1. (19) BY (11) 6346
(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 20090994
(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 пленку нитрида кремния и пленку диоксида кремния, отличающееся
тем, что пленка нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм разделена на элементы в виде
правильных треугольных островков пленкой диоксида кремния толщиной 0,1-2,0 мкм,
причем стороны этих элементов ориентированы в кристаллографических направлениях
типа <110>, расстояние между ними составляет 10-100 мкм, а длина стороны выбрана из
интервала (0,3-1,0)t, где t - толщина пластин.
2. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориента-
ции (111) по п. 1, отличающееся тем, что элементы пленки нитрида кремния разделены
на элементы меньших размеров островками пленки диоксида кремния при сохранении
формы и ориентации сторон вновь образованных элементов.
Фиг. 2
BY6346U2010.06.30
2. BY 6346 U 2010.06.30
2
(56)
1. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ. / Под ред. Зи С. - М.: Мир, 1986.
2. Патент РБ 11325, МПК H 01L 21/02, 2008 (прототип).
3. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
4. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Активная структура приборов изготавливается последователь-
ным формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с
использованием тонкопленочных покрытий различного функционального назначения.
Тонкие твердые пленки в микроэлектронной технологии выполняют функции конструк-
тивного материала для формирования активных элементов интегральных схем (ИС), на-
пример, подзатворного диэлектрика МДП ИС (ИС на основе полевых транзисторов со
структурой металл-диэлектрик-полупроводник), вспомогательных слоев, например в ка-
честве маски 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 изготовле-
ния, например, при выращивании кремния. Напротив, их наличие на поверхности пластины
приводит к образованию переходной области между материалом покрытия и кремнием.
Эта область служит стоком для неконтролируемых примесей в связи с наличием в ней
большого градиента механических напряжений и ненасыщенных химических связей. На-
копление неконтролируемых примесей в приповерхностной области пластины приводит к
образованию характерных дефектов, которые значительно ухудшают характеристики из-
готавливаемых 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 6346 U 2010.06.30
3
ного барьера на пути неконтролируемых примесей из внешней среды. Оно формируется на
завершающих этапах изготовления активной структуры полупроводникового прибора, ко-
гда 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 возрас-
тают, 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 полупровод-
никовых кремниевых пластин ориентации (111), содержащем пленку нитрида кремния и
пленку диоксида кремния, пленка нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм разделена на
элементы в виде правильных треугольных островков пленкой диоксида кремния толщи-
ной 0,1-2,0 мкм, причем стороны этих элементов ориентированы в кристаллографических
направлениях типа <110>, расстояние между ними составляет 10-100 мкм, а длина стороны
выбрана из интервала (0,3-1,0)t, где t - толщина пластин, а также тем, что элементы пленки
нитрида кремния разделены на элементы меньших размеров островками пленки диоксида
кремния при сохранении формы и ориентации сторон вновь образованных элементов.
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. Образую-
щаяся 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.
Особенностью пленок нитрида кремния является наличие в них высоких растягиваю-
щих структурных напряжений до 100 ГПа [1], обусловленных процессами формирования
4. BY 6346 U 2010.06.30
4
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 3,72×10-6
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. Разделение элементов пленки нитрида кремния
дорожками и элементами пленки диоксида кремния усиливает описываемые процессы за
счет того, что локальные островки нитрида кремния способствуют углублению диоксида
кремния в подложку, что приводит к возникновению дополнительных распирающих напря-
жений на границах раздела элементов. Эти напряжения носят термический характер, од-
нако их релаксация протекает также через образование дислокаций в материале подложки.
Стороны топологических элементов покрытия на поверхности пластины ориентации
(111) могут быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических на-
правлений - <112> или <110>. Угол между этими направлениями составляет 30°. Все ос-
тальные направления являются промежуточными. Если топологический элемент имеет
углы, равные 2n×30° (где n - целое число), он может быть ориентирован строго в кристал-
лографических направлениях одного типа. Если элемент покрытия имеет прямоугольную
форму (с углами 90°≠2n×30°), его смежные стороны могут быть ориентированы либо од-
новременно в направлениях двух рассматриваемых типов, либо в промежуточных направ-
лениях. Такая форма элементов не соответствует заявляемому техническому решению. А
если же они имеют форму правильного треугольника (n = 1) или шестиугольника (n = 2),
все их стороны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только
одного типа. Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников,
единственной рассматриваемой формой элементов формируемого рисунка в покрытии яв-
ляется правильный треугольник.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. В пластине ориентации (111) плоскости
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} расположены
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 поверхности пластины.
В случае ориентации сторон элементов покрытия в кристаллографических направле-
ниях типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях
)011( , )110( и )101( , расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энер-
гия образования этих дислокаций минимальна. При этом дислокации практически беспре-
пятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в негодность для
формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
Ориентация сторон элементов рисунка в покрытии в направлениях 0]1[1 , ]110[ и ]1[01
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 плоскостях в данном случае энергетиче-
ски наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие от механических напряжений
на границе элемента изгибающие моменты перпендикулярны границе этого элемента.
5. BY 6346 U 2010.06.30
5
Совокупность плоскостей {111} скольжения дислокаций, формируемых единичным
первичным элементом рисунка в покрытии, 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 плос-
костей скольжения приводит к блокированию дислокаций, скользящих в пересекающихся
плоскостях с образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на об-
ратной стороне пластины. Фактически образуется новый элемент структуры - тетраэдри-
ческий дефект упаковки, который, в зависимости от локальной плотности дислокаций,
может быть полным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых
примесей дефектами упаковки значительно выше, чем дислокациями. Совокупность всех
первичных элементов рисунка покрытия приводит к образованию дислокационной сетки,
состоящей из множества одинаковых "двойных тетраэдров".
Любой элемент рисунка покрытия, выбранный в качестве центрального, окружен тре-
мя боковыми соседними элементами, которые отделены от него полосками диоксида
кремния и находятся по отношению к нему в двойниковой ориентации. Стороны этих
элементов ориентированы в кристаллографических направлениях одного и того же типа
<110>, но их углы ориентированы в неравнозначных взаимно противоположных направ-
лениях 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 ]2[11 , ]12[1 и
]112[ расположение плоскостей скольжения {111} и {110} таково, что они пересекаются
с образованием тетраэдров вне объема пластины. Совокупность плоскостей скольжения,
формируемых тремя соседними по отношению к центральному (при ориентации его углов
в направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 элементами, приводит к образованию в объеме
пластины дополнительного тетраэдрического купола над тетраэдром плоскостей скольже-
ния, образованным центральным элементом. При этом пересечение плоскостей скольже-
ния {111} и {110}, образованных центральным и боковыми элементами, происходит на
высоте меньшей высоты пересечения 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 превыша-
ет глубины проникновения дислокаций от центрального элемента.
Разделение первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньших раз-
меров островками пленки диоксида кремния при сохранении формы и ориентации сторон
вновь образованных элементов приводит к увеличению плотности формируемой дислокаци-
онной сетки и соответственно к повышению эффективности поглощения неконтролируемых
примесей. При этом образуется своеобразная фрактальная структура как непосредственно
самого покрытия, так и генерируемой им дислокационной сетки. Такие структуры очень ус-
тойчивы и склонны к самоформированию, что значительно повышает их эффективность.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемую такой фрактальной
структурой, можно описать следующим образом. Вначале формируется сетка "сдвоенных
тетраэдров" с основанием, совпадающим с первичным элементом пленки нитрида крем-
ния (при ориентации его углов в направлениях 2]11[ , ]121[ и ]11[2 ). При первом раз-
делении первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньшего размера
путем вписывания в него островков диоксида кремния в объеме кремниевой пластины
формируется новый уровень сетки дислокаций, представляющий собой также "тетраэдры",
но площадь их основания уже в 41
раза меньше. При этом элементы рисунка покрытия,
представляющие собой островки диоксида кремния треугольной формы, также являются
основаниями тетраэдров плоскостей скольжения. При разделении этих вновь образован-
ных элементов рисунка заявляемого покрытия островками других (островки нитрида раз-
6. BY 6346 U 2010.06.30
6
деляются островками диоксида, а островки диоксида разделяются островками нитрида)
пленок образуется 42
элементов, площадь основания которых в 42
раза меньше по отноше-
нию 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 рассмат-
ривать также как фигуру, образованную в результате пересечения двух тетраэдров. Осно-
вание первого тетраэдра совпадает с первичным элементом в пленке нитрида кремния.
Основание второго тетраэдра лежит на высоте, равной половине высоты первого тетраэд-
ра, 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) эле-
ментами рисунка в покрытии. Очевидно, что образование "второго тетраэдра" и октаэдра
происходит за счет явления самоформирования. Аналогично происходит формирование
дислокационной структуры в плоскостях {110}. Вершины "тетраэдров", образованные плос-
костями скольжения {110}, находятся на одинаковой высоте и лежат в плоскости (111).
Это приводит к самоформированию вторичных "тетраэдров", находящихся в двойниковой
ориентации по отношению к первичным, и обращенных вершиной в сторону нерабочей
поверхности пластины. Пересечение совокупностей "тетраэдров", образованных плоскостями
скольжения {111} и {110}, обеспечивает получение устойчивой взаимосвязанной структуры,
состоящей из дислокаций и дефектов упаковки, и управляемой параметрами рисунка покрытия.
Дальнейшее разделение элементов рисунка в покрытии 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 большей 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 разделение первичных элементов ри-
сунка в покрытии на элементы меньших размеров островками пленки диоксида кремния
при сохранении формы и ориентации сторон вновь образованных элементов. Такое разде-
ление может быть осуществлено островками различного размера. Если длина стороны
островка составляет 1/2 от длины стороны первичного элемента, при разделении образу-
ется три новых элемента пленки нитрида кремния и один элемент пленки на основе диок-
сида кремния. Если же длина стороны островка составляет 1/4 от длины стороны
первичного элемента, при разделении образуется десять новых элементов пленки нитрида
кремния и шесть элементов пленки диоксида кремния. Этот случай можно представить
как поочередное вписывание островков пленки разнотипных материалов: в островки нит-
рида кремния вписываются островки диоксида кремния, а в островки диоксида кремния
вписываются островки нитрида кремния. Использование для разделения первичных эле-
ментов рисунка островков диоксида кремния различного размера позволяет получить не-
сколько отличающиеся по внешнему виду структуры (см. ниже), однако, как показали
экспериментальные исследования, различия в их эффективности для решения поставлен-
ной задачи не замечено.
Естественно, что элементы покрытия меньшего размера приводят к возникновению
механических напряжений, величина которых уменьшается пропорционально размеру
этих элементов. Кроме того, пересечение плоскостей скольжения дислокаций, генерируе-
мых различными элементами различного уровня, приводит к их взаимному блокированию
7. BY 6346 U 2010.06.30
7
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 соответству-
ет дислокационная сетка, проникающая на некоторую глубину, зависящую от размеров
этих элементов. С уменьшением размеров, обусловленным последовательным вписывани-
ем 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 формиро-
вание результирующей дислокационной сетки, представляющей собой множество сеток,
соответствующих этим элементам, и встроенных друг в друга в определенном порядке. В
результате в объеме пластины формируется устойчивая сетка дислокаций, плотность ко-
торой 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 покрытия с длиной стороны d, т.е. равной высоте
тетраэдра, которая составляет:
a = d×sin (90°-35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину пластины t. Отсюда следует, что длина
стороны d элемента покрытия не должна 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 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,
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 покрытия при
этом не зависит от минимального размера элементов.
Расстояние l между первичными элементами рисунка нитрида кремния (или ширина
дорожек пленки диоксида кремния) определяется размерами зоны упругого влияния, воз-
никающей в результате взаимодействия пленки нитрида кремния с подложкой. Макси-
мальные механические напряжения вносятся в структуру элементами максимального
размера. Поэтому первичные элементы рисунка являются, с одной стороны, инициирую-
щими процесс дефектообразования, а с другой - ограничивающими прорастание дислока-
ций на рабочую сторону. Если расстояние l между первичными элементами составляет
величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механические напряжения, индуцируемые этими
элементами, активно взаимодействуют друг с другом с образованием сплошного поля на-
пряжений. Величина градиента этого поля на границе раздела элементов, инициирующая
генерацию дислокаций, оказывается слишком маленькой для того, чтобы дислокации
проникли в пластину на глубину, достаточную для образования дислокационных полупе-
тель. В результате дислокации генерируются не только по краю элемента, но и внутри его.
Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
8. BY 6346 U 2010.06.30
8
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 покрытии. В результате дислокационная 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 )011( , )110( и )101( , перпендикулярных
поверхности пластины, что является неприемлемым.
Толщина пленки диоксида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, также не обеспе-
чивает достаточно высокого уровня механических напряжений, необходимых для усиления
формирования дислокационной структуры. Ее наличие в этом случае практически незаметно.
Толщина пленки диоксида кремния более 2,0 мкм, например 3,0 мкм, приводит к сильно-
му дисбалансу напряжений, генерируемых диоксидом и нитридом кремния, в результате
чего рассмотренные выше закономерности генерации дислокаций перестают соблюдаться.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-7.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в покрытии, состоящее из
первичных элементов в виде островков нитрида кремния с длиной стороны d и разделяющих
дорожек пленки диоксида кремния шириной l. На фиг. 2 приведено изображение рисунка
в покрытии, состоящее из первичных элементов, разделенных на элементы меньшего раз-
мера путем вписывания островков диоксида кремния. На фиг. 3 приведены варианты по-
лучаемого рисунка в покрытии после следующих этапов разделения элементов. В разных
рядах элементов приведены изображения, получаемые последовательным вписыванием
островков только однотипного (только диоксид, ряды 1 и 2) и разнотипных (диоксид и
нитрид, ряды 3 и 4) материалов. На фиг. 4 приведено схематическое изображение элемен-
та дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {111} дислокаций,
генерируемых первичным элементом рисунка. Для наглядности этот элемент приведен в
координатах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек
кристаллической решетки кремния, а соответствующие ему плоскости скольжения выде-
лены заливкой. Элементы дислокационной структуры, образованные плоскостями сколь-
жения {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 изобра-
жение элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями скольжения
{111} вблизи поверхности пластины, после разделения первичного элемента на элементы
меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдра, изображенного на фиг. 4.
На фиг. 6 приведено изображение элементов дислокационной структуры, образованных
плоскостями скольжения {111}, после второго разделения первичного элемента на эле-
менты меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдров, изображенных на
фиг. 5. На фиг. 7 схематически изображена дислокационная структура, сформированная в
результате релаксации механических напряжений, внесенных заявляемым покрытием с
рисунком, приведенным на фиг. 2, и соответствующая виду АА*. Сплошными линиями
изображены плоскости скольжения дислокаций, соответствующие первичным элементам
рисунка покрытия. Штрихпунктирными линиями изображены плоскости скольжения, со-
ответствующие элементам, полученным в результате разделения первичных элементов на
элементы меньшего размера. Плоскости скольжения, соответствующие элементам второго
плана, изображены линиями, состоящими из точек. Плоскости скольжения, соответст-
9. BY 6346 U 2010.06.30
9
вующие процессам самоформирования дислокационной структуры, изображены пунктир-
ными линиями. Из фиг. 7 видно, что тетраэдры, образованные плоскостями {110} от пер-
вичных элементов, пересекают тетраэдры, образованные плоскостями {111} от вторичных
элементов и т.д. За счет этого происходит своеобразная сшивка всей дислокационной сет-
ки, 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.
Заявляемое покрытие действует следующим образом. Наличие регулярно располо-
женных островков нитрида и диоксида кремния приводит к появлению в покрытии знако-
переменного поля механических напряжений. Величина и знак механических напряжений
при этом зависят от материала элемента покрытия и его размера. Направление действия
напряжений 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 распо-
ложением 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 обеспечивает по-
глощение всех неконтролируемых примесей в формируемых полупроводниковых 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 формировали путем
последовательного нанесения пленки нитрида кремния, вскрытия в ней окон и последую-
щего окисления открытых участков кремния. Пленку нитрида кремния требуемой толщи-
11. BY 6346 U 2010.06.30
11
После формирования на обратной стороне пластин заявляемого покрытия на их рабо-
чей стороне изготавливали тестовые p-n-переходы. Для оценки функциональных возмож-
ностей заявляемого покрытия измеряли напряжение пробоя р-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 покрытия 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 250x
. Результаты контроля приведены в таблице.
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. Использование 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. 3
Фиг. 4 Фиг. 5
12. BY 6346 U 2010.06.30
12
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
![BY 6346 U 2010.06.30
2
(56)
1. Технология СБИС: В 2-х кн. Пер. с англ. / Под ред. Зи С. - М.: Мир, 1986.
2. Патент РБ 11325, МПК H 01L 21/02, 2008 (прототип).
3. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 519.
4. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская эн-
циклопедия, 1990. - С. 508-509.
Полезная модель относится к области электронной техники, в частности к микроэлек-
тронике, и может быть использована при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полу-
проводниковой пластины. Активная структура приборов изготавливается последователь-
ным формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с
использованием тонкопленочных покрытий различного функционального назначения.
Тонкие твердые пленки в микроэлектронной технологии выполняют функции конструк-
тивного материала для формирования активных элементов интегральных схем (ИС), на-
пример, подзатворного диэлектрика МДП ИС (ИС на основе полевых транзисторов со
структурой металл-диэлектрик-полупроводник), вспомогательных слоев, например в ка-
честве маски 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 изготовле-
ния, например, при выращивании кремния. Напротив, их наличие на поверхности пластины
приводит к образованию переходной области между материалом покрытия и кремнием.
Эта область служит стоком для неконтролируемых примесей в связи с наличием в ней
большого градиента механических напряжений и ненасыщенных химических связей. На-
копление неконтролируемых примесей в приповерхностной области пластины приводит к
образованию характерных дефектов, которые значительно ухудшают характеристики из-
готавливаемых 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-](data:image/gif;base64,R0lGODlhAQABAIAAAAAAAP///yH5BAEAAAAALAAAAAABAAEAAAIBRAA7)