Документ описывает патент на кремниевую эпитаксиальную структуру ориентации (001), предназначенную для использования в микроэлектронике и производстве полупроводниковых приборов. Очерчены недостатки традиционных процессов изготовления полупроводников, особенно связанные с дефектами, вызванными загрязнением и микрошероховатостью рабочих поверхностей. Предложена конструкция эпитаксиальной структуры с управляемой сетью дислокаций, которая позволяет повысить устойчивость к дефектообразованию.

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6678
(13) U
(46) 2010.10.30
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) КРЕМНИЕВАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА
ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: u 20100245
(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 акаде-
мии 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 чередующихся в
шахматном порядке контрастных по отношению друг к другу элементов в виде ямок и не-
вытравленных островков квадратной формы, причем стороны элементов ориентированы
в кристаллографических направлениях типа <100>, а длина стороны выбрана из интервала
от 0,25t до 0,80t.
2. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (001) по п. 1, отличающаяся
тем, что упомянутые элементы разделены на 9 равных частей квадратной формы, цен-
тральная из которых заменена на контрастную.
3. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (001) по п. 2, отличающаяся
тем, что упомянутые части элементов разделены на 9 равных вновь образованных частей
квадратной формы, центральная из которых заменена на контрастную, причем вновь об-
разованные части последовательно разделены по тому же правилу необходимое количе-
ство раз.
Фиг. 3
BY6678U2010.10.30

2. BY 6678 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 полупровод-
никовых приборов служат источником возникновения кристаллографических дефектов в
приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций, дефектов
упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых p-n-
переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы приемле-
мого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхно-
сти пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в материале
пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов. Не-
контролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приво-
дят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают
электрические характеристики получаемых приборов.
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-

3. BY 6678 U 2010.10.30
3
рактеристик пластины. Используемые толщины эпитаксиальных слоев для формирования
активной структуры не превышают, как правило, величину 15 мкм. При этом ЭС в своем
составе часто содержит сформированные в объеме исходной подложки скрытые слои,
которые могут быть сплошными или содержать рисунок требуемой топологической кон-
фигурации [4]. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальной пленки при этом соот-
ветствует 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 по-
верхности 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
дефектообразованию в процессе дальнейшего формирования активных элементов полу-
проводниковых 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 рас-
творимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие собой микро-
скопические 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 дефекто-
образованию 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
толщиной t со сформированными на рабочей поверхности скрытым слоем заданной топо-
логической конфигурации и/или эпитаксиальным слоем требуемой толщины, на нерабо-
чей поверхности содержит вытравленный на глубину 0,5-1,5 мкм рисунок, состоящий из
чередующихся в шахматном порядке контрастных по отношению друг к другу элементов
в виде ямок и невытравленных островков квадратной формы, причем стороны элементов
ориентированы в кристаллографических направлениях типа <100>, а длина стороны вы-
брана из интервала от 0,25t до 0,80t,

4. BY 6678 U 2010.10.30
4
а также тем, что упомянутые элементы разделены на 9 равных частей квадратной
формы, центральная из которых заменена на контрастную,
а также тем, что упомянутые части элементов разделены на 9 равных вновь образован-
ных частей квадратной формы, центральная из которых заменена на контрастную, 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 приводит 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) , ),1(10 (011) и 1)1(0 наклонены под уг-
лом 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), ),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 скольже-
ния дислокаций являются плоскости (110) и 0),1(1 которые перпендикулярны поверх-
ности 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-

5. BY 6678 U 2010.10.30
5
рования технологических слоев изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топо-
логических элементов. Плоскости (101), ),1(10 (011) и 1)1(0 перпендикулярны друг дру-
гу, поэтому генерируемые в этих плоскостях дислокации блокируют друг друга в точках
их пересечения с образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на
обратной стороне ЭС. Поскольку генерация дислокаций наблюдается только на границах
элементов рисунка, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей сколь-
жения до поверхности ЭС зависит от размера этого элемента. Поэтому глубина проникно-
вения 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 либо островком, что то же
самое, поскольку плоскости скольжения генерируемых дислокаций наклонены под углами
как +45°, так и -45°), образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом.
Вершины этих пирамидальных дефектов являются точками концентрации механических
напряжений, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры.
Совокупность вершин четырех ближайших пирамид определяет границы основания двух
новых пирамид, одна из которых обращена вершиной вниз, а другая вверх. Поскольку
величина механических напряжений в кремниевой подложке по мере удаления от по-
верхности 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 в приповерхностной области.
Совокупность всех элементов вытравленного рисунка приводит к образованию дисло-
кационной сетки, состоящей из множества пирамидальных структур. В связи с тем, что
рассматриваемая дислокационная структура образована первичными элементами рисунка,
условно назовем ее структурой первого уровня.
Разделение первичного элемента рисунка (как ямки, так и островка) с размером сто-
роны а на 9 равных частей квадратной формы и замена центральной части на контрастную
по отношению к данному элементу приводит к возникновению нового элемента (островка
в случае выбора в качестве первичного элемента ямки и, соответственно, ямки в случае
выбора островка) с размером стороны, равным 1/3а. 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 элементов второго уровня в 3 раза
меньше размеров элементов первого уровня (т.е. первичных элементов), глубина проник-

6. BY 6678 U 2010.10.30
6
новения генерируемых ими дислокаций в пластину соответственно уменьшается. Совокуп-
ность плоскостей скольжения, генерируемых некоторым выбранным вновь образованным
элементом, также образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Со-
вокупность всех вновь образованных элементов рисунка 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 размерами соответствующих им элементов, то
есть 1/3 от глубины проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей первичных элементов пленки по
тому же правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной части
на контрастную) приводит к формированию следующего уровня дислокационной струк-
туры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов и
составляет 1/3 от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов возникает все новый уровень дис-
локационной структуры. Фрактальный характер 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. Точки пересечения плоскостей скольжения дислокаций являются
точками концентрации механических напряжений, что приводит к самоформированию
новых элементов дислокационной структуры. В результате такого взаимодействия обра-
зуется дислокационная сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нера-
бочей стороне ЭС, а максимальная глубина проникновения определяется размерами
первичных элементов.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислока-
ций составляет величину, равную длине стороны первичного элемента рисунка а, что со-
ответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов. Эта глубина h не должна
превышать толщину подложки t, т.е. a≤t. В противном случае дислокации достигнут рабо-
чей поверхности ЭС и приведут ее в негодность. С учетом глубины активной структуры (в
т.ч. скрытого слоя) и допусков на разброс толщины подложки требования по размерам
первичного элемента рисунка ужесточается до значения a≤0,80t.
Минимальное значение длины стороны а первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста-
новленным минимальным значением является a = 0,25t, при котором примерно четверть
объема подложки занята дислокациями. Меньшие значения а приводят к заметному сни-
жению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные эле-
менты, определяется размером первичного элемента. Так, каждый квадрат, представляю-
щий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техническим решением
может быть разделен ровно на 9 равных частей квадратной формы, из чего следует, что
длина стороны вновь образованного элемента составляет 1/3а. Повторное разделение каж-
дой из оставшихся восьми частей элемента рисунка опять-таки на 9 равных частей квад-
ратной формы и замена центральных вновь образованных частей на контрастные

7. BY 6678 U 2010.10.30
7
приводит к образованию восьми новых элементов с длиной стороны (1/3)2
а. В целом дли-
ну стороны элемента можно выразить как an = (1/3)(n-1)
а, где n - порядковый номер уровня
элемента, причем для первичного элемента n = 1, для элементов второго уровня n = 2 и
т.д. Минимальный размер элементов рисунка при этом в принципе ограничен только воз-
можностями технологического оборудования. Однако, как показывает практика, для ре-
шения поставленной в данном случае задачи достаточно, как правило, до трех уровней
вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного уровня приведен не-
сколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка при этом не зависит от количества
уровней элементов, поскольку осуществляется в едином технологическом цикле.
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,
технологических слоев и т.п. В результате эти ямки превращаются в источник загрязнения
эпитаксиальной структуры.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-7.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка на нерабочей стороне эпи-
таксиальной структуры, состоящее из первичных элементов в виде ямок и островков
квадратной формы с длиной стороны a, расположенных в шахматном порядке друг по
отношению к другу. На фиг. 2 приведено изображение рисунка, состоящее из первичных
элементов, в которых сформированы элементы второго уровня путем их разделения на 9
равных квадратных частей и замены центральной части на контрастную. Длина стороны
вновь образованного элемента составляет 1/3а. На фиг. 3 приведено изображение рисунка,
состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго и третье-
го уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка, состоящее из первичных элемен-
тов, в которых сформированы элементы второго, третьего и четвертого уровней. На фиг. 5
приведено схематическое изображение элемента дислокационной структуры, образован-
ной плоскостями скольжения {110} 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 плоскости скольжения выделены заливкой. На фиг. 6 приведено схематическое

8. BY 6678 U 2010.10.30
8
изображение элементов дислокационной структуры, образованной плоскостями скольже-
ния {110} дислокаций, генерируемых четырьмя соседними первичными элементами ри-
сунка (в данном случае эти элементы приведены в координатах XYZ и вписаны в куб,
представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки крем-
ния, количество которых увеличено в 8 раз по отношению к изображению, приведенному
на фиг. 5). Из фиг. 6 видно, что вершины пирамидальных дефектов, образованных пер-
вичными элементами, определяют границы основания (выделено пунктирной линией) са-
моформирующегося пирамидального дефекта с вершиной в точке О. На фиг. 7
схематически изображено сечение однослойной заявляемой ЭС в плоскости (100). Дисло-
кационная структура в объеме подложки сформирована в результате релаксации механи-
ческих напряжений, внесенных рисунком, приведенным на фиг. 3, и соответствует виду
АА*. На фиг. 7 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая пластина тол-
щиной t, 2 - эпитаксиальный слой, 3 - активные элементы формируемых полупроводнико-
вых приборов. На нерабочей стороне ЭС находятся первичные элементы рисунка с
длиной стороны а, элементы второго уровня с размером стороны a/3 в виде невытравлен-
ных островков 4 и ямок 4*, а также элементы третьего уровня с размером стороны a/9 в
виде невытравленных островков 5 и ямок 5*. Жирными линиями обозначены плоскости
скольжения дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка и пересекающиеся друг
с другом с образованием пирамиды, основанием которой является непосредственно эле-
мент рисунка (ямка или островок). Тонкими линиями обозначены остальные плоскости
скольжения. Из фиг. 7 видно, что глубина проникновения дислокаций, генерируемых пер-
вичным элементом, размер которого максимален, составляет h1 = a, глубина проникнове-
ния дислокаций, генерируемых элементом второго уровня, составляет h2 = a/3, глубина
проникновения дислокаций, генерируемых элементом третьего уровня, составляет h3 = a/9
и т.д. Максимальная глубина проникновения дислокаций в пластину h не превышает ве-
личины h1. Области генерации дислокаций, соответствующие их самоформированию, вы-
делены заливкой. Сравнительный анализ структуры самоформирующихся областей со
структурой областей, образованных непосредственно элементами рисунка (выделено
жирными линиями), показывает их идентичность. Как видно из фиг. 7, эти области 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
увеличения количества термообработок обеспечивает поглощение все увеличивающегося
количества неконтролируемых примесей. Экспериментально установлено, что основа дис-
локационной 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

9. BY 6678 U 2010.10.30
9
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 которой
формируются активные элементы полупроводникового прибора. Наличие дислокацион-
ной сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значи-
тельному увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме структуры,
где их влияние на характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В
процессе термообработки при формировании активных элементов полупроводникового
прибора неконтролируемые примеси приобретают высокую подвижность и свободно пе-
ремещаются по всему объему структуры. При охлаждении структур концентрация некон-
тролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей плотностью
ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформи-
рованной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в припо-
верхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются
в объеме структуры, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролиру-
емых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой эпитаксиальной структуры обес-
печивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются.
Таким образом, устойчивость эпитаксиальных структур к образованию кристаллографи-
ческих дефектов в процессе изготовления активных элементов полупроводниковых при-
боров значительно возрастает.
Испытания эпитаксиальных структур на устойчивость к образованию преципитатов
неконтролируемых примесей проводили следующим образом.
Для испытаний использовали эпитаксиальные структуры двух типов - однослойные
(ОЭС) и структуры со скрытым слоем (ЭСС). При изготовлении ОЭС использовали под-
ложки типа 100 КЭС 0,01 ориентации (001) и толщиной 460 мкм. На рабочей поверхности
подложек на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2ПК-А формировали эпи-
таксиальную пленку типа КЭФ 4,5 толщиной 8 мкм. При изготовлении ЭСС использовали
подложки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной 460 мкм. Скрытый слой n+
-типа
проводимости глубиной 6 мкм получали путем ионного легирования пластин сурьмой до-
зой 250 мкКл/см2
и энергией 100 кэВ с последующей активацией примеси термообработ-
кой. Затем на рабочей поверхности подложек формировали эпитаксиальную пленку типа
КЭФ 4,5 толщиной 12 мкм. Расчетными значениями размера а первичного элемента явля-
ются величины от 0,25t = 115 мкм до 0,8t = 368 мкм. Рисунок на нерабочей стороне эпи-
таксиальной структуры формировали методами стандартной фотолитографии и
плазмохимического травления. Характеристики полученной структуры приведены в таб-
лице.
Для оценки устойчивости полученных эпитаксиальных структур к дефектообразова-
нию их окисляли в сухом кислороде в течение 3 ч при температуре 1200 °С на установке
АДС 6-100. Затем с них удаляли образовавшийся диоксид кремния и подвергали травле-
нию в травителе Секко для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне
структур. Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей,
а также плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической мик-
роскопии 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

10. BY 6678 U 2010.10.30
10
запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить по-
ставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом повысить устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию.
Влияние характеристик рисунка на нерабочей стороне
на устойчивость эпитаксиальных структур к дефектообразованию
№
п/п
Глу-
бина
ри-
сунка,
мкм
Размер
первич-
ного
элемен-
та, мкм
Коли-
чество
уровней
элемен-
тов
Ориен-
тация
сторон
элемен-
тов
Тип
эпитак-
сиаль-
ных
структур
Плотность дефектов на рабочей
стороне пластины, см-2 При-
меча-
ниедислока-
ций
дефектов
упаковки
микро-
дефектов
1 0,3 250 3 <100> ОЭС 1×103
- 5×103
фиг. 3
2 0,5
250 3 <100> ОЭС
3×101
- 3×101
фиг. 3
3 1,0 3×101
- 2×101
фиг. 3
4 1,5 3×101
- 3×101
фиг. 3
5 2,0 250 3 <100> ОЭС 2×103
2×101
5×102
фиг. 3
6 1,0 70 3 <100> ОЭС 5×102
5×100
5×102
фиг. 3
7 1,0 115 3
<100> ОЭС
1×101
- 5×101
фиг. 3
8 250 5×101
- 7×100
фиг. 3
9 368 5×101
- 1×101
фиг. 3
10 1,0 600 3 <100> ОЭС 2×103
3×101
5×102
фиг. 3
11 1,0 250 1
<100> ОЭС
1×101
- 4×101
фиг. 1
12 2 9×100
- 3×101
фиг. 2
13 3 5×101
- 1×101
фиг. 3
14 4 5×101
- 1×101
фиг. 4
15 5 4×101
- 9×100
-
16 1,0 250 3 <110> ОЭС 5×106
6×103
- фиг. 3
17 1,0 250 3 <100> ЭСС 3×101
- 2×101
фиг. 3
18 прототип 5×103
1×102
5×105
Фиг. 1 Фиг. 2

11. BY 6678 U 2010.10.30
11
Фиг. 4
Фиг. 5 Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.