close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15078

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/302 (2006.01)
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО
ПОКРЫТИЯ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ
ПЛАСТИН ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: a 20091670
(22) 2009.11.25
(43) 2011.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 15078 C1 2011.12.30
BY (11) 15078
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) BY 11325 C1, 2008.
RU 92015378 A, 1995.
US 2002/0197841 A1.
CN 1490844 A, 2004.
(57)
1. Способ формирования функционального покрытия для полупроводниковых кремниевых пластин ориентации (111), включающий окисление поверхности пластины до достижения толщины диоксида кремния от 0,5 до 2,5 нм и нанесение слоя нитрида кремния,
отличающийся тем, что функциональное покрытие формируют на нерабочей стороне
пластин, а слой нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм путем травления разделяют
на правильные треугольные островки такими же окнами с длиной стороны (0,3-1,0)t, где t толщина пластины, при ориентации их сторон в кристаллографических направлениях типа
<110>, причем углы островков или окон выполняют ориентированными в кристаллографических направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] .
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в островки пленки нитрида кремния с углами в кристаллографических направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] последовательно вписывают дополнительные элементы в виде окон в форме правильных треугольников.
Фиг. 4
BY 15078 C1 2011.12.30
3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в окна в пленке нитрида кремния с углами
в кристаллографических направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] последовательно вписывают дополнительные элементы в виде островков в форме правильных треугольников.
Изобретение относится к области электронной техники, в частности к микроэлектронике, и может быть использовано при изготовлении полупроводниковых приборов.
В настоящее время большинство полупроводниковых приборов изготавливается по
планарной технологии с использованием в качестве исходного материала плоской полупроводниковой пластины. Активная структура приборов изготавливается последовательным формированием на этой пластине различных слоев требуемой конфигурации с
использованием 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 маски при ионном легировании, защитных и пассивирующих покрытий и т.п. [1].
Основными способами их формирования являются окисление поверхности пластин, осаждение из газовой фазы путем реакции между исходными компонентами покрытия, конденсация в вакууме путем распыления мишеней материала покрытия и др.
При этом одной из общих функций тонких твердых пленок является защита активной
структуры от проникновения нежелательных примесей на выбранном этапе формирования этой структуры. Однако эти покрытия не защищают активную структуру от примесей,
которые уже проникли в полупроводниковую структуру на более ранних этапах изготовления, 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. Накопление неконтролируемых примесей в приповерхностной области пластины
приводит к образованию характерных дефектов, которые значительно ухудшают характеристики изготавливаемых полупроводниковых приборов.
Рассматриваемые покрытия, кроме того, обладают определенной селективностью действия по отношению к тем или иным загрязнениям, в связи с чем более широкое применение нашли многослойные покрытия.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является
способ формирования многослойного пассивирующего покрытия на полупроводниковой
подложке, включающий окисление поверхности кремния до достижения толщины диоксида кремния 0,5-2,5 нм и последующее нанесение слоев поликристаллического кремния,
нитрида кремния толщиной 0,05-0,2 мкм и борофосфоросиликатного стекла толщиной
0,6-2,0 мкм [2].
Прямым функциональным назначением такого покрытия является защита активных
областей полупроводникового прибора от загрязняющих примесей. Борофосфоросиликатное стекло служит защитой от проникновения в структуру влаги, нитрид кремния защищает прибор от подвижных ионов, тонкий диоксид кремния служит для обеспечения
электрической связи между покрытием и подложкой за счет туннельного эффекта. Толщина 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 пассивную защиту активной структуры от примесей, которые могут быть внесены в структуру после формирования этого покрытия. Такое многослойное покрытие играет роль
2
BY 15078 C1 2011.12.30
пассивного 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. Рассматриваемый способ формирования покрытия не обеспечивает активную защиту полупроводниковой структуры от неконтролируемых примесей, которые внесены 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 монокристаллические пластины ориентации (111), получаемые из кремния, выращенного
методом 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 различных материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. Их растворимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной температуры до ~1000 °С она для подавляющего большинства неконтролируемых
примесей повышается на несколько порядков. При последующем охлаждении пластин
растворимость резко падает, и фактическая концентрация примесей начинает превышать
предельную растворимость, в результате чего образуются преципитаты, представляющие
собой микроскопические выделения второй фазы. Плотность таких выделений на рабочей
поверхности пластины достигает 106 см-2 и более. Эти дефекты являются причиной так
называемых "мягких" характеристик приборов, когда обратные токи p-n-переходов возрастают, а напряжение их пробоя снижается.
Таким образом, прототип не обеспечивает защиту активной структуры от имеющихся
в ней неконтролируемых примесей.
Задачей заявляемого изобретения является расширение функциональных возможностей
получаемого покрытия по защите активной структуры от неконтролируемых примесей.
Поставленная задача решается тем, что в способе формирования функционального покрытия для полупроводниковых кремниевых пластин ориентации (111), включающем
окисление поверхности пластины до достижения толщины диоксида кремния от 0,5 до
2,5 нм и нанесение слоя нитрида кремния, функциональное покрытие формируют на нерабочей стороне пластин, а слой нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм путем травления разделяют на правильные треугольные островки такими же окнами с длиной стороны
(0,3-1,0)t, где t - толщина пластины, при ориентации их сторон в кристаллографических
направлениях типа <110>, причем углы островков или окон выполняют ориентированными в кристаллографических направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] ,
а также тем, что в островки пленки нитрида кремния с углами в кристаллографических направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] последовательно вписывают дополнительные
элементы в виде окон в форме правильных треугольников,
а также тем, что в окна в пленке нитрида кремния с углами в кристаллографических
направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] последовательно вписывают дополнительные элементы в виде островков в форме правильных треугольников.
Сущность заявляемого технического решения заключается в появлении новой активной функции покрытия - генерации в кремниевой пластине управляемой сетки дислокаций, которая поглощает неконтролируемые примеси, внесенные как на предыдущих
этапах формирования полупроводниковых приборов, так и на последующих.
Заявляемый способ, в отличие от прототипа, предназначен для формирования покрытия 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.
3
BY 15078 C1 2011.12.30
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 заявляемом
функциональном покрытии.
Особенностью пленок нитрида кремния является наличие в них высоких растягивающих структурных напряжений - до 100 ГПа [1], обусловленных процессами формирования
пленки. Несмотря на небольшое различие в значении коэффициента линейного термического расширения (клтр) Si3N4 и кремния (3,4×10-6 K-1 для Si3N4 [3] и 3,72×10-6 K-1 для Si
[4]), использование высоких температур при изготовлении полупроводниковых приборов
и отсутствие полиморфных превращений Si3N4 приводит к возникновению высоких механических 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. Наличие большого количества регулярно расположенных элементов пленки нитрида кремния
на нерабочей поверхности пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций, управляемой параметрами рисунка. Наличие слоя диоксида кремния в составе заявляемого покрытия предупреждает образование дислокаций в центральной части
элемента пленки нитрида кремния. Диоксид кремния в данном случае выполняет функцию переходного и демпфирующего слоя.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (111) могут
быть ориентированы в одном из двух основных типов кристаллографических направлений <112> или <110>. Угол между этими направлениями составляет 30°. Все остальные
направления 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 имеют прямоугольную форму
(с углами 90°≠2n×30°), их 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
стороны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только одного
типа. Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников, единственной рассматриваемой формой элементов формируемого рисунка в покрытии является 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 ( 1 1 1 ) , 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
(1 1 0), (10 1 ) и (01 1 ) ) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхности
пластины.
В случае ориентации сторон элементов рисунка покрытия в кристаллографических
направлениях типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее выгодна в плоскостях (1 1 0), (10 1 ) è (01 1 ) , 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 формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
4
BY 15078 C1 2011.12.30
Ориентация сторон элементов рисунка в направлениях [1 1 0], [10 1 ] и [01 1 ] позволяет
сформировать сетку дислокаций в плоскостях (110) и (11 1 ) , (101) и (1 1 1) , (011) и ( 1 11)
попарно, соответственно кристаллографическому направлению ориентации стороны элемента. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае энергетически
наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие от механических напряжений на
границе элемента изгибающие моменты перпендикулярны границе этого элемента.
Совокупность плоскостей {111} скольжения дислокаций, формируемых единичным
первичным элементом рисунка получаемого 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 рассматриваемых 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 дислокаций 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, состоящей из множества одинаковых "двойных тетраэдров".
Любой элемент рисунка получаемого 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 нитрида 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
направлениях типа <112>. При ориентации углов элементов в направлениях
[ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] плоскости скольжения {111} и {110} пересекаются с образованием
тетраэдров внутри объема пластины. При ориентации углов элементов в направлениях
[11 2], [1 21] 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 [112 ], [1 21] и
[ 2 11] , приводит к образованию тетраэдров плоскостей скольжения, не имеющих общих
плоскостей с элементами 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 [ 1 1 2] ,
[ 1 2 1 ] è [2 1 1 ] , тетраэдры плоскостей скольжения, соответствующие вновь образованным
элементам, имеют две общие грани с тетраэдрами плоскостей скольжения, соответствующими элементам большего размера. Для образования одной новой грани не требуется
много энергии, поэтому значительная доля энергии остается и расходуется на процессы
самоформирования дислокационной структуры.
Разделение первичных элементов покрытия на элементы меньших размеров путем последовательного вписывания в них "контрастных" элементов при соблюдении кристаллографической ориентации их сторон приводит к увеличению плотности формируемой
дислокационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения неконтролируемых примесей. При этом форма вновь образующихся элементов покрытия
повторяет 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
треугольное окно в слое нитрида кремния треугольного островка приводит к образованию
5
BY 15078 C1 2011.12.30
трех новых окон и одного нового островка нитрида. Последовательное повторение этих
действий приводит к образованию своеобразной фрактальной структуры как получаемого
покрытия, так и образующейся впоследствии дислокационной сетки. Такие структуры
очень устойчивы и склонны к самоформированию, что значительно повышает их эффективность.
Поскольку дислокации образуются по границам элементов, выбор в качестве первичного элемента островка или окна в слое нитрида кремния принципиального значения не
имеет. Важно, чтобы все вновь вписываемые элементы рисунка были "контрастными" по
отношению к первичному. Если первичным элементом является островок, в него вписывают 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 больших размеров исчезают. Это приводит к резкому снижению глубины дислокационной структуры, ее
локализации вблизи нерабочей поверхности пластины и потере эффективности.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемую 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 объеме кремниевой пластины формируется новый уровень сетки дислокаций, представляющий собой также тетраэдры, но площадь их основания уже в 41 раза меньше. При втором
разделении элементов образуется 42 элемента, 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 пересечения двух
тетраэдров. Основание первого тетраэдра совпадает с первичным элементом покрытия.
Основание второго тетраэдра лежит на высоте, равной половине высоты первого тетраэдра, находится в двойниковой ориентации по отношению к основанию первого тетраэдра, а
его вершина обращена в сторону нерабочей поверхности пластины. Грани этого второго
тетраэдра частично образованы гранями тетраэдров, основания 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 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
получаемого функционального покрытия.
Дальнейшее разделение элементов рисунка покрытия приводит к образованию следующего 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 характеризуется большей плотностью дислокаций и расположен на меньшей глубине. Количество
таких уровней подбирается опытным путем с учетом требуемой эффективности поглоще6
BY 15078 C1 2011.12.30
ния неконтролируемых примесей. Иначе, зависит от качества исходного материала, чистоты применяемых 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, различия в их эффективности для решения поставленной задачи не замечено.
Элементы покрытия меньшего размера приводят к возникновению механических
напряжений, 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 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 множество 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 нанесенному на нее покрытию.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на
глубине a, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, генерируемых 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 активной структуры и допусков на разброс толщины пластины это требование ужесточается
до значения 1,0t.
Минимальное значение размера стороны d первичных элементов покрытия определяется долей объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является d = 0,3t, при котором примерно
четверть 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 заявляемого функционального покрытия при этом не зависит от минимального размера элементов.
7
BY 15078 C1 2011.12.30
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 самоформирования 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 (1 1 0), (10 1 ) и (01 1 ) , перпендикулярных поверхности пластины, что является неприемлемым.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1-8.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка формируемого покрытия,
состоящее из чередующихся островков и окон в слое нитрида кремния с длиной стороны
d. Углы островков нитрида кремния ориентированы в кристаллографических направлениях [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] , углы окон ориентированы в кристаллографических направлениях [11 2], [12 1] и [ 2 11] . На фиг. 2 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из
первичных островков, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания одного уровня окон. На фиг. 3 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из первичных островков, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания двух
уровней 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 изображениям, приведенным на фиг. 1-4. В этом случае углы окон в нитриде кремния ориентированы в кристаллографических направлениях [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] , а углы
островков ориентированы в кристаллографических направлениях [11 2], [12 1] и [ 2 11] . На
фиг. 5 приведено 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,
представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки кремния, а соответствующие ему плоскости скольжения выделены заливкой. Элементы дислокационной структуры, образованные плоскостями скольжения {110}, по своей форме
аналогичны элементам, образованным плоскостями {111}, но имеют меньшую высоту и
находятся внутри последних. Во избежание загромождения рисунка здесь и на последующих фиг. 6 и 7 они не показаны. На фиг. 6 приведено изображение 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. 5. На фиг. 7 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. 6. На фиг. 8 схематически
изображена дислокационная структура, сформированная в результате релаксации механических напряжений, внесенных получаемым покрытием с рисунком, приведенным на
фиг. 3, и соответствующая виду AA*. 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, соответствующие элементам, полученным в результате второго уровня разделения первичных элементов на элементы меньшего размера. Некоторые плоскости скольжения, соответствующие процессам самоформирования дислокационной структуры, изображены
штрихпунктирными линиями.
8
BY 15078 C1 2011.12.30
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную организованную структуру, состоящую из множества тетраэдров, образованных плоскостями
скольжения (111) и (110), причем плотность дислокаций увеличивается при приближении
к нерабочей стороне пластины.
Наличие регулярно расположенных островков и окон нитрида кремния приводит к появлению в формируемом покрытии знакопеременного поля механических напряжений.
Величина и знак механических напряжений при этом зависят от вида 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 расположением элементов покрытия и образуют
устойчивую структуру внутри пластины.
Распределение концентрации неконтролируемых примесей по объему пластины определяется их растворимостью 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) химических связей вероятность образования связи между загрязняющей примесью и кремнием возрастает, т.к. уменьшается энергия активации их
взаимодействия. При отсутствии сетки дислокаций наибольшим количеством оборванных
химических связей в кремнии располагает приповерхностная область 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 изготавливаемых приборов практически исключено. В процессе термообработки при формировании активной структуры полупроводникового прибора неконтролируемые примеси приобретают высокую подвижность и свободно
перемещаются по всему объему пластины. При охлаждении структур концентрация неконтролируемых примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме
пластины плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает
их плотность в приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой.
Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не
образуются. Характеристики изготавливаемых приборов при этом заметно улучшаются.
Таким образом, функциональные возможности получаемого в соответствии с заявляемым способом покрытия расширяются за счет его активного воздействия на структуру полупроводникового материала, что обеспечивает поглощение всех неконтролируемых
примесей в формируемых полупроводниковых приборах.
Заявляемый способ реализовали следующим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КДБ 10 ориентации (111) и толщиной t = 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. Расчетными значениями размера d первичного элемента являются
величины от 0,3t = 135 мкм до 1,0t = 450 мкм. Покрытие на нерабочей стороне пластин
получали путем последовательного формирования слоя диоксида кремния химической
обработкой пластин в кислоте Каро, нанесения пленки нитрида кремния и травления в ней
окон. Пленку нитрида кремния требуемой толщины формировали за счет реакции между
дихлорсиланом и аммиаком на установке "Изотрон-4-150". Рисунок в пленке нитрида
кремния формировали методами стандартной фотолитографии и плазмохимического
травления. Характеристики полученной структуры приведены в таблице.
9
BY 15078 C1 2011.12.30
После формирования на обратной стороне пластин покрытия на их рабочей стороне
изготавливали тестовые p-n-переходы. Для оценки функциональных возможностей 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 микроскопии при увеличении 250х.
Результаты контроля приведены в таблице.
10
2
3
4
5
0,1
0,3
0,4
0,6
6
0,3
11
7
8
9
10
11
12
13
14
15
250
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
40,3
35,6
2×103
-
3×103
47,5
47,3
47,0
29,4
4×101
1×102
3×102
5×103
-
5×101
2×101
7×101
5×101
250
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
250
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
50
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
45,1
36,1
8×103
47,8
48,9
47,7
35,9
8×101
3×102
5×102
6×103
0,3
0,3
250
3×101
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
48,9
50,0
49,2
44,5
0
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
48,9
47,2
5×101
2×101
2×101
-
47,1
48,5
46,7
47,4
3×102
4×102
9×101
7×101
-
0,3
250
0,3
250
1
2
3
2
16
0,3
250
17
0,3
250
18
<110>
49,9
49,4
49,8
38,6
135
250
450
600
0,3
2
<110>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
<110>
Б, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
50,2
51,3
49,9
49,7
2
<112>
А, [ 1 1 2], [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ]
15,1
9,2
5×106
2
<110>
А, [11 2], [1 21] и [ 211]
43,7
39,5
5×102
3×103
-
38,5
15,6
5×103
1×102
Прототип
1×101
6×101
9×101
1×101
5×101
-
2×101
2×101
6×101
2×101
2×102
7×103
5×101
BY 15078 C1 2011.12.30
Толщина
пленки
№
нитрида
п/п
кремния,
мкм
1
0,05
Влияние режимов формирования покрытия на характеристики тестовых структур
Плотность дефектов на рабочей
Размер Количество
Ориентация
Ориентация углов и вид
стороне пластины, см-2
первичного уровней
сторон эле- первичных элементов (А - U1, В U2, В
микродеэлемента, вписанных
дефектов
ментов
островки, Б - окна)
дислокаций
фектов
мкм
элементов
упаковки
BY 15078 C1 2011.12.30
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического решения напряжение пробоя тестовых структур и напряжение, при котором ток утечки достигает 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 [11 2], [1 21] и [ 211] приводит к снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей. Использование
запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности покрытия по защите активных элементов
от неконтролируемых примесей.
Источники информации:
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.
Фиг. 1
Фиг. 2
Фиг. 3
Фиг. 5
12
BY 15078 C1 2011.12.30
Фиг. 6
Фиг. 7
Фиг. 8
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
993 Кб
Теги
by15078, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа