close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15470

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2012.02.28
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/302
H 01L 33/16
(2006.01)
(2010.01)
ФУНКЦИОНАЛЬНОЕ ПОКРЫТИЕ ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ
КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: a 20100377
(22) 2010.03.12
(43) 2011.10.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 15470 C1 2012.02.28
BY (11) 15470
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) BY 11325 C1, 2008.
JP 2010/037185 A.
JP 2008/022032 A.
(57)
1. Функциональное покрытие для полупроводниковых кремниевых пластин ориентации (001), содержащее слой диоксида кремния толщиной от 0,5 до 2,5 нм и слой нитрида
кремния, отличающееся тем, что сформировано на нерабочей стороне пластин, слой нитрида кремния выполнен толщиной от 0,1 до 0,4 мкм и разделен дорожками дополнительного слоя диоксида кремния на элементы в виде квадратных островков с длиной стороны,
выбранной из интервала от 0,2t до (0,8t –l), где t - толщина пластины, а l - ширина разделяющей дорожки диоксида кремния, причем стороны этих элементов ориентированы в
кристаллографических направлениях типа <100>, а разделяющие дорожки слоя диоксида
кремния выполнены шириной от 10 до 100 мкм и толщиной от 0,1 до 2,0 мкм.
2. Покрытие по п. 1, отличающееся тем, что центральная часть каждого островка
сформирована как одна из девяти его равных частей квадратной формы в виде дополнительного окна, заполненного указанным дополнительным слоем диоксида кремния.
Фиг. 1
BY 15470 C1 2012.02.28
3. Покрытие по п. 2, отличающееся тем, что каждая из указанных частей, кроме центральных, выполнена с фрактальной структурой, образованной формированием в каждой
из частей, кроме центральных, дополнительной центральной части как одной из девяти ее
равных частей квадратной формы в виде дополнительного окна, заполненного указанным
дополнительным слоем диоксида кремния.
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].
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
многослойное пассивирующее покрытие, содержащее последовательно сформированные
на полупроводниковой подложке слои диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм, 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
пассивного барьера на пути неконтролируемых примесей из внешней среды. Оно формируется на завершающих этапах изготовления активной структуры полупроводникового
2
BY 15470 C1 2012.02.28
прибора, когда практически все высокотемпературные операции уже выполнены. Рассматриваемое покрытие не защищает активную структуру 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 (001), 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 покрытия по защите активной структуры от неконтролируемых примесей.
Поставленная задача решается тем, что в функциональном покрытии для полупроводниковых кремниевых пластин ориентации (001), содержащем слой диоксида кремния
толщиной от 0,5 до 2,5 нм и слой нитрида кремния, покрытие сформировано на нерабочей
стороне пластин, слой нитрида кремния выполнен толщиной от 0,1 до 0,4 мкм и разделен
дорожками дополнительного слоя диоксида кремния на элементы в виде квадратных островков с длиной стороны, выбранной из интервала от 0,2t до (0,8t –l), где t - толщина пластины, а l - ширина разделяющей дорожки диоксида кремния, причем стороны этих
элементов ориентированы в кристаллографических направлениях типа <100>, а разделяющие дорожки слоя диоксида кремния выполнены шириной от 10 до 100 мкм и толщиной
от 0,1 до 2,0 мкм;
а также тем, что центральная часть каждого островка сформирована как одна из девяти его равных частей квадратной формы в виде дополнительного окна, заполненного указанным дополнительным слоем диоксида кремния;
а также тем, что каждая из указанных частей, кроме центральных, выполнена с фрактальной структурой, образованной формированием в каждой из частей, кроме центральных, дополнительной центральной части как одной из девяти ее равных частей квадратной
формы в виде дополнительного окна, заполненного указанным дополнительным слоем
диоксида кремния.
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.
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.
3
BY 15470 C1 2012.02.28
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 слоя нитрида кремния на
нерабочей поверхности пластины приводит к формированию в ее объеме сетки дислокаций, управляемой параметрами рисунка. Наличие слоя диоксида кремния толщиной 0,52,5 нм 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. Разделение элементов слоя
нитрида кремния дорожками и элементами дополнительного диоксида кремния усиливает
описываемые процессы за счет того, что локальные островки нитрида кремния способствуют углублению дополнительного диоксида кремния в подложку, что приводит к возникновению распирающих напряжений на границах раздела элементов. Эти напряжения
носят термический характер, однако их релаксация протекает также через образование
дислокаций в материале подложки.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. Для пластины ориентации (001)
плоскости типа {111} наклонены к поверхности под углом ~54°44', плоскости (110) и (1 1 0)
перпендикулярны ей, а плоскости (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) наклонены под углом 45°.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (001) могут
быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений <100> или <110>. Все остальные направления являются промежуточными. При ориентации сторон элементов рисунка в пленке нитрида кремния в одном из двух возможных
направлений типа <110>, а именно в направлениях [110] и [1 1 0] , генерация и скольжение
дислокаций возможны в плоскостях (111), (11 1 ), (1 1 1), (1 1 1 ), (110) и (1 1 0) . Однако в
связи с тем, что плоскости типа {111} наклонены к поверхности, энергетически наиболее
выгодными плоскостями образования и скольжения дислокаций являются плоскости (110)
и (1 1 0), которые перпендикулярны поверхности пластины. При этом генерируемые дислокации практически беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в
негодность для формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
При ориентации сторон островков нитрида кремния в одном из двух возможных
направлений типа <100>, а именно в направлениях [100] и [010], генерация и скольжение
дислокаций возможны только в плоскостях (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1), которые наклонены под углом 45° к поверхности пластины. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что
возникающие изгибающие моменты перпендикулярны сторонам топологических элементов. Плоскости (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) перпендикулярны друг другу, поэтому генери4
BY 15470 C1 2012.02.28
руемые в этих плоскостях дислокации блокируют друг друга в точках их пересечения с
образованием дислокационных полупетель, закрепленных концами на обратной стороне
пластины. Поскольку генерация дислокаций наблюдается только на границах элементов
Si3N4-SiO2, расстояние от точки пересечения рассматриваемых плоскостей скольжения до
поверхности пластины зависит от размера элемента слоя нитрида кремния. Поэтому глубина проникновения дислокаций в пластину и характеристики дислокационной структуры
в целом эффективно управляются параметрами рисунка в заявляемом покрытии.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка в слое нитрида кремния обусловлен тем, что, во-первых, только в этом случае обеспечивается ориентация всех сторон
элементов в равнозначных кристаллографических направлениях. Во-вторых, только в
этом случае все плоскости скольжения дислокаций (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1), генерируемые выбранным элементом рисунка, пересекаются внутри пластины в одной точке с образованием пирамиды, что обеспечивает максимальное взаимное блокирование
дислокаций. В случае выбора прямоугольной формы элементов условие по ориентации их
сторон соблюдается, но рассматриваемые плоскости не пересекаются в одной точке, а фигура, образованная ими, представляет собой обелиск. В этом случае управление глубиной
проникновения дислокаций в пластину несколько затрудняется, т.к. их взаимное блокирование ослабевает.
Совокупность плоскостей (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) скольжения дислокаций, формируемых единичным первичным элементом рисунка (островком) в слое нитрида кремния, образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность
плоскостей (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) скольжения дислокаций, формируемых четырьмя
ближайшими элементами по отношению к рассматриваемому, образует над этой пирамидой дополнительный пирамидальный купол, что усиливает процессы взаимного блокирования дислокаций. Вершины этих пирамидальных дефектов являются точками
концентрации механических напряжений, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры. Совокупность вершин четырех ближайших по отношению друг к другу пирамид определяет границы основания двух новых пирамид, одна из
которых обращена вершиной вниз, а другая вверх. Поскольку величина механических
напряжений в кремниевой подложке по мере удаления от поверхности пластин уменьшается, преимущественная генерация дислокаций протекает во вновь образованной пирамиде, обращенной вершиной вниз. Грани этой пирамиды являются продолжением граней
близлежащих пирамид, обращенных вершинами вверх, т.е. возникает явление самоформирования дислокационной структуры. Это явление сопровождается образованием и других новых элементов структуры - дефектов упаковки, которые в зависимости от
локальной плотности дислокаций могут быть полными или частичными. Эффективность
поглощения неконтролируемых примесей дефектами упаковки значительно выше, чем
дислокациями, что обеспечивает качественно новый уровень устойчивости пластин к образованию преципитатов примесей в приповерхностной области пластины.
Совокупность всех элементов рисунка покрытия приводит к образованию дислокационной сетки, состоящей из множества пирамидальных структур. В связи с тем, что рассматриваемая дислокационная структура образована первичными элементами рисунка,
условно назовем ее структурой первого уровня.
Разделение первичного островка слоя нитрида кремния с размером стороны a на 9
равных частей квадратной формы и замена центральной части на дополнительный диоксид кремния приводит к возникновению в нем нового элемента с размером стороны, равным 1/3a. Это окно в слое нитрида кремния, одновременно являющееся островком
дополнительного диоксида кремния и сопровождающееся возникновением новых границ.
Возникновение новых границ, в свою очередь, сопровождается генерацией дислокаций
вдоль этих границ. Однако поскольку линейные размеры вновь образованных элементов в
5
BY 15470 C1 2012.02.28
3 раза меньше размеров первичных элементов, глубина проникновения генерируемых ими
дислокаций в пластину соответственно уменьшается. Совокупность плоскостей скольжения, генерируемых вновь образованным элементом, также образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность таких вновь образованных окон можно
рассматривать как новый, второй уровень элементов, который приводит к формированию
новой совокупности пирамидальных дефектов по всей площади пластины. Образуется новый, второй уровень дефектов структуры (дислокации и дефекты упаковки) кремния с
глубиной проникновения, определяемой размерами соответствующих им элементов, т.е.
1/3 часть от глубины проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей островков слоя Si3N4 по тому же
правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной части на дополнительный диоксид кремния) приводит к формированию следующего уровня дислокационной структуры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных
элементов и составляет 1/3 часть от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов покрытия возникает все новый
уровень дислокационной структуры. Фрактальный характер рисунка в слое Si3N4 обеспечивает одновременное наличие дефектов различного размера, или уровня. Эти уровни существуют не независимо друг от друга, а активно взаимодействуют друг с другом с
образованием новых элементов дислокационной структуры за счет явления самоформирования. Их взаимодействие обусловлено, с одной стороны, взаимодействием полей механических напряжений, а с другой стороны, тем, что при пересечении плоскостей
скольжения далеко не все дислокации блокируются. Часть из них прорастает далее вглубь
пластины и взаимодействует с дислокациями, генерируемыми другими элементами, сначала близлежащими, а затем и более отдаленными. Генерируемые различными элементами рисунка плоскости скольжения дислокаций многократно пересекаются друг с другом,
и при каждом их пересечении часть дислокаций блокируется. По мере увеличения количества пересечений все большая часть дислокаций блокируется, и с удалением от границы
элемента их плотность падает. В результате такого взаимодействия образуется дислокационная сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей стороне
пластины, а максимальная глубина проникновения определяется размерами первичных
элементов покрытия.
Таким образом, заявляемое расположение элементов рисунка покрытия приводит к
самоформированию дислокационной структуры в объеме кремниевой пластины.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислокаций составляет величину, равную сумме длины стороны первичного элемента рисунка а и
расстояния между ними l, что соответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов.
Эта глубина h не должна превышать толщину пластины t, т.е. (a + l) ≤ t. В противном случае дислокации достигнут рабочей поверхности пластины и приведут ее в негодность. С
учетом глубины активной структуры и допусков на разброс толщины пластины требования по размерам первичного элемента рисунка ужесточаются до значения (a + l) ≤ 0,8t,
или a ≤ 0,8t –l.
Минимальное значение длины стороны a первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является a = 0,2t, при котором с учетом фактической
величины l примерно четверть объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения
a приводят к заметному снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные элементы, определяется размером первичного элемента. Так, каждый квадрат, представляющий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым техническим решением
может быть разделен ровно на 9 равных частей квадратной формы, из чего следует, что
длина стороны вновь образованного элемента (а именно островка дополнительного диок6
BY 15470 C1 2012.02.28
сида кремния в слое нитрида кремния) составляет 1/3a. Повторное разделение каждой из
оставшихся восьми частей островка пленки опять-таки на 9 равных частей квадратной
формы и замена центральных вновь образованных частей на дополнительный диоксид
кремния приводит к образованию восьми новых островков SiO2 с длиной стороны (1/3)2a.
В целом длину стороны элемента можно выразить как an = (1/3)(n-l)а, где n - порядковый
номер уровня элемента, причем для первичного островка n = 1, для элементов второго
уровня n = 2 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 вновь образованных элементов. Внешний вид структур различного уровня
приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка в слое нитрида кремния
при этом не зависит от количества уровней элементов, поскольку осуществляется в едином технологическом цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка в слое нитрида кремния (или
ширина дорожек дополнительного диоксида кремния) определяется размерами зоны
упругого влияния, возникающей в результате взаимодействия покрытия с подложкой.
Максимальные механические напряжения вносятся в структуру элементами максимального размера. Поэтому первичные элементы рисунка являются, с одной стороны, инициирующими процесс дефектообразования, а с другой - ограничивающими прорастание
дислокаций на рабочую сторону. Если расстояние l между первичными элементами составляет величину менее 10 мкм, например 5 мкм, механические напряжения, индуцируемые этими элементами, активно взаимодействуют друг с другом с образованием
сплошного поля напряжений. Величина градиента этого поля на границе раздела элементов, инициирующая генерацию дислокаций, оказывается слишком маленькой для того,
чтобы дислокации проникли в пластину на глубину, достаточную для образования дислокационных полупетель. В результате дислокации генерируются не только по краю элемента, но и внутри его. Дислокационная структура оказывается неуправляемой.
Увеличение расстояния l между первичными элементами до значения свыше 100 мкм,
например 200 мкм, приводит к невозможности взаимодействия полей напряжений, вносимых соседними элементами рисунка в слое нитрида кремния. В результате дислокационная структура формируется по островковому принципу внутри разделенных между собой
пирамид. Процессы самоформирования обрываются на границе этих пирамид, единая
устойчивая структура не образуется.
Толщина слоя 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 слоя 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 (110) и (1 1 0), перпендикулярных поверхности
пластины, что является неприемлемым.
Толщина пленки дополнительного диоксида кремния менее 0,1 мкм, например
0,05 мкм, также не обеспечивает 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 сильному дисбалансу напряжений, генерируемых диоксидом и
нитридом кремния, в результате чего рассмотренные выше закономерности генерации
дислокаций перестают соблюдаться.
Заявляемое техническое решение поясняется фиг. 1 - 6.
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в слое нитрида кремния заявляемого покрытия, состоящее из первичных элементов в виде островков квадратной
7
BY 15470 C1 2012.02.28
формы с длиной стороны а и шириной дорожек дополнительного SiO2 между ними l. На
фиг. 2 приведено изображение рисунка в слое нитрида кремния, состоящее из первичных
элементов, в которых сформированы элементы второго уровня путем разделения первичных островков на 9 равных квадратных частей и замены центральной части на дополнительный SiO2 с образованием нового элемента с длиной стороны 1/3a. На фиг. 3 приведено
изображение рисунка в слое нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка в слое нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, в которых
сформированы элементы второго, третьего и четвертого уровней. На фиг. 5 приведено
схематическое изображение элемента дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {110} дислокаций, генерируемых первичным элементом рисунка покрытия. Для наглядности этот элемент приведен в координатах XYZ и вписан в куб,
представляющий собой множество элементарных ячеек кристаллической решетки кремния, а плоскости скольжения выделены заливкой. На фиг. 6 схематически изображено сечение полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001) в плоскости (100)
после формирования на ней заявляемого покрытия. Дислокационная структура в объеме
пластины сформирована в результате релаксации механических напряжений, внесенных
заявляемым покрытием с рисунком, приведенным на фиг. 3, и соответствует виду AA*. На
фиг. 6 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая пластина толщиной t, 2 активные элементы формируемых полупроводниковых приборов, 3 - островки слоя нитрида кремния со вскрытыми в них окнами, которые заполнены диоксидом кремния 4.
Слой диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм расположен между слоем нитрида кремния и
кремнием по всей поверхности пластины и во избежание загромождения чертежа не приведен. Жирными линиями обозначены плоскости скольжения дислокаций, генерируемые
краями элементов рисунка в слое нитрида кремния и пересекающиеся друг с другом с образованием пирамиды, основанием которой является элемент рисунка (Si3N4 или SiO2).
Тонкими линиями обозначены остальные плоскости скольжения. Из фиг. 6 видно, что
глубина проникновения дислокаций, генерируемых первичным элементом, размер которого максимален, составляет h1 = (a + l), глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом второго уровня, составляет h2 = (a/3 + l), глубина проникновения
дислокаций, генерируемых элементом третьего уровня, составляет h2 = (a/9 + l) и т.д.
Максимальная глубина проникновения дислокаций в пластину h не превышает величины
h1. Области генерации дислокаций, соответствующие их самоформированию, выделены
заливкой. Сравнительный анализ структуры этих областей со структурой областей, образованных непосредственно элементами рисунка заявляемого покрытия (выделено жирными линиями), показывает их идентичность. Как видно из фиг. 6, эти области способствуют
своеобразной сшивке всей дислокационной структуры, что заметно повышает ее эффективность и устойчивость.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную организованную структуру, состоящую из множества взаимно проникающих пирамид, образованных плоскостями скольжения (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1), причем плотность
дислокаций увеличивается при приближении к нерабочей стороне пластины.
Заявляемое покрытие действует следующим образом.
Наличие регулярно расположенных элементов приводит к появлению в 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.
8
BY 15470 C1 2012.02.28
Наличие слоя диоксида кремния предупреждает образование дислокаций в центральной
части элементов нитрида кремния.
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 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 заявляемого покрытия расширяются за
счет его активного воздействия на структуру полупроводникового материала, что обеспечивает поглощение всех неконтролируемых примесей в формируемых полупроводниковых приборах.
Испытания функциональных возможностей заявляемого покрытия проводили следующим образом.
Для испытаний использовали пластины типа 100 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной t = 450 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. Расчетными значениями размера а первичного элемента являются
величины от 0,2t = 90 мкм до (0,8t –l) = 350 мкм.
Заявляемое покрытие получали путем последовательного формирования слоя диоксида кремния химической обработкой пластин в кислоте Каро, нанесения слоя нитрида
кремния и вскрытия в нем окон. Слой нитрида кремния требуемой толщины формировали
за счет реакции между дихлорсиланом и аммиаком на установке "Изотрон-4-150". Рисунок в слое нитрида кремния формировали методами стандартной фотолитографии и плазмохимического травления. Дополнительный диоксид кремния формировали путем
окисления открытых областей кремния под давлением на установке "Термоком-М". Характеристики полученного покрытия приведены в таблице.
После формирования на обратной стороне пластин заявляемого покрытия на их рабочей стороне изготавливали тестовые p-n-переходы. Для оценки функциональных возможностей 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 Секко для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне.
Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также
9
BY 15470 C1 2012.02.28
плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической микроскопии при увеличении 250×. Результаты контроля приведены в таблице.
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 покрытия в направлениях типа <110> 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.
10
№
п/п
Примечание
фиг. 1
фиг. 2
фиг. 3
фиг. 4
BY 15470 C1 2012.02.28
11
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
Влияние конструктивных особенностей заявляемого покрытия на характеристики тестовых структур
Плотность дефектов на рабочей
Размер
Толщина доТолщина
Расстояние
Количество Ориентастороне пластины, см-2
пленки нит- первичного между первич- полнительноU1, U2,
уровней ция сторон
рида крем- элемента, ными элемен- го диоксида
В
В дислока- дефектов микродеэлементов элементов
кремния, мкм
ния, мкм
тами, мкм
мкм
ций
упаковки фектов
2
0,05
250
50
0,8
3
<100>
39,2 33,2 4×10
1×103
1
0,1
250
50
0,8
3
<100>
48,7 47,1 5×10
2×101
0,3
48,9 47,5 5×101
5×100
0,4
48,6 47,9 3×101
3×101
0,6
250
50
0,8
3
<100>
38,3 35,7 3×103
3×101
3×102
3
2
0,3
50
50
0,8
3
<100>
44,2 37,5 1×10
1×10
5×102
0,3
90
50
0,8
3
<100>
50,5 49,0 5×101
5×101
250
50
48,9 47,5 8×101
2×101
350
10
50,2 47,9 6×101
9×100
3
2
0,3
600
50
0,8
3
<100>
43,1 33,1 1×10
2×10
2×102
0,3
250
5
0,8
о
<100>
42,5 35,6 5×102
1×101
2×102
0,3
250
10
0,8
3
<100>
49,5 48,8 2×101
3×101
50
49,9 47,9 3×101
7×100
1
100
48,1 47,1 3×10
7×100
0,3
250
200
0,8
3
<100>
40,5 36,7 1×102
2×102
0,05
250
50
0,05
3
<100>
42,3 39,1 5×102
9×102
0,3
250
50
0,1
3
<100>
47,9 47,0 8×101
6×100
1
2,0
48,7 48,1 6×10
5×101
0,3
250
50
3,0
3
<100>
44,5 41,5 4×102
5×101
1×102
0,3
250
50
0,8
1
<100>
49,9 48,1 5×101
3×101
2
49,6 48,0 1×102
3×100
1
3
51,5 49,5 3×10
5×101
4
50,2 49,5 2×101
5×101
5
50,3 48,9 1×101
7×100
0,3
250
50
0,8
3
<110>
11,4 6,5
3×106
7×102
3
2
Прототип
35,2 17,1 5×10
1×10
5×103
BY 15470 C1 2012.02.28
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 / А.С. Турцевич, В.В. Глухманчук, В.А. Солодуха, Я.А. Соловьев,
В.М. Пуцята. Многослойное пассивирующее покрытие для высоковольтных полупроводниковых приборов. МПК (2006) H 01L 21/02 // Официальный бюллетень. Изобретения,
полезные модели, промышленные образцы. - 2008.12.30 (прототип).
3. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Том 2. - М.: Советская
энциклопедия, 1990. - С. 519.
4. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Том 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - С. 508-509.
Фиг. 2
Фиг. 3
12
BY 15470 C1 2012.02.28
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
13
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
814 Кб
Теги
патент, by15470
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа