетраэдров", находящихся в двойниковой ориентации по
отношению к первичным и обращенных вершиной в сторону нерабочей поверхности пла-
стины. Пересечение совокупностей "тетраэдров", образованных плоскостями скольжения
{111} и {110}, обеспечивает получение устойчивой взаимосвязанной структуры, состоя-
щей из дислокаций и дефектов упаковки и управляемой параметрами рисунка.
Дальнейшее разделение элементов рисунка в пленке нитрида кремния приводит к об-
разованию следующего уровня дислокационной сетки. Закономерности его образования
аналогичны описанным выше. Этот уровень встраивается в предшествующий, образован-
ный более крупными элементами, поскольку имеет общие с ним плоскости скольжения,
но характеризуется бóльшей плотностью дислокаций и расположен на меньшей глубине.
Количество таких уровней подбирается опытным путем с учетом требуемой эффективно-
сти поглощения неконтролируемых примесей. Иначе, от качества исходного материала,
чистоты применяемых реактивов, длительности и сложности технологического цикла из-
готовления активной структуры и т.п.
Заявляемое техническое решение предполагает разделение первичных элементов ри-
сунка на элементы меньших размеров вписанными островками пленки диоксида кремния
при сохранении формы и ориентации сторон вновь образованных элементов. Эти остров-
ки диоксида кремния могут оставаться неделимыми или же в них могут быть вписаны
островки пленки нитрида кремния. Заявляемое техническое решение предусматривает оба
случая. Внешний вид формируемой структуры в обоих случаях несколько отличается (см.
ниже), однако, как показали экспериментальные исследования, различия в их эффектив-
ности для решения поставленной задачи не замечено.
Естественно, что элементы пленки нитрида кремния меньшего размера приводят к
возникновению механических напряжений, величина которых уменьшается пропорцио-
нально размеру этих элементов. Кроме того, пересечение плоскостей скольжения дислока-
ций, генерируемых различными элементами различного уровня, приводит к их взаимному
блокированию и образованию дислокационных полупетель. Поэтому разделение первич-
ных элементов рисунка на более мелкие не приводит к прорастанию дислокационной
структуры на рабочую поверхность. Каждой совокупности элементов рисунка одинакового
размера соответствует дислокационная сетка, проникающая на некоторую глубину, завися-
щую от размеров этих элементов. С уменьшением размеров, обусловленным последователь-
ным вписыванием все новых элементов, глубина соответствующей им дислокационной
сетки становится меньше, а ее плотность, обусловленная возрастанием количества эле-
ментов, возрастает. Одновременное наличие элементов рисунка различного размера обес-
печивает формирование результирующей дислокационной сетки, представляющей собой
множество сеток, соответствующих этим элементам и встроенных друг в друга в опреде-
ленном порядке. В результате в объеме пластины формируется устойчивая сетка дислока-
ций, плотность которой возрастает при приближении к обратной стороне пластины.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на глу-
бине а, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, генери-
7. BY 6337 U 2010.06.30
7
руемых первичным элементом в пленке нитрида кремния с длиной стороны d, т.е. равной
высоте тетраэдра, которая составляет:
а = d × sin(90°-35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину пластины t. Отсюда следует, что длина
стороны d элемента в пленке нитрида кремния не должна превышать t/0,82 ≈ 1,2t. С уче-
том глубины активной структуры и допусков на разброс толщины пластины это требова-
ние ужесточается до значения 1,0t.
Минимальное значение длины стороны d первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста-
новленным минимальным значением является d = 0,3t, при котором примерно четверть
объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения d 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 правильный треуголь-
ник, представляющий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техни-
ческим решением может быть разделен ровно на 4 элемента одинакового размера. А
каждый из этих вновь полученных элементов, в свою очередь, также может быть разделен
опять таки на 4 элемента еще меньшего размера и т.д. Минимальный размер элементов
рисунка при этом в принципе ограничен только возможностями технологического обору-
дования. Однако, как показывает практика, для решения поставленной в данном случае
задачи достаточно, как правило, до трех уровней вписанных элементов. Внешний вид
структур различного уровня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования ри-
сунка в пленке нитрида кремния при этом не зависит от минимального размера элементов.
Расстояние l между первичными элементами рисунка в пленке нитрида кремния опре-
деляется размерами зоны упругого влияния, возникающей в результате взаимодействия
пленки нитрида кремния с подложкой. Максимальные механические напряжения вносятся
в структуру элементами максимального размера. Поэтому первичные элементы рисунка
являются, с одной стороны, инициирующими процесс дефектообразования, а с другой -
ограничивающими прорастание дислокаций на рабочую сторону. Если расстояние l между
первичными элементами составляет величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механиче-
ские напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с дру-
гом с образованием сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на
границе раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком
маленькой для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для
образования дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не
только по краю элемента, но и внутри его. Дислокационная структура оказывается не-
управляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вноси-
мых соседними элементами рисунка в пленке нитрида кремния. В результате дислокаци-
онная структура формируется по островковому принципу внутри разделенных между
собой тетраэдров. Процессы самоформирования обрываются на границе этих тетраэдров,
единая устойчивая структура не образуется.
Толщина пленки нитрида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, не обеспечивает
достаточно высокого уровня механических напряжений, необходимых для формирования
дислокационной структуры. Дислокационная сетка получается неплотной, процессы само-
формирования практически отсутствуют, поэтому эффективность этой структуры очень
мала. Толщина пленки нитрида кремния более 0,4 мкм, например 0,6 мкм, приводит к
генерации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они
8. BY 6337 U 2010.06.30
8
образуются преимущественно в плоскостях ( 011 ), ( 110 ) и ( 101 ), перпендикулярных
поверхности пластины, что является неприемлемым.
Толщина пленки диоксида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, также не обеспе-
чивает 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, например 3,0 мкм, приводит к сильно-
му дисбалансу напряжений, генерируемых диоксидом и нитридом кремния, в результате чего
рассмотренные выше закономерности генерации дислокаций перестают соблюдаться.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - фиг. 7.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в пленке нитрида кремния,
состоящее из первичных элементов в виде островков нитрида кремния с длиной стороны d
и разделяющих дорожек пленки диоксида кремния шириной l. На фиг. 2 приведено изо-
бражение рисунка в пленке нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, разде-
ленных на элементы меньшего размера путем вписывания островков диоксида кремния.
На фиг. 3 приведены варианты получаемого рисунка в пленке нитрида кремния после сле-
дующих этапов разделения элементов. В разных рядах элементов приведены изображе-
ния, получаемые последовательным вписыванием островков только однотипного (только
диоксид, ряды 1 и 2) и разнотипных (диоксид и нитрид, ряды 3 и 4) материалов. На фиг. 4
приведено схематическое изображение элемента дислокационной структуры, образован-
ной плоскостями скольжения {111} дислокаций, генерируемых первичным элементом ри-
сунка. Для наглядности этот элемент приведен в координатах XYZ и вписан в куб,
представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки крем-
ния, а соответствующие ему плоскости скольжения выделены заливкой. Элементы дисло-
кационной структуры, образованные плоскостями скольжения {110}, по своей форме
аналогичны элементам, образованным плоскостями {111}, но имеют меньшую высоту и
находятся внутри последних. Во избежание загромождения рисунка здесь и на последую-
щих фиг. 5 и фиг. 6 они не показаны. На фиг. 5 приведено изображение элементов дисло-
кационной структуры, образованных плоскостями скольжения {111} вблизи поверхности
пластины, после разделения первичного элемента на элементы меньшего размера. Эти
тетраэдры находятся внутри тетраэдра, изображенного на фиг. 4. На фиг. 6 приведено
изображение элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями скольже-
ния {111}, после второго разделения первичного элемента на элементы меньшего размера.
Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдров, изображенных на фиг. 5. На фиг. 7 схемати-
чески изображена дислокационная структура, сформированная в результате релаксации
механических напряжений, внесенных пленкой нитрида кремния с рисунком, приведен-
ным на фиг. 2, и соответствующая виду AA*. Сплошными линиями изображены плоско-
сти скольжения дислокаций, соответствующие первичным элементам рисунка в пленке
нитрида кремния. Штрихпунктирными линиями изображены плоскости скольжения, соот-
ветствующие элементам, полученным в результате разделения первичных элементов на
элементы меньшего размера. Плоскости скольжения, соответствующие элементам второго
плана, изображены линиями, состоящими из точек. Плоскости скольжения, соответст-
вующие процессам самоформирования дислокационной структуры, изображены пунктир-
ными линиями. Из фиг. 7 видно, что тетраэдры, образованные плоскостями {110} от
первичных элементов, пересекают тетраэдры, образованные плоскостями {111} от вто-
ричных элементов и т.д. За счет этого происходит своеобразная сшивка всей дислокаци-
онной сетки, обеспечивающая повышение ее устойчивости.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную орга-
низованную структуру, состоящую из множества тетраэдров, образованных плоскостями
скольжения (111) и (110), причем плотность дислокаций увеличивается при приближении
к нерабочей стороне пластины.
9. BY 6337 U 2010.06.30
9
Полученная дислокационная структура действует следующим образом. Распределение
концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины определяется их раство-
римостью в различных областях этой пластины. При этом растворимость неконтролируе-
мых примесей в значительной мере определяется возможностью образования химической
связи с материалом пластины. С увеличением количества ненасыщенных (оборванных)
химических связей вероятность образования связи между загрязняющей примесью и
кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их взаимодействия. При отсут-
ствии сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных химических связей в
кремнии располагает приповерхностная область пластины, в которой формируется актив-
ная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной сетки с высокой
плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительному увеличению
растворимости неконтролируемых примесей в объеме пластины, где их влияние на харак-
теристики изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки
при формировании активной структуры полупроводникового прибора неконтролируемые
примеси приобретают высокую подвижность и свободно перемещаются по всему объему
пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перерас-
пределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщен-
ных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформированной
дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в приповерхност-
ной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в
объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролируе-
мых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины обеспечивает и отсутствие
их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Таким образом,
устойчивость пластины к образованию кристаллографических дефектов в процессе изго-
товления активных элементов полупроводниковых приборов значительно возрастает.
Испытания пластин на устойчивость к образованию преципитатов неконтролируемых
примесей проводили следующим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КДБ 10 ориентации (111) и толщи-
ной t = 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию некон-
тролируемых примесей. Расчетными значениями размера d первичного элемента являются
величины от 0,3t = 135 мкм до 1,0t = 450 мкм. Пленку нитрида кремния требуемой толщи-
ны формировали за счет реакции между дихлорсиланом и аммиаком на установке "Изо-
трон-4-150". Рисунок в пленке нитрида кремния формировали методами стандартной
фотолитографии и плазмохимического травления. Пленку диоксида кремния формировали
путем окисления открытых участков кремния под давлением на установке "Термоком-М".
Характеристики полученной структуры приведены в таблице.
Для оценки устойчивости полученных пластин к дефектообразованию их окисляли в
сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 °С на установке АДС 6-100. За-
тем с них удаляли диоксид и нитрид кремния и подвергали травлению в травителе Сиртла
для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне структур. Плотность
микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также плотность
дислокаций определяли методом оптической микроскопии при увеличении 250×
. Резуль-
таты контроля приведены в таблице.
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического ре-
шения устойчивость пластин к дефектообразованию значительно возрастает. Ориентация
сторон элементов рисунка в направлениях типа <112> приводит к значительному повы-
шению плотности дислокаций и дефектов упаковки на рабочей стороне пластин. Исполь-
зование запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере
решить поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию.
![BY 6337 U 2010.06.30
2
(56)
1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ЕТО.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. -М.: Энер-
гия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986. - С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности, к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Параметры исходной пластины во многом предопределяют
технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показате-
лем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам дефек-
тообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен
практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к
полупроводниковым пластинам [1-3].
Вначале полупроводниковые приборы изготавливали с использованием в качестве ис-
ходного материала кремниевых пластин круглой формы с толщиной, обеспечивающей не-
обходимую механическую прочность, с шероховатой рабочей поверхностью [4].
Такие пластины изготавливают обычно путем химического травления нарушенного
слоя, образующегося в процессе резки слитка кремния на пластины. Недостатки рассмат-
риваемой конструкции пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой поверх-
ности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении
высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры 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 форми-
руемых 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.
Наиболее близкой к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
полупроводниковая пластина круглой формы с полированной рабочей поверхностью и
маркировочными срезами на краю пластины [5].
Маркировочные срезы на краю пластины позволяют различать пластины различных
типономиналов. Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливае-
мых приборов за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Од-
нако проблема неконтролируемых загрязнений этим не решается.](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)