-

1. (19) BY (11) 6345
(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) ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: u 20090993
(22) 2009.11.25
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович (BY)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-техни-
ческий институт Национальной ака-
демии наук Беларуси" (BY)
(57)
1. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (111), содержащее слой диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм и слой нитрида крем-
ния, отличающееся тем, что слой нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм разделен на
островки в виде правильных треугольников такими же окнами с длиной стороны (0,3-
1,0)t, где t - толщина пластин, при ориентации сторон в кристаллографических направле-
ниях типа <110>.
2. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (111) по п. 1, отличающееся тем, что углы островков слоя нитрида кремния ориенти-
рованы в кристаллографических направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 , при этом в них
последовательно вписаны окна.
3. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (111) по п. 1, отличающееся тем, что углы окон в слое нитрида кремния ориентиро-
ваны в кристаллографических направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 , при этом в них
последовательно вписаны островки.
Фиг. 4
BY6345U2010.06.30

2. BY 6345 U 2010.06.30
2
(56)
1. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ. / Под ред. С.Зи. - М.: Мир, 1986.
2. Патент РБ 11325, МПК(2006) H 01L 21/02, 2008 (прототип).
3. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская
энциклопедия, 1990. - С. 519.
4. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская
энциклопедия, 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. Активная структура приборов изготавливается последовательным
формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с использо-
ванием тонкопленочных покрытий различного функционального назначения. Тонкие
твердые пленки в микроэлектронной технологии выполняют функции конструктивного
материала для формирования активных элементов интегральных схем (ИС), например
подзатворного диэлектрика МДП ИС (ИС на основе полевых транзисторов со структурой
металл - диэлектрик - полупроводник), вспомогательных слоев, например, в качестве мас-
ки при ионном легировании, защитных и пассивирующих покрытий и т.п. [1].
При этом одной из общих функций тонких твердых пленок является защита активной
структуры от проникновения нежелательных примесей на выбранном этапе формирова-
ния этой структуры. Однако эти покрытия не защищают активную структуру от примесей,
которые уже проникли в полупроводниковую структуру на более ранних этапах изготов-
ления, например, при выращивании кремния. Напротив, их наличие на поверхности пла-
стины приводит к образованию переходной области между материалом покрытия и
кремнием. Эта область служит стоком для неконтролируемых примесей в связи с наличи-
ем в ней большого градиента механических напряжений и ненасыщенных химических
связей. Накопление неконтролируемых примесей в приповерхностной области пластины
приводит к образованию характерных дефектов, которые значительно ухудшают характе-
ристики изготавливаемых полупроводниковых приборов.
Рассматриваемые покрытия, кроме того, обладают определенной селективностью дей-
ствия по отношению к тем или иным загрязнениям, в связи с чем более широкое примене-
ние нашли многослойные покрытия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом, является
многослойное пассивирующее покрытие, содержащее последовательно сформированные
на полупроводниковой подложке слои диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, поликри-
сталлического кремния, нитрида кремния толщиной 0,05-0,2 мкм и борофосфоросиликат-
ного стекла толщиной 0,6-2,0 мкм [2].
Прямым функциональным назначением такого покрытия является защита активных
областей полупроводникового прибора от загрязняющих примесей. Борофосфоросиликат-
ное стекло служит защитой от проникновения в структуру влаги, нитрид кремния защи-
щает прибор от подвижных ионов, тонкий диоксид кремния служит для обеспечения
электрической связи между покрытием и подложкой за счет туннельного эффекта. Тол-
щина слоя поликристаллического кремния при этом не регламентируется. Его функцией,
как следует из описания прототипа, является уменьшение плотности зарядовых состояний
на границе раздела покрытия и полупроводниковой структуры.
Недостатком прототипа, как и аналогов, является то, что он обеспечивает только пас-
сивную защиту активной структуры от примесей, которые могут быть внесены в структуру
после формирования этого покрытия. Такое многослойное покрытие играет роль пассив-

3. BY 6345 U 2010.06.30
3
ного барьера на пути неконтролируемых примесей из внешней среды. Оно формируется
на завершающих этапах изготовления активной структуры полупроводникового прибора,
когда практически все высокотемпературные операции уже выполнены. Рассматриваемое
покрытие не защищает активную структуру от неконтролируемых примесей, которые вне-
сены в нее ранее в течение цикла изготовления.
Неконтролируемые примеси накапливаются в кремнии, начиная уже с момента его
выращивания. Одним из наиболее широко используемых типов подложек являются моно-
кристаллические пластины ориентации (111), получаемые из кремния, выращенного ме-
тодом Чохральского, 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 различ-
ных материалов, приводит к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Их
растворимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной тем-
пературы до ∼1000 °С она для подавляющего большинства неконтролируемых примесей
повышается на несколько порядков. При последующем охлаждении пластин раствори-
мость резко падает, и фактическая концентрация примесей начинает превышать предель-
ную растворимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие собой
микроскопические выделения второй фазы. Плотность таких выделений на рабочей по-
верхности пластины достигает 106
см-2
и более. Эти дефекты являются причиной так на-
зываемых "мягких" характеристик приборов, когда обратные токи p-n-переходов возра-
стают, а напряжение их пробоя снижается.
Таким образом, прототип не обеспечивает защиту активной структуры от имеющихся
в ней неконтролируемых примесей.
Задачей заявляемой полезной модели является расширение функциональных возмож-
ностей покрытия по защите активной структуры от неконтролируемых примесей.
Поставленная задача решается тем, что в функциональном покрытии для полупро-
водниковых кремниевых пластин ориентации (111), содержащем слой диоксида крем-
ния толщиной 0,5-2,5 нм и слой нитрида кремния, слой нитрида кремния толщиной
0,1-0,4 мкм разделен на островки в виде правильных треугольников такими же окнами с
длиной стороны (0,3-1,0)t, где t - толщина пластин, при ориентации сторон в кристалло-
графических направлениях типа <110>,
а также тем, что углы островков слоя нитрида кремния ориентированы в кристалло-
графических направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 , при этом в них последовательно впи-
саны окна,
а также тем, что углы окон в слое нитрида кремния ориентированы в кристаллографических
направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 , при этом в них последовательно вписаны островки.
Сущность заявляемого технического решения заключается в появлении новой актив-
ной функции покрытия - генерации в кремниевой пластине управляемой сетки дислока-
ций, которая поглощает неконтролируемые примеси, внесенные как на предыдущих
этапах формирования полупроводниковых приборов, так и на последующих.
Заявляемое покрытие, в отличие от прототипа, формируется на нерабочей стороне
пластины на начальных этапах изготовления полупроводниковой структуры. Образующаяся
сетка дислокаций устойчива к воздействию разнообразных технологических факторов и
"работает" в течение всего цикла изготовления приборов, а также при их последующей
эксплуатации.
Поглощение неконтролируемых примесей дислокациями известно давно. Это явление
обусловлено высокой концентрацией ненасыщенных химических связей на дислокациях.
Однако методы управления характеристиками дислокационной структуры в настоящее
время развиты слабо. Настоящее техническое решение основано на явлении самоформи-
рования дислокационной сетки за счет фрактального характера рисунка в заявляемом
функциональном покрытии.

4. BY 6345 U 2010.06.30
4
Особенностью пленок нитрида кремния является наличие в них высоких растягиваю-
щих структурных напряжений - до 100 ГПа [1], обусловленных процессами формирования
пленки. Несмотря на небольшое различие в значении коэффициента линейного термиче-
ского расширения (клтр) Si3N4 и кремния (3,4×10-6
К-1
для Si3N4 [3] и 3,72×10 К-1
для Si
[4]), использование высоких температур при изготовлении полупроводниковых приборов
и отсутствие полиморфных превращений Si3N4 приводит к возникновению высоких меха-
нических напряжений на границе раздела Si-Si3N4. Границы элементов топологического
рисунка характеризуются скачкообразным изменением значения и знака механических
напряжений, что приводит к образованию на этих границах дислокаций в кремнии. Нали-
чие большого количества регулярно расположенных элементов пленки нитрида кремния
на нерабочей поверхности пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дисло-
каций, управляемой параметрами рисунка. Наличие слоя диоксида кремния в составе за-
являемого покрытия предупреждает образование дислокаций в центральной части
элемента пленки нитрида кремния. Диоксид кремния в данном случае выполняет функ-
цию переходного и демпфирующего слоя.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (111) могут
быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений -
<112> или <110>. Угол между этими направлениями составляет 30°. Все остальные на-
правления являются промежуточными. Если топологический элемент имеет углы, равные
2n×30° (где n - целое число), он может быть ориентирован строго в кристаллографических
направлениях одного типа. Если островок или окно имеет прямоугольную форму (с угла-
ми 90°≠2n×30°), его смежные стороны могут быть ориентированы либо одновременно в
направлениях двух рассматриваемых типов, либо в промежуточных направлениях. Такая
форма элементов не соответствует заявляемому техническому решению. А если же они
имеют форму правильного треугольника (n = 1) или шестиугольника (n = 2), все их сторо-
ны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только одного типа.
Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников, единственной
рассматриваемой формой элементов формируемого рисунка в покрытии является пра-
вильный треугольник.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. В пластине ориентации (111) плос-
кости типа {111} расположены под углами α1 = 0° (т.е. параллельно поверхности, в дан-
ном случае это плоскость )111( , находящаяся в двойниковой ориентации по отношению
к рабочей поверхности) и α2 = 70°32' к плоскости пластины, а плоскости типа {110} рас-
положены под углами α3 = 90° (т.е. перпендикулярно поверхности, а именно плоскости
0)1(1 , )1(10 и )1(01 ) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхно-
сти пластины.
В случае ориентации сторон элементов рисунка покрытия в кристаллографических
направлениях типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плос-
костях 0)1(1 , )1(10 и )1(01 , расположенных перпендикулярно поверхности пластины,
т.к. энергия образования этих дислокаций минимальна. При этом дислокации практически
беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для фор-
мирования 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.

5. BY 6345 U 2010.06.30
5
Совокупность плоскостей {111} скольжения дислокаций, формируемых единичным
первичным элементом рисунка заявляемого покрытия, образует правильный тетраэдр с
основанием, совпадающим с этим элементом, а совокупность плоскостей скольжения
{110} образует тетраэдр с тем же основанием, но меньшей высоты. Пересечение рассмат-
риваемых плоскостей скольжения приводит к блокированию дислокаций, скользящих в
пересекающихся плоскостях с образованием дислокационных полупетель, закрепленных
концами на обратной стороне пластины. Фактически образуется новый элемент структуры -
тетраэдрический дефект упаковки, который, в зависимости от локальной плотности дислока-
ций, может быть полным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых
примесей дефектами упаковки значительно выше, чем дислокациями, что обеспечивает
качественно новый уровень устойчивости пластин к дефектообразованию. Совокупность
всех первичных элементов покрытия приводит к образованию дислокационной сетки, со-
стоящей из множества одинаковых "двойных тетраэдров".
Любой элемент рисунка заявляемого покрытия, выбранный в качестве центрального,
окружен тремя боковыми соседними элементами, которые по отношению к нему являются
"контрастными" и находятся в двойниковой ориентации. Так, любой островок слоя нитри-
да кремния окружен тремя окнами, и любое окно окружено тремя островками. Стороны
этих элементов ориентированы в кристаллографических направлениях одного и того же
типа <110>, но их углы ориентированы в неравнозначных взаимно противоположных на-
правлениях 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 пластины. При ориентации углов элементов в направлениях [112], [121] и
[211] расположение плоскостей скольжения {111} и {110} таково, что они пересекаются с
образованием тетраэдров вне объема пластины. Вписывание новых элементов рисунка в
элемент, углы которого расположены в направлениях ]2[11 , 1]2[1 и 11]2[ , приводит к
образованию тетраэдров плоскостей скольжения, не имеющих общих плоскостей с эле-
ментами большего размера. В связи с этим процессы самоформирования дислокационной
структуры затруднены. Если же углы элемента, в который вписывается новый элемент
рисунка, ориентированы в кристаллографических направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 ,
тетраэдры плоскостей скольжения, соответствующие вновь образованным элементам,
имеют две общие грани с тетраэдрами плоскостей скольжения, соответствующими элементам
большего размера. Для образования одной новой грани требуется не много энергии, по-
этому значительная доля энергии остается и расходуется на процессы самоформирования
дислокационной структуры.
Разделение первичных элементов покрытия на элементы меньших размеров путем по-
следовательного вписывания в них "контрастных" элементов при соблюдении кристалло-
графической ориентации их сторон приводит к увеличению плотности формируемой
дислокационной сетки и соответственно к повышению эффективности поглощения некон-
тролируемых примесей. При этом форма вновь образующихся элементов покрытия повто-
ряет форму первичных элементов, т.е. они также являются правильными треугольниками.
Вписывание в треугольный островок слоя нитрида кремния треугольного окна приводит к
образованию трех новых островков слоя нитрида и одного окна. Вписывание в треуголь-
ное окно в слое нитрида кремния треугольного островка приводит к образованию трех но-
вых окон и одного нового островка нитрида. Последовательное повторение этих действий
приводит к образованию своеобразной фрактальной структуры как заявляемого покрытия,
так и образующейся впоследствии дислокационной сетки. Такие структуры очень устой-
чивы и склонны к самоформированию, что значительно повышает их эффективность.
Поскольку дислокации образуются по границам элементов, выбор в качестве первич-
ного элемента островка или окна в слое нитрида кремния принципиального значения не
имеет. Важно, чтобы все вновь вписываемые элементы рисунка были "контрастными" по

6. BY 6345 U 2010.06.30
6
отношению к первичному. Если первичным элементом является островок, в него вписы-
вают только окна. В эти окна новые элементы рисунка не вписывают. И наоборот, если
первичным элементом является окно, в него последовательно вписывают только островки
нитрида кремния, которые на дальнейшем этапе оставляют неделимыми. Только в этом
случае образуется структура, состоящая из элементов различного размера. Одновременное
вписывание разнотипных элементов-окон и островков - приводит к тому, что конечная
структура состоит только из элементов минимального размера, элементы бóльших разме-
ров исчезают. Это приводит к резкому снижению глубины дислокационной структуры, ее
локализации вблизи нерабочей поверхности пластины и потере эффективности.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемая такой фрактальной
структурой, можно описать следующим образом. Вначале формируется сетка "сдвоенных
тетраэдров" с основанием, совпадающим с первичным элементом рисунка покрытия. При
первом разделении первичных элементов покрытия на элементы меньшего размера в объ-
еме кремниевой пластины формируется новый уровень сетки дислокаций, представляю-
щий собой также "тетраэдры", но площадь их основания уже в 41
раза меньше. При
втором разделении элементов образуется 42
элементов, площадь основания которых в 42
раза меньше по отношению к первичному "тетраэдру" и т.д. Высота "тетраэдров" каждый
раз уменьшается в 2 раза. При этом вершины "тетраэдров" одного уровня находятся на
одной и той же высоте и лежат в плоскости (111), которая также является плоскостью
скольжения, что приводит к образованию нового элемента дислокационной структуры -
октаэдра. Его можно рассматривать также как фигуру, образованную в результате пересе-
чения двух тетраэдров. Основание первого тетраэдра совпадает с первичным элементом
покрытия. Основание второго тетраэдра лежит на высоте, равной половине высоты перво-
го 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. 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 самоформированию вторичных "тетраэдров", находящихся в двой-
никовой ориентации по отношению к первичным и обращенных вершиной в сторону не-
рабочей поверхности пластины. Пересечение совокупностей "тетраэдров", образованных
плоскостями скольжения {111} и {110}, обеспечивает получение устойчивой взаимосвя-
занной структуры, состоящей из дислокаций и дефектов упаковки, и управляемой пара-
метрами рисунка заявляемого функционального покрытия.
Дальнейшее разделение элементов рисунка покрытия приводит к образованию сле-
дующего уровня дислокационной сетки. Закономерности его образования аналогичны
описанным выше. Этот уровень встраивается в предшествующий, образованный более
крупными элементами, поскольку имеет общие с ним плоскости скольжения, но характе-
ризуется бóльшей плотностью дислокаций и расположен на меньшей глубине. Количество
таких уровней подбирается опытным путем с учетом требуемой эффективности поглоще-
ния неконтролируемых примесей. Иначе, от качества исходного материала, чистоты при-
меняемых реактивов, длительности и сложности технологического цикла изготовления
активной структуры и т.п.
Заявляемое техническое решение предполагает использование в качестве первичного
элемента рисунка как островка, так и окна в нитриде кремния. Внешний вид формируемой
структуры в обоих случаях отличается тем, что они являются негативом и позитивом по
отношению друг к другу, однако, как показали экспериментальные исследования, разли-
чия в их эффективности для решения поставленной задачи не замечено.

7. BY 6345 U 2010.06.30
7
Элементы покрытия меньшего размера приводят к возникновению механических на-
пряжений, величина которых уменьшается пропорционально размеру этих элементов.
Кроме того, пересечение плоскостей скольжения дислокаций, генерируемых различными
элементами различного уровня, приводит к их взаимному блокированию 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 дислокаци-
онная 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 результи-
рующей дислокационной сетки, представляющей собой множество сеток, соответствую-
щих этим элементам, и встроенных друг в друга в определенном порядке. В результате в
объеме пластины формируется устойчивая сетка дислокаций, плотность которой возрас-
тает при приближении к нанесенному на нее покрытию.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на глу-
бине а, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, генери-
руемых первичным элементом рисунка покрытия, имеющего при этом максимальный
размер стороны d из всех элементов рисунка, т.е. равной высоте первичного тетраэдра,
которая составляет:
a = d×sin (90°-35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину пластины t. Отсюда следует, что размер
стороны d элемента покрытия не должен превышать t/0,82 ≈ 1,2t. С учетом глубины ак-
тивной структуры и допусков на разброс толщины пластины это требование ужесточается
до значения 1,0t.
Минимальное значение размера стороны d первичных элементов покрытия 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 элементы,
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. Од-
нако, как показывает практика, для решения поставленной в данном случае задачи доста-
точно, как правило, до трех уровней вписанных элементов. Внешний вид структур
различного уровня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка заяв-
ляемого функционального покрытия при этом не зависит от минимального размера эле-
ментов.
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
генерации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они
образуются преимущественно в плоскостях 0)1(1 , )1(10 и )1(01 , перпендикулярных
поверхности пластины, что является неприемлемым.

8. BY 6345 U 2010.06.30
8
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - фиг. 8.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка покрытия, состоящее из че-
редующихся островков и окон в слое нитрида кремния с длиной стороны d. Углы остров-
ков нитрида кремния ориентированы в кристаллографических направлениях 2]11[ ,
]121[ и ]11[2 , углы окон ориентированы в кристаллографических направлениях ]2[11 ,
1]2[1 и 11]2[ . На фиг. 2 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из первич-
ных островков, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания одного
уровня окон. На фиг. 3 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из первич-
ных островков, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания двух уров-
ней окон. На фиг. 4 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из первичных
островков, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания трех уровней
окон. Внешний вид фрактальной структуры, полученной при использовании в качестве
первичного элемента окна в нитриде кремния, является негативным по отношению к изо-
бражениям, приведенным на фиг. 1 - фиг. 4. В этом случае углы окон в нитриде кремния
ориентированы в кристаллографических направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 , а углы
островков ориентированы в кристаллографических направлениях ]2[11 , 1]2[1 и 11]2[ . На
фиг. 5 приведено схематическое изображение элемента дислокационной структуры, обра-
зованной плоскостями скольжения {111} дислокаций, генерируемых первичным элемен-
том рисунка. Для наглядности этот элемент приведен в координатах XYZ и вписан в куб,
представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки крем-
ния, а соответствующие ему плоскости скольжения выделены заливкой. Элементы дисло-
кационной структуры, образованные плоскостями скольжения {110}, по своей форме
аналогичны элементам, образованным плоскостями {111}, но имеют меньшую высоту и
находятся внутри последних. Во избежание загромождения рисунка здесь и на последую-
щих фиг. 6 и фиг. 7 они не показаны. На фиг. 6 приведено изображение элементов дисло-
кационной структуры, образованных плоскостями скольжения {111} вблизи поверхности
пластины, после разделения первичного элемента на элементы меньшего размера. Эти
тетраэдры находятся внутри тетраэдра, изображенного на фиг. 5. На фиг. 7 приведено
изображение элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями скольже-
ния {111}, после второго разделения первичного элемента на элементы меньшего размера.
Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдров, изображенных на фиг. 6. На фиг. 8 схемати-
чески изображена дислокационная структура, сформированная в результате релаксации
механических напряжений, внесенных заявляемым покрытием с рисунком, приведенным
на фиг. 3, и соответствующая виду АА*. Сплошными линиями изображены плоскости
скольжения дислокаций, соответствующие первичным элементам рисунка покрытия.
Штриховыми линиями изображены плоскости скольжения, соответствующие элементам,
полученным в результате первого уровня разделения первичных элементов на элементы
меньшего размера. Точечными линиями изображены плоскости скольжения, соответствую-
щие элементам, полученным в результате второго уровня разделения первичных элемен-
тов на элементы меньшего размера. Некоторые плоскости скольжения, соответствующие
процессам самоформирования дислокационной структуры, изображены штрихпунктир-
ными линиями.
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.
Заявляемое покрытие действует следующим образом. Наличие регулярно располо-
женных островков и окон нитрида кремния приводит к появлению в покрытии знакопере-
менного поля механических напряжений. Величина и знак механических напряжений при
этом зависят от вида элемента покрытия и его размера. Направление действия напряжений

9. BY 6345 U 2010.06.30
9
при этом определяется кристаллографической ориентацией сторон элементов покрытия.
Наличие такого поля напряжений приводит к генерации в кремниевой пластине сетки
дислокаций, плоскости скольжения которых расположены в соответствии с расположени-
ем элементов покрытия и образуют устойчивую структуру внутри пластины.
Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины опре-
деляется их растворимостью в различных областях этой пластины. При этом раствори-
мость неконтролируемых примесей в значительной мере определяется возможностью
образования химической связи с материалом пластины. С увеличением количества нена-
сыщенных (оборванных) химических связей вероятность образования связи между загряз-
няющей 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 пластины, в которой
формируется активная структура полупроводникового прибора. Наличие дислокационной
сетки с высокой плотностью ненасыщенных химических связей приводит к значительно-
му увеличению растворимости неконтролируемых примесей в объеме пластины, где их
влияние на характеристики изготавливаемых приборов практически исключено. В про-
цессе термообработки при формировании активной структуры полупроводникового при-
бора неконтролируемые примеси приобретают высокую подвижность и свободно
перемещаются по всему объему пластины. При охлаждении структур концентрация не-
контролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме
пластины плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких свя-
зей в области сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает
их плотность в приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически пол-
ностью концентрируются в объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой.
Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой пласти-
ны обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не
образуются. Характеристики изготавливаемых приборов при этом заметно улучшаются.
Таким образом, функциональные возможности заявляемого покрытия расширяются за
счет его активного воздействия на структуру полупроводникового материала, что обеспе-
чивает поглощение всех неконтролируемых примесей в формируемых полупроводнико-
вых приборах.
Испытания функциональных возможностей заявляемого покрытия проводили сле-
дующим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КДБ 10 ориентации (111) и толщи-
ной t = 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию некон-
тролируемых примесей. Расчетными значениями размера d первичного элемента являются
величины от 0,3t = 135 мкм до 1,0t = 450 мкм. Заявляемое покрытие получали путем по-
следовательного формирования слоя диоксида кремния химической обработкой пластин в
кислоте Каро, нанесения пленки нитрида кремния и вскрытия в ней окон. Пленку нитрида
кремния требуемой толщины формировали за счет реакции между дихлорсиланом и ам-
миаком на установке "Изотрон-4-150". Рисунок в пленке нитрида кремния формировали
методами стандартной фотолитографии и плазмохимического травления. Характеристики
полученной структуры приведены в таблице.
После формирования на обратной стороне пластин заявляемого покрытия на их ра-
бочей стороне изготавливали тестовые p-n-переходы. Для оценки функциональных воз-
можностей заявляемого покрытия измеряли напряжение пробоя p-n-переходов U1 и
напряжение U2, при котором обратный ток через переход достигал 1 нА. После измерения
характеристик полученных тестовых элементов с пластин удаляли все слои и травили в
травителе Сиртла для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне.
Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также
плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической микроско-
пии при увеличении 250×
. Результаты контроля приведены в таблице.

10. BY 6345 U 2010.06.30
10
Влияние конструктивных особенностей заявляемого покрытия
на характеристики тестовых структур.
Плотность дефектов на
рабочей стороне пластины,
см-2№
п/п
Толщина
пленки
нитрида
кремния,
мкм
Размер
первич-
ного
элемен-
та, мкм
Количест-
во уровней
вписанных
элементов
Ориен-
тация
сторон
элемен-
тов
Ориентация
углов и вид пер-
вичных элемен-
тов (А – остров-
ки, Б - окна)
U1 B U2, B
дисло-
каций
дефектов
упаковки
микро-
дефектов
1 0,05 250 2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
40,3 35,6 2×103
- 3×103
2 0,1 49,9 47,5 4×101
- 5×101
3 0,3 49,4 47,3 1×102
- 2×101
4 0,4
250 2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2 49,8 47,0 3×102
- 7×101
5 0,6 250 2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
38,6 29,4 5×103
3×101
5×101
6 0,3 50 2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
45,1 36,1 8×103
2×101
1×101
7 135 48,9 47,8 8×101
- 2×101
8 250 50,0 48,9 3×102
- 2×101
9
0,3
450
2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2 49,2 47,7 5×102
- 6×101
10 0,3 600 2 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
44,5 35,9 6×103
2×101
2×101
11 0,3 250 0 <110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
48,9 47,2 5×101
- 2×102
12 1 50,2 47,1 3×102
- 6×101
13 2 51,3 48,5 4×102
- 9×101
14
0,3 250
3
<110>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2 49,9 46,7 9×101
- 1×101
15 0,3 250 2 <110>
Б, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
49,7 47,4 7×101
- 5×101
16 0,3 250 2 <112>
А, 2]11[ ,
]121[ и
]11[2
15,1 9,2 5×106
3×103
-
17 0,3 250 2 <110>
А, ]2[11 ,
1]2[1 и 11]2[
43,7 39,5 5×102
- 7×103
18 Прототип 38,5 15,6 5×103
1×102
5×105

11. BY 6345 U 2010.06.30
11
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического ре-
шения напряжение пробоя тестовых структур и напряжение, при котором ток утечки дос-
тигает 1 нА, возрастают. Их рост сопровождается значительным уменьшением плотности
микродефектов на рабочей поверхности пластины. Ориентация сторон элементов рисунка
в направлениях типа <112> приводит к значительному повышению плотности дислокаций
на рабочей стороне пластин и резкому ухудшению электрических характеристик тестовых
структур. Ориентация углов элементов рисунка в направлениях ]2[11 , 1]2[1 и 11]2[ при-
водит к снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей. Использова-
ние запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить
поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототи-
пом расширить функциональные возможности покрытия по защите активных элементов
от неконтролируемых примесей.
Фиг. 1 Фиг. 2
Фиг. 3

12. BY 6345 U 2010.06.30
12
Фиг. 5 Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.