-

1. ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(19) BY (11) 6404
(13) U
(46) 2010.08.30
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) КРЕМНИЕВАЯ ЭПИТАКСИАЛЬНАЯ СТРУКТУРА
ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: u 20090990
(22) 2009.11.25
(71) Заявитель: Открытое акционерное
общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(72) Авторы: Шведов Сергей Васильевич;
Сенько Сергей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Открытое акцио-
нерное общество "ИНТЕГРАЛ" (BY)
(57)
1. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (111), 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 правильных тре-
угольных ямок с длиной стороны, выбранной из интервала (0,3-1,0)t, с расстоянием между
соседними ямками 10-100 мкм, при ориентации их сторон в кристаллографических
направлениях типа <110>.
2. Кремниевая эпитаксиальная структура ориентации (111) по п. 1, отличающаяся
тем, что упомянутые ямки содержат дополнительные элементы рисунка в виде последова-
тельно вписанных в них невытравленных островков и ямок правильной треугольной фор-
мы с той же ориентацией сторон.
Фиг. 1
BY6404U2010.08.30

2. BY 6404 U 2010.08.30
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. Книга 1: Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М: Мир, 1986
(прототип).
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлект-
ронике, 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 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. Неконт-
ролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приводят к
образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают электри-
ческие 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.
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 6404 U 2010.08.30
3
рактеристик пластины. Используемые толщины эпитаксиальных слоев для формирования
активной структуры не превышают, как правило, величину 15 мкм. При этом эпитакси-
альная структура в своем составе часто содержит сформированные в объеме исходной
подложки скрытые слои, которые могут быть сплошными или содержать рисунок требуемой
топологической конфигурации [4]. Кристаллографическая ориентация эпитаксиальной
пленки при этом соответствует кристаллографической ориентации исходной пластины.
Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристалли-
ческие пластины ориентации (111), 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 де-
фектообразованию в процессе дальнейшего формирования активных элементов полупровод-
никовых приборов. Это связано с тем, что, с одной стороны, структура насыщена неконтро-
лируемыми 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 микроско-
пические 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 эпитаксиальных
структур к дефектообразованию в процессе формирования активных элементов полупро-
водниковых приборов.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение устойчивости эпитаксиаль-
ных структур ориентации (111) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что кремниевая эпитаксиальная структура ориен-
тации (111), представляющая собой монокристаллическую кремниевую подложку толщи-
ной t со сформированными на рабочей поверхности скрытым слоем заданной тополо-
гической конфигурации и/или эпитаксиальным слоем требуемой толщины, на нерабочей
поверхности содержит вытравленный на глубину 0,5-1,5 мкм рисунок, состоящий из пра-
вильных треугольных ямок с длиной стороны, выбранной из интервала (0,3-1,0)t, с расстоя-

4. BY 6404 U 2010.08.30
4
нием между соседними ямками 10-100 мкм, при ориентации их сторон в кристалло-
графических направлениях типа <110>,
а также тем, что упомянутые ямки содержат дополнительные элементы рисунка в виде
последовательно вписанных в них невытравленных островков и ямок правильной тре-
угольной формы с той же ориентацией сторон.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтроли-
руемых примесей управляемой сеткой дислокаций, индуцированной элементами рисунка
на нерабочей стороне структуры при формировании активной структуры.
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 структуры.
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.
Стороны топологических элементов на поверхности кремниевой эпитаксиальной
структуры ориентации (111) могут быть выполнены в одном из двух основных типов кри-
сталлографических направлений - <112> или <110>. Угол между этими направлениями
составляет 30°. Все остальные направления являются промежуточными. Если топологиче-
ский элемент имеет углы, равные 2n×30° (где n - целое число), он может быть ориентиро-
ван строго в кристаллографических направлениях одного типа. Если островок или ямка
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 тех-
ническому решению. А если же они имеют форму правильного треугольника (n = 1) или
шестиугольника (n = 2), все их стороны могут быть ориентированы в кристаллографиче-
ских направлениях только одного типа. Поскольку шестиугольник является линейной
комбинацией треугольников, единственной рассматриваемой формой элементов форми-
руемого рисунка является правильный треугольник.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. В подложке 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, a именно плоскости
0)1(1 , )1(10 и )1(01 ) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхно-
сти подложки.

5. BY 6404 U 2010.08.30
5
В случае ориентации сторон элементов рисунка в кристаллографических направлениях
типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях 0)1(1 ,
)1(10 и )1(01 , расположенных перпендикулярно поверхности подложки, т.к. энергия
образования этих дислокаций минимальна. При этом дислокации практически беспрепят-
ственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для формирования
активных элементов полупроводниковых приборов.
Ориентация сторон элементов рисунка в направлениях 0]1[1 , ]1[10 и ]1[01 позволяет
сформировать сетку дислокаций в плоскостях (110) и )1(11 , (101) и 1)1(1 , (011) и 11)1(
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, образует правильный тетраэдр с основанием, совпадающим с
этим элементом, а совокупность плоскостей скольжения {110} образует тетраэдр с тем же
основанием, но меньшей высоты. Пересечение рассматриваемых плоскостей скольжения
приводит к блокированию дислокаций, скользящих в пересекающихся плоскостях с обра-
зованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на обратной стороне под-
ложки. Фактически образуется новый элемент структуры - тетраэдрический дефект
упаковки, который, в зависимости от локальной плотности дислокаций, может быть пол-
ным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых примесей дефектами
упаковки значительно выше, чем дислокациями, что обеспечивает качественно новый
уровень устойчивости эпитаксиальных структур к дефектообразованию. Совокупность
всех первичных элементов на обратной стороне эпитаксиальной структуры в процессе из-
готовления активных элементов полупроводниковых приборов приводит к образованию
дислокационной сетки, состоящей из множества одинаковых "двойных тетраэдров".
Любой элемент рисунка на нерабочей стороне эпитаксиальной структуры, выбранный
в качестве центрального, окружен тремя боковыми соседними элементами, которые нахо-
дятся по отношению к нему в двойниковой ориентации. Стороны этих элементов ориен-
тированы в кристаллографических направлениях одного и того же типа <110>, но их углы
ориентированы в неравнозначных взаимно противоположных направлениях типа <112>.
При ориентации углов элементов в направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 плоскости
скольжения {111} и {110} пересекаются с образованием тетраэдров внутри объема пла-
стины. При ориентации углов элементов в направлениях ]2[11 , 1]2[1 и 11]2[ расположе-
ние 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 ориентации его углов в направлениях
2]11[ , ]121[ и ]11[2 ) элементами, приводит к образованию в объеме пластины допол-
нительного тетраэдрического купола над тетраэдром плоскостей скольжения, образован-
ным центральным элементом. При этом пересечение плоскостей скольжения {111} и
{110}, образованных центральным и боковыми элементами, происходит на высоте мень-
шей высоты пересечения таких же плоскостей скольжения, но образованных только боко-
выми 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 структуры от боковых элементов при этом не превышает глубины
проникновения дислокаций от центрального элемента.
Разделение первичных элементов рисунка на элементы меньших размеров путем по-
следовательного вписывания друг в друга островков и ямок при соблюдении кристалло-

6. BY 6404 U 2010.08.30
6
графической ориентации их сторон приводит к увеличению плотности формируемой дис-
локационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения некон-
тролируемых примесей. При этом форма вновь образующихся элементов рисунка повторяет
форму первичных элементов, т.е. они также являются правильными треугольниками. В
треугольный островок вписывается треугольная ямка, а в треугольную ямку затем вписы-
вается треугольный островок. Вписывание в треугольный островок треугольной ямки
приводит к образованию трех новых островков и одной новой ямки. Вписывание в тре-
угольную ямку треугольного островка приводит к образованию трех новых ямок и одного
нового островка. Последовательное повторение этих действий приводит к образованию
своеобразной фрактальной структуры как рисунка, так и образующейся впоследствии
дислокационной сетки. Такие структуры очень устойчивы и склонны к самоформирова-
нию, 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 рисунка, т.е. треуголь-
ной ямкой. При первом разделении первичных элементов рисунка на элементы меньшего
размера в объеме кремниевой пластины формируется новый уровень сетки дислокаций,
представляющий собой также "тетраэдры", но площадь их основания уже в 41
раза мень-
ше. При втором разделении элементов образуется 42
элементов, площадь основания кото-
рых в 42
раза меньше по отношению к первичному "тетраэдру" и т.д. Высота "тетраэдров"
каждый раз уменьшается в 2 раза. При этом вершины "тетраэдров" одного уровня нахо-
дятся на одной и той же высоте и лежат в плоскости (111), которая также является плоско-
стью скольжения, что приводит к образованию нового элемента дислокационной
структуры - октаэдра. Его можно рассматривать также как фигуру, образованную в ре-
зультате пересечения двух тетраэдров. Основание первого тетраэдра совпадает с первич-
ным элементом рисунка. Основание второго 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 ко-
торых совпадают с вновь образованными (т.е. образованными в результате вписывания
нового элемента) элементами рисунка. Очевидно, что образование "второго тетраэдра" и
октаэдра происходит за счет явления самоформирования. Аналогично происходит форми-
рование дислокационной структуры в плоскостях {110}. Вершины "тетраэдров", образо-
ванные плоскостями скольжения {110}, находятся на одинаковой высоте и лежат в
плоскости (111). Это приводит к самоформированию вторичных "тетраэдров", находя-
щихся в двойниковой ориентации по отношению к первичным, и обращенных вершиной в
сторону нерабочей поверхности пластины. Пересечение совокупностей "тетраэдров", об-
разованных плоскостями скольжения {111} и {110}, обеспечивает получение устойчивой
взаимосвязанной структуры, состоящей из дислокаций и дефектов упаковки и управляе-
мой параметрами рисунка на обратной стороне эпитаксиальной структуры.
Дальнейшее разделение элементов рисунка приводит к образованию следующего уровня
дислокационной сетки. Закономерности его образования аналогичны описанным выше.
Этот уровень встраивается в предшествующий, образованный более крупными элемента-
ми, 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 эффективности поглощения неконтролиру-
емых примесей. Иначе, от качества исходного материала, чистоты применяемых реактивов,
длительности и сложности технологического цикла изготовления активной структуры и т.п.
Заявляемое техническое решение предполагает последовательное вписывание как од-
нотипных, так и разнотипных элементов. Внешний вид формируемой структуры в обоих

7. BY 6404 U 2010.08.30
7
случаях несколько отличается (см. ниже), однако, как показали экспериментальные иссле-
дования, различия в их эффективности для решения поставленной задачи не замечено.
Естественно, что элементы рисунка на обратной стороне эпитаксиальной структуры
меньшего размера приводят к возникновению механических напряжений, величина кото-
рых уменьшается пропорционально их размеру. Кроме того, пересечение плоскостей
скольжения дислокаций, генерируемых различными элементами различного уровня, при-
водит к их взаимному блокированию и образованию дислокационных полупетель. Поэто-
му разделение первичных элементов рисунка на более мелкие не приводит к прорастанию
дислокационной структуры на рабочую поверхность. Каждой совокупности элементов ри-
сунка одинакового размера соответствует дислокационная сетка, проникающая на некоторую
глубину, зависящую от размеров этих элементов. С уменьшением размеров, обусловлен-
ным последовательным вписыванием все новых элементов, глубина соответствующей им
дислокационной сетки становится меньше, а ее плотность, обусловленная возрастанием
количества элементов, возрастает. Одновременное наличие элементов рисунка различного
размера обеспечивает формирование результирующей дислокационной сетки, представ-
ляющей собой множество сеток, соответствующих этим элементам и встроенных друг в
друга в определенном порядке. В результате в объеме эпитаксиальной структуры форми-
руется устойчивая сетка дислокаций, плотность которой возрастает при приближении к
обратной стороне пластины.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на
глубине а, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, ге-
нерируемых первичным элементом рисунка с размером стороны d, т.е. равной высоте тет-
раэдра, которая составляет:
a = d×sin (90°-35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину подложки t. Отсюда следует, что размер
стороны d элемента рисунка не должен превышать t/0,82 ≈ 1,2t. С учетом допусков на раз-
брос толщины подложки это требование ужесточается до значения 1,0t.
Минимальное значение размера стороны d первичных элементов структуры определя-
ется долей объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Эксперимен-
тально установленным минимальным значением является d = 0,3t, при котором примерно
четверть объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения d приводят к замет-
ному снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные элемен-
ты, определяется размером первичного элемента. Так, каждый правильный треугольник,
представляющий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техническим
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 оборудования. 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 рисунка при этом не зави-
сит от минимального размера элементов.
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

8. BY 6404 U 2010.08.30
8
напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с другом с
образованием сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на границе
раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком маленькой
для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для образова-
ния дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по
краю элемента, но и внутри него. Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вноси-
мых соседними элементами рисунка. В результате дислокационная структура формируется
по островковому принципу внутри разделенных между собой тетраэдров. Процессы само-
формирования обрываются на границе этих тетраэдров, 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 пластины 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 с длиной стороны
d и расстоянием между ними l. На фиг. 2 приведено изображение рисунка, состоящее из
первичных элементов, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания не-
вытравленных островков.
На фиг. 3 приведены варианты получаемого рисунка после следующих этапов разде-
ления элементов. В разных рядах элементов приведены изображения, получаемые после-
довательным вписыванием однотипных (только островки, ряды 1 и 2) и разнотипных
(островки и ямки, ряды 3 и 4) элементов. На фиг. 4 приведено схематическое изображение
элемента дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {111} дис-
локаций, генерируемых первичным элементом рисунка. Для наглядности этот элемент

9. BY 6404 U 2010.08.30
9
приведен в координатах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элемен-
тарных ячеек кристаллической решетки кремния, а соответствующие ему плоскости
скольжения выделены заливкой. Элементы дислокационной структуры, образованные
плоскостями скольжения {110}, по своей форме аналогичны элементам, образованным
плоскостями {111}, но имеют меньшую высоту и находятся внутри последних. Во избежа-
ние загромождения рисунка здесь и на последующих фиг. 5 и 6 они не показаны. На фиг. 5
приведено изображение элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями
скольжения {111} вблизи поверхности подложки, после разделения первичного элемента
на элементы меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдра, изображенно-
го на фиг. 4. На фиг. 6 приведено изображение элементов дислокационной структуры,
образованных плоскостями скольжения {111}, после второго разделения первичного эле-
мента на элементы меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдров, изоб-
раженных на фиг. 5. На фиг. 7 схематически изображена дислокационная структура,
сформированная в результате релаксации механических напряжений, внесенных техноло-
гическими слоями в процессе изготовления активных областей приборов с рисунком, при-
веденным на фиг. 2, и соответствующая виду AA*. Сплошными линиями изображены
плоскости скольжения дислокаций, соответствующие первичным элементам рисунка.
Штрихпунктирными линиями изображены плоскости скольжения, соответствующие элемен-
там, полученным в результате разделения первичных элементов на элементы меньшего
размера. Плоскости скольжения, соответствующие элементам второго плана, изображены
линиями, состоящими из точек. Плоскости скольжения, соответствующие процессам са-
моформирования дислокационной структуры, изображены пунктирными линиями. Из
фиг. 7 видно, что тетраэдры, образованные плоскостями {110} от первичных элементов,
пересекают тетраэдры, образованные плоскостями {111} от вторичных элементов и т.д. За
счет этого происходит своеобразная сшивка всей дислокационной 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.
Заявляемая эпитаксиальная структура с вытравленным рисунком на нерабочей стороне
действует следующим образом. Первой термической обработкой при изготовлении активных
областей полупроводниковых приборов является, как правило, окисление. Образование
диоксида кремния на нерабочей стороне приводит к возникновению распирающих напря-
жений, действующих на стенки ямок. Релаксация этих напряжений протекает через струк-
турно-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 ко-
личества термообработок обеспечивает поглощение все увеличивающегося количества
неконтролируемых примесей. Экспериментально установлено, что основа дислокацион-
ной сетки формируется уже при первой термообработке эпитаксиальных структур. Даль-
нейшие 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
возможностью образования химической связи с кремнием. С увеличением количества
ненасыщенных (оборванных) химических связей вероятность образования связи между
загрязняющей примесью и кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их

10. BY 6404 U 2010.08.30
10
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 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 неконтро-
лируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей плотностью
ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформиро-
ванной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в приповерх-
ностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в
объеме структуры, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролируемых
примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой эпитаксиальной структуры обеспечи-
вает 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 и
структуры со скрытым слоем. При изготовлении однослойных структур использовали
подложки типа 100 КЭС 0,01 ориентации (111) и толщиной 450 мкм. На рабочей поверх-
ности подложек на установке эпитаксиального наращивания УНЭС-2ПК-А формировали
эпитаксиальную пленку типа КДБ 3,0 толщиной 5 мкм. При изготовлении структур со
скрытым слоем использовали подложки 100 КДБ 0,3 ориентации (111) и толщиной
450 мкм. Скрытый слой n-типа проводимости толщиной ~6 мкм получали путем ионного
легирования пластин сурьмой дозой 250 мкКул/см2
и энергией 100 кэВ с последующей
активацией примеси термообработкой. Затем на рабочей поверхности подложек формиро-
вали эпитаксиальную пленку типа КДБ 10 толщиной 10 мкм.
Расчетными значениями размера d первичного элемента являются величины от
0,3t = 135 мкм до 1,0t = 450 мкм. Рисунок на нерабочей стороне эпитаксиальной структу-
ры формировали методами стандартной фотолитографии и плазмохимического травления.
Характеристики полученной структуры приведены в таблице.
Для оценки устойчивости полученных эпитаксиальных структур к дефектообразова-
нию 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 Сиртла для выявления кристаллографических дефектов на рабочей
стороне структур. Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых
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 <112> 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.

11. BY 6404 U 2010.08.30
11
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом повысить устойчивость пластин 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
Расстоя-
ние между
первич-
ными
элемента-
ми, мкм
Количе-
ство
уровней
вписан-
ных
элемен-
тов
Тип эпи-
таксиаль-
ных
структур*
Ориен-
тация
сторон
элемен-
тов
Плотность дефектов на
рабочей стороне пласти-
ны, см-2
Приме-
чаниедис-
лока-
ций
дефек-
тов упа-
ковки
микро-
дефек-
тов
1 0,3 250 50 2 А <110> 2×103
- 4×103
2 0,5
250 50 2
А
<110>
2×101
- 9×101
3 1,0 А 3×102
- 5×101
4 1,5 А 1×102
- 6×101
5 2,0 250 50 2 А <110> 8×103
5×101
3×101
6 1,0 50 50 2 А <110> 6×103
5×101
3×101
7
1,0
135
50 2
А
<110>
3×101
- 2×101
8 250 А 5×102
- 3×101
9 450 А 3×102
- 2×101
10 1,0 600 50 2 А <110> 3×103
3×101
3×101
11 1,0 250 5 2 А <110> 6×103
2×102
2×101
12
1,0 250
10
2
А
<110>
9×101
- 1×101
13 50 А 1×102
- 5×101
14 100 А 8×101
- 5×101
15 1,0 250 200 2 A <110> 2×102
- 2×103
16
1,0 250 50
- А
<110>
3×101
- 3×101
Фиг. 1
17 1 А 4×102
- 7×101
Фиг. 2
18
2 А 2×102
- 5×101 Фиг. 3,
строка 1
19
3 А 2×101
- 5×101 Фиг. 3,
строка 2
20
2 А 4×102
- 4×101 Фиг. 3,
строка 3
21 1,0 250 50 2 А <112> 9×106
5×103
-
22 1,0 250 50 2 Б <110> 2×102
- 3×101
23 Прототип 5×103
1×102
5×105
*Примечание. А- однослойные структуры, Б - структуры со скрытым слоем.

12. BY 6404 U 2010.08.30
12
Фиг. 2 Фиг. 3
Фиг. 4 Фиг. 5
Фиг. 6

13. BY 6404 U 2010.08.30
13
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.