-

1. (19) BY (11) 6343
(13) U
(46) 2010.06.30
ОПИСАНИЕ
ПОЛЕЗНОЙ
МОДЕЛИ К
ПАТЕНТУ
(12)
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(51) МПК (2009)
H 01L 21/02
(54) ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ КРЕМНИЕВАЯ ПЛАСТИНА
ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: u 20090989
(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 акаде-
мии наук Беларуси" (BY)
(57)
Полупроводниковая кремниевая пластина ориентации (111) с полированной рабочей
поверхностью и толщиной t, обеспечивающей необходимую прочность, отличающаяся тем,
что на нерабочей поверхности содержит пленку нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм, в
которой сформирован рисунок, состоящий из первичных элементов в виде правильных
треугольников, в которые могут быть последовательно вписаны другие элементы, с ориен-
тацией сторон всех элементов в кристаллографических направлениях типа <110>, причем
размер первичных элементов рисунка выбран из интервала (0,3-1,0)t с расстоянием между
ними 10-100 мкм.
(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. - M.: Энер-
гия, 1968. - С. 46.
Фиг. 2
BY6343U2010.06.30

2. BY 6343 U 2010.06.30
2
5. Патент РБ 1188, МПК7
H 01L 21/302, 2003 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Книга 1: Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - M.: Мир, 1986. -
С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - M.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - M.: 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 близким 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.
Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются монокристалли-
ческие пластины ориентации (111), получаемые из кремния, выращенного методом Чох-
ральского, и содержащие в качестве загрязняющих примесей преимущественно кислород
и углерод. Воздействие на пластину разнообразных технологических сред при различных
температурах, контакт с технологической оснасткой, изготовленной из различных мате-
риалов, приводит к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Особенностью
распределения этих загрязнений по объему пластины является то, что они концентриру-
ются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно зависит от тем-

3. BY 6343 U 2010.06.30
3
пературы. При нагреве от комнатной температуры до ~1000 °С она повышается на не-
сколько порядков. При последующем охлаждении пластин растворимость резко падает, и
фактическая концентрация примесей начинает превышать предельную растворимость, в
результате чего образуются преципитаты, представляющие собой микроскопические вы-
деления второй фазы. Плотность таких выделений достигает 106
см-2
и более. В результате
ухудшаются характеристики изготавливаемых приборов, и снижается выход годных изделий.
Таким образом, недостатками 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, в которой сформирован рисунок, состоящий из первичных элемен-
тов в виде правильных треугольников, в которые могут быть последовательно вписаны
другие элементы, с ориентацией сторон всех элементов в кристаллографических направ-
лениях типа <110>, причем размер первичных элементов рисунка выбран из интервала
(0,3-1,0)t с расстоянием между ними 10-100 мкм.
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 самоформирования
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 (3,4x10-6
К-1
для Si3N4 [7] и 3,72x10-6
К-1
для Si [8]), использование высоких
температур при изготовлении полупроводниковых приборов и отсутствие полиморфных
превращений Si3N4 приводит к возникновению высоких механических напряжений на гра-
нице 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 регу-
лярно расположенных окон и островков в пленке нитрида кремния на нерабочей поверх-
ности пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций, управляемой
параметрами рисунка.
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
2nх30° (где n - целое число), он может быть ориентирован строго в кристаллографических
направлениях одного типа. Если островок или окно имеет прямоугольную форму (с угла-
ми 90°≠2nx30°), 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 сто-
роны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только одного

4. BY 6343 U 2010.06.30
4
типа. Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников, единст-
венной 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) плоско-
сти типа {111} расположены под углами α1 = 0° (т.е. параллельно поверхности, в данном
случае это плоскость )111( , находящаяся в двойниковой ориентации по отношению к
рабочей поверхности) и α2 = 70°32' к плоскости пластины, а плоскости типа {110} распо-
ложены 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 пленке нитрида кремния в кристал-
лографических направлениях типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее
выгодна в плоскостях )011( , )110( и )101( , расположенных перпендикулярно поверхно-
сти пластины, т.к. энергия образования этих дислокаций минимальна. При этом дислока-
ции практически беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в
негодность для формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
Ориентация сторон элементов рисунка в пленке нитрида кремния 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 элемента. Генерация дислокаций именно в этих плоско-
стях в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие
от механических напряжений на границе элемента изгибающие моменты перпендикуляр-
ны 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 дисло-
каций, может быть полным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых
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 находятся по отношению
к нему в двойниковой ориентации. Стороны этих элементов ориентированы в кристалло-
графических направлениях одного и того же типа <110>, но их углы ориентированы в не-
равнозначных взаимно противоположных направлениях типа <112>. При ориентации
углов элементов в направлениях ]211[ , ]121[ и ]11[2 плоскости скольжения {111} и
{110} пересекаются с образованием тетраэдров внутри объема пластины. При ориентации
углов элементов в направлениях ]2[11 , 1]2[1 и 11]2[ расположение плоскостей скольже-
ния {111} и {110} таково, что они пересекаются с образованием тетраэдров вне объема
пластины. Совокупность плоскостей скольжения, формируемых тремя соседними по отно-
шению к центральному (при ориентации его углов в направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 )

5. BY 6343 U 2010.06.30
5
элементами, приводит к образованию в объеме пластины дополнительного тетраэдриче-
ского купола над тетраэдром плоскостей скольжения, образованным центральным эле-
ментом. При этом пересечение плоскостей скольжения {111} и {110}, образованных
центральным и боковыми элементами, происходит на высоте меньшей высоты пересече-
ния таких же плоскостей скольжения, 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 путем последовательного вписывания друг в друга островков и окон при соблюде-
нии кристаллографической ориентации их сторон приводит к увеличению плотности
формируемой дислокационной сетки и соответственно к повышению эффективности по-
глощения неконтролируемых примесей. При этом форма вновь образующихся элементов
пленки нитрида кремния повторяет форму первичных элементов, т.е. они также являются
правильными треугольниками. В треугольный островок вписывается треугольное окно, а
в треугольное окно затем вписывается треугольный островок. Вписывание в треугольный
островок треугольного окна приводит к образованию трех новых островков и одного нового
окна. Вписывание в треугольное окно треугольного островка приводит к образованию
трех новых окон и одного нового островка. Последовательное повторение этих действий
приводит к образованию своеобразной фрактальной структуры как пленки нитрида крем-
ния, так и образующейся впоследствии дислокационной сетки. Такие структуры очень ус-
тойчивы и склонны к самоформированию, что значительно повышает их эффективность.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемая такой фрактальной
структурой, можно описать следующим образом. Вначале формируется сетка "сдвоенных
тетраэдров" с основанием, совпадающим с первичным элементом пленки нитрида крем-
ния. При первом разделении первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы
меньшего размера в объеме кремниевой пластины формируется новый уровень сетки дис-
локаций, представляющий собой также "тетраэдры", но площадь их основания уже в
41
раза меньше. При втором разделении элементов образуется 42
элементов, площадь ос-
нования которых 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 находятся на одной и той же высоте и лежат в плоскости (111), которая также яв-
ляется плоскостью скольжения, что приводит к образованию нового элемента дислокаци-
онной структуры - октаэдра. Его можно рассматривать также как фигуру, образованную в
результате пересечения двух тетраэдров. Основание первого тетраэдра совпадает с пер-
вичным элементом в пленке нитрида кремния. Основание второго тетраэдра лежит на вы-
соте, 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 образованными (т.е. образованными в
результате вписывания нового элемента) элементами рисунка в пленке нитрида кремния.
Очевидно, что образование "второго тетраэдра" и октаэдра происходит за счет явления
самоформирования. Аналогично происходит формирование дислокационной структуры в
плоскостях {110}. Вершины "тетраэдров", образованные плоскостями скольжения {110},
находятся на одинаковой высоте и лежат в плоскости (111). Это приводит к самоформи-
рованию вторичных "тетраэдров", находящихся в двойниковой ориентации по отношению
к первичным, и обращенных вершиной в сторону нерабочей поверхности пластины. Пере-
сечение совокупностей "тетраэдров", образованных плоскостями скольжения {111} и
{110}, обеспечивает получение устойчивой взаимосвязанной структуры, состоящей из
дислокаций и дефектов упаковки, и управляемой параметрами рисунка в пленке Si3N4.

6. BY 6343 U 2010.06.30
6
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 большей 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 предлагает последовательное вписывание как одно-
типных, так и разнотипных элементов. Внешний вид формируемой структуры в обоих
случаях несколько отличается (см. ниже), однако, как показали экспериментальные иссле-
дования, различия в их эффективности для решения поставленной задачи не замечено.
Естественно, что элементы пленки нитрида кремния меньшего размера приводят к
возникновению механических напряжений, величина которых уменьшается пропорциональ-
но размеру этих элементов. Кроме того, пересечение плоскостей скольжения дислокаций,
генерируемых различными элементами различного уровня, приводит к их взаимному бло-
кированию и образованию дислокационных полупетель. Поэтому разделение первичных
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, зависящую от
размеров этих элементов. С уменьшением размеров, обусловленным 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, представляющей собой множест-
во сеток, соответствующих этим элементам, и встроенных друг в друга в определенном
порядке. В результате в объеме пластины формируется устойчивая сетка дислокаций,
плотность которой возрастает при приближении к обратной стороне пластины.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на глу-
бине a, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, генери-
руемых первичным элементом в пленке нитрида кремния размером d, т.е. равной высоте
тетраэдра, которая составляет:
a = d x sin (90° - 35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину пластины t. Отсюда следует, что размер d
элемента в пленке нитрида кремния не должен превышать t/0,82 ≈ 1,2t. С учетом глубины
активной структуры и допусков на разброс толщины пластины это требование ужесточа-
ется до значения 1,0t.
Минимальное значение размера d первичных элементов структуры определяется до-
лей объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально
установленным минимальным значением является d = 0,3t, при котором примерно чет-
верть объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения d приводят к заметному
снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные элементы,
определяется размером первичного элемента. Так, каждый правильный треугольник, пред-
ставляющий собой первичный элемент в соответствии с заявляемым техническим реше-
нием, 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,

7. BY 6343 U 2010.06.30
7
как показывает практика, для решения поставленной в данном случае задачи достаточно, как
правило, до трех уровней вписанных элементов. Внешний вид структур различного уров-
ня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка 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 другом
с образованием сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на границе
раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком малень-
кой для того, чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для образова-
ния дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по
краю элемента, но и внутри его. Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вноси-
мых соседними элементами рисунка в 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 са-
моформирования практически отсутствуют, поэтому эффективность этой структуры очень
мала. Толщина пленки нитрида кремния более 0,4 мкм, например 0,6 мкм, приводит к ге-
нерации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они об-
разуются преимущественно в плоскостях 0)1(1 , )1(10 и )1(01 , перпендикулярных
поверхности пластины, что является неприемлемым.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-7.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в пленке нитрида кремния,
состоящее из первичных элементов в виде островков с длиной стороны d и расстоянием
между ними l. На фиг. 2 приведено изображение рисунка в пленке нитрида кремния, со-
стоящее из первичных элементов, разделенных на элементы меньшего размера путем впи-
сывания окон. На фиг. 3 приведены варианты получаемого рисунка в пленке нитрида
кремния после следующих этапов разделения элементов. В разных рядах элементов при-
ведены изображения, получаемые последовательным вписыванием однотипных (только
окна, ряды 1 и 2) и разнотипных (окна и островки, ряды 3 и 4) элементов. На фиг. 4 приве-
дено схематическое изображение элемента дислокационной структуры, образованной
плоскостями скольжения {111} дислокаций, генерируемых первичным элементом рисунка.
Для наглядности этот элемент приведен в координатах XYZ и вписан в куб, представ-
ляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки кремния, а соот-
ветствующие 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 избежание 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 пластины,
после разделения первичного элемента на элементы меньшего размера. Эти тетраэдры

8. BY 6343 U 2010.06.30
8
находятся внутри тетраэдра, изображенного на фиг. 4. На фиг. 6 приведено изображение
элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями скольжения {111}, после
второго разделения первичного элемента на элементы меньшего размера. Эти тетраэдры
находятся внутри тетраэдров, изображенных на фиг. 5. На фиг. 7 схематически изображе-
на дислокационная структура, сформированная в результате релаксации механических
напряжений, внесенных пленкой нитрида кремния с рисунком, приведенным на фиг. 2, и
соответствующая виду AA*. Сплошными линиями изображены плоскости скольжения
дислокаций, соответствующие первичным элементам рисунка в пленке нитрида кремния.
Штрихпунктирными линиями изображены плоскости скольжения, соответствующие эле-
ментам, 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.
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 неконтролируемых
примесей в значительной мере определяется возможностью образования химической связи
с материалом пластины. С увеличением количества ненасыщенных (оборванных) химиче-
ских 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 распола-
гает приповерхностная область пластины, в которой формируется активная 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 характеристики изго-
тавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки при формиро-
вании активной структуры полупроводникового прибора неконтролируемые примеси
приобретают высокую подвижность и свободно перемещаются по всему объему пласти-
ны. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перераспреде-
ляется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщенных
химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформированной дисло-
кационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в приповерхностной об-
ласти, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в объеме
пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролируемых при-
месей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины обеспечивает и отсутствие их
преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Таким образом, ус-
тойчивость пластины к образованию кристаллографических дефектов в процессе изготов-
ления 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

9. BY 6343 U 2010.06.30
9
величины от 0,3t = 135 мкм до 1,0t = 450 мкм. Пленку нитрида кремния требуемой толщи-
ны формировали за счет реакции между силаном и аммиаком на установке "Изотрон-1".
Рисунок в пленке нитрида кремния формировали методами стандартной фотолитографии и
плазмохимического травления. 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 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 оптической микроско-
пии при увеличении 250х
. Результаты контроля приведены в таблице.
Влияние характеристик пленки нитрида кремния
на устойчивость пластин к дефектообразованию
Плотность дефектов на ра-
бочей стороне пластины,
см-2
№
п/п
Толщина
пленки
нитрида
кремния,
мкм
Размер
пер-
вичного
эле-
мента,
мкм
Расстоя-
ние между
первич-
ными
элемента-
ми, мкм
Количе-
ство
уровней
вписан-
ных эле-
ментов
Ориен-
тация
сторон
эле-
ментов
дисло-
каций
дефек-
тов упа-
ковки
микро-
дефек-
тов
Примечание
1 0,05 250 50 2 <110> 3x103
— 5х103
2 0,1 5x101
— 6х100
3 0,3 1x102
— 3х101
4 0,4
250 50 2 <110>
3х102
— 1x101
5 0,6 250 50 2 <110> 9х103
5x101
2x101
6 0,3 50 50 2 <110> 7x103
5xl01
2x101
7 135 2x101
— 1x101
8 250 5х102
— 3х101
9
0,3
450
50 2 <110>
4x102
— 5x101
10 0,3 600 50 2 <110> 2x103
1x101
1x101
11 0,3 250 5 2 <110> 5xl03
1x102
2x101
12 10 7x101
— 5x101
13 50 2x102
— 6х101
14
0,3 250
100
2 <110>
8xl01
— 7x101
15 0,3 250 200 2 <110> 2х102
— 1x103
16 — 2xl01
— 2x101
Фиг.1
17 1 4x102
— 1x101
Фиг.2
18 2 1x102
— 4x101
Фиг.3, строка 1
19 3 3х101
— 3х101
Фиг.3, строка 2
20
0,3 250 50
2
<110>
5х102
— 2x101
Фиг.3, строка 3
21 0,3 250 50 2 <112> 7x106
4x103
—
22 Прототип 5x103
1x102
5x105
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.

10. BY 6343 U 2010.06.30
10
Фиг. 1 Фиг. 3
Фиг. 4 Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.