close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15475

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 (2006.01)
H 01L 33/16 (2010.01)
СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОГО ПОКРЫТИЯ
ДЛЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ КРЕМНИЕВЫХ ПЛАСТИН
ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: a 20100385
(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 15475 C1 2012.02.28
BY (11) 15475
(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. Способ формирования функционального покрытия для полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001), включающий окисление поверхности пластины толщиной t 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 пластины, а слой нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм путем
травления разделяют на чередующиеся в шахматном порядке элементы в виде окон и островков этого слоя квадратной формы, причем стороны элементов ориентируют в кристаллографических направлениях типа <100>, а длину стороны выбирают из интервала от
0,25t до 0,80t, после чего проводят локальное окисление кремния до достижения толщины
диоксида кремния от 0,1 до 2,0 мкм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в каждом окне и островке формируют центральную часть как одну из девяти его равных частей квадратной формы, причем в каждом
окне в виде дополнительного островка, а в каждом островке в виде дополнительного окна.
Фиг. 1
BY 15475 C1 2012.02.28
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что необходимое количество раз в каждой из
частей, кроме центральной, формируют дополнительную центральную часть как одну из
девяти ее равных частей квадратной формы, причем в каждом окне в виде дополнительного островка, а в каждом островке в виде дополнительного окна.
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.
2
BY 15475 C1 2012.02.28
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
прибора, когда практически все высокотемпературные операции уже выполнены. Рассматриваемый способ формирования покрытия не обеспечивает активной защиты 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 (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 формируемого покрытия по защите активной структуры от неконтролируемых примесей.
Поставленная задача решается тем, что в способе формирования функционального покрытия для полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001), включающем
окисление поверхности пластины толщиной t до достижения толщины диоксида кремния
от 0,5 до 2,5 нм и нанесение слоя нитрида кремния, функциональное покрытие формируют на нерабочей стороне пластины, а слой нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм
путем травления разделяют на чередующиеся в шахматном порядке элементы в виде окон
и островков этого слоя квадратной формы, причем стороны элементов ориентируют в
кристаллографических направлениях типа <100>, а длину стороны выбирают из интервала
от 0,25t до 0,80t, после чего проводят локальное окисление кремния до достижения толщины диоксида кремния от 0,1 до 2,0 мкм,
а также тем, что в каждом окне и островке формируют центральную часть как одну из
девяти его равных частей квадратной формы, причем в каждом окне в виде дополнительного островка, а в каждом островке в виде дополнительного окна,
а также тем, что необходимое количество раз в каждой из частей, кроме центральной,
формируют дополнительную центральную часть как одну из девяти ее равных частей
квадратной формы, причем в каждом окне в виде дополнительного островка, а в каждом
островке в виде дополнительного окна.
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.
3
BY 15475 C1 2012.02.28
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.
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 получаемом
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 приводят 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 получаемого покрытия предупреждает образование дислокаций в центральной части элемента пленки нитрида кремния. Диоксид кремния в данном случае выполняет функцию переходного и демпфирующего слоя. Локальное окисление вскрытых
областей кремния усиливает описываемые процессы за счет того, что локальные островки
нитрида кремния способствуют углублению получаемого диоксида кремния в подложку,
что приводит к возникновению дополнительных 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 покрытия 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 островков 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
4
BY 15475 C1 2012.02.28
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 генерируемые 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 получаемого покрытия.
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 (Si3N4 или SiO2, что то же самое,
поскольку плоскости скольжения генерируемых дислокаций наклонены под углами как
+45°, так и -45°), образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Вершины этих пирамидальных дефектов являются точками концентрации механических
напряжений, что приводит к формированию новых элементов дислокационной структуры.
Совокупность вершин четырех ближайших 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 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 элемента рисунка (как Si3N4, так и SiO2) с размером стороны a
на 9 равных частей квадратной формы и замена центральной части на контрастную по отношению к данному элементу приводят к возникновению нового элемента (Si3N4 в случае
выбора в качестве первичного элемента SiO2 и, соответственно, SiO2 в случае выбора
Si3N4) с размером стороны, равным 1/3a. При этом образуется новый, второй уровень элементов рисунка, сопровождающийся возникновением новых границ. Возникновение но5
BY 15475 C1 2012.02.28
вых границ, в свою очередь, сопровождается генерацией дислокаций вдоль этих границ.
Однако, поскольку линейные размеры элементов второго уровня в 3 раза меньше размеров элементов первого уровня (т.е. первичных элементов), глубина проникновения генерируемых ими дислокаций в пластину соответственно уменьшается. Совокупность
плоскостей скольжения, генерируемых некоторым выбранным вновь образованным элементом, также образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность всех вновь образованных элементов рисунка 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 от
глубины проникновения дефектов предыдущего уровня.
Дальнейшее разделение оставшихся восьми частей первичных элементов пленки по
тому же правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной части
на контрастную) приводит к формированию следующего уровня дислокационной структуры. Глубина его залегания определяется размерами вновь образованных элементов и
составляет 1/3 от глубины залегания дефектов предыдущего уровня.
С каждым новым этапом формирования элементов возникает все новый уровень дислокационной структуры. Фрактальный характер рисунка получаемого покрытия 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. Точки пересечения плоскостей скольжения дислокаций являются точками концентрации механических напряжений, что приводит к самоформированию новых элементов
дислокационной структуры. В результате такого взаимодействия образуется дислокационная сеть, плотность которой увеличивается при приближении к нерабочей стороне пластины, а максимальная глубина проникновения определяется размерами первичных элементов.
Таким образом, расположение элементов рисунка покрытия, полученного в соответствии с заявляемым способом, приводит к самоформированию дислокационной структуры
в объеме кремниевой пластины.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислокаций составляет величину, равную длине стороны первичного элемента рисунка a, что соответствует удвоенной высоте пирамидальных дефектов. Эта глубина h не должна
превышать толщину пластины t, т.е. a≤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≤0,80t.
Минимальное значение длины стороны а первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально установленным минимальным значением является a = 0,25t, при котором примерно четверть
объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения а 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, представляю6
BY 15475 C1 2012.02.28
щий 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 составляет 1/3a. Повторное разделение каждой
из оставшихся восьми частей элемента рисунка опять таки на 9 равных частей квадратной
формы и замена центральных вновь образованных частей на контрастные приводят к образованию восьми новых элементов с длиной стороны (1/3)2a. В целом длину стороны элемента можно выразить как an = (1/3)(n-1)a, где n - порядковый номер уровня элемента,
причем для первичного элемента 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 покрытии при этом не зависит от количества уровней элементов, поскольку осуществляется в едином технологическом цикле.
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. 1-7. На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка получаемого покрытия, состоящее из первичных элементов в
виде островков пленок нитрида и диоксида кремния квадратной формы с длиной стороны
а, чередующихся в шахматном порядке по отношению друг к другу. На фиг. 2 приведено
изображение рисунка, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго уровня путем их разделения на 9 равных квадратных частей и замены центральной части на контрастную. Длина стороны вновь образованного элемента составляет
1/3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка покрытия, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы элементы второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка, 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. 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 приведено схематическое изображение элементов дислокационной
структуры, образованной плоскостями скольжения {110} дислокаций, генерируемых четырьмя соседними первичными элементами рисунка (в данном случае эти элементы приведены в координатах XYZ и вписаны в куб, представляющий собой множество
элементарных ячеек кристаллической решетки кремния, количество которых увеличено в
8 раз по отношению к изображению, приведенному на фиг. 5). Из фиг. 6 видно, что вер7
BY 15475 C1 2012.02.28
шины пирамидальных дефектов, образованных первичными элементами, определяют границы основания (выделено пунктирной линией) самоформирующегося пирамидального
дефекта с вершиной в точке O. На фиг. 7 схематически изображено сечение полупроводниковой кремниевой пластины ориентации (001) в плоскости (100) с нанесенным на нее
покрытием, полученным в соответствии с заявляемым способом. Дислокационная структура в объеме пластины сформирована в результате релаксации механических напряжений, внесенных покрытием с рисунком, приведенным на фиг. 3, и соответствует виду
AA*. На фиг. 7 приняты следующие обозначения: 1 - полупроводниковая пластина толщиной t, 2 - активные элементы формируемых полупроводниковых приборов. На нерабочей стороне пластины расположены первичные элементы пленки нитрида и диоксида
кремния с длиной стороны а, элементы второго уровня с размером стороны a/3 в виде островков нитрида кремния 3 и островков диоксида кремния 3*, а также элементы третьего
уровня с размером стороны a/9 в виде островков нитрида кремния 4 и островков диоксида
кремния 4*. Жирными линиями обозначены плоскости скольжения дислокаций, генерируемые краями элементов рисунка и пересекающиеся друг с другом с образованием пирамиды, основанием которой является элемент рисунка (Si3N4 или SiO2). Тонкими линиями
обозначены остальные плоскости скольжения. Из фиг. 7 видно, что глубина проникновения дислокаций, генерируемых первичным элементом, размер которого максимален, составляет h1 = a, глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом второго
уровня, составляет h2 = a/3, глубина проникновения дислокаций, генерируемых элементом
третьего уровня, составляет h3 = a/9 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
самоформирующихся областей со структурой областей, образованных непосредственно
элементами рисунка (выделено жирными линиями), показывает их идентичность. Как
видно из фиг. 7, 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.
Полученное в соответствии с заявляемым способом 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. Наличие демпфирующего слоя диоксида кремния толщиной 0,5-2,5 нм 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
8
BY 15475 C1 2012.02.28
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 покрытия, полученного в соответствии
с заявляемым способом, 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 КЭФ 4,5 ориентации (001) и толщиной t = 460 мкм, предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. Расчетными значениями размера а первичного элемента являются
величины 0,25t = 115 мкм до 0,8t = 368 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. Локальное окисление открытых областей кремния проводили под давлением
на установке "Термоком-М". Характеристики полученного покрытия приведены в таблице. После этого на рабочей стороне пластин изготавливали тестовые p-n-переходы. Для
оценки функциональных возможностей полученного 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
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.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом расширить функциональные возможности покрытия по защите активных элементов
от неконтролируемых примесей.
9
BY 15475 C1 2012.02.28
Влияние режимов формирования покрытия на характеристики тестовых структур
Толщина
пленки
№
нитрида
п/п
кремния,
мкм
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
0,05
0,1
0,3
0,4
0,6
0,3
Плотность дефектов
Размер
Количе- Ориенна рабочей стороне
Толщина
первичство
тация
Припластины, см-2
диоксида
ного
уровней сторон U1, В U2, В
мечадефеккремния,
дисмиктов упаэлеменэлемен- элеменлокароде- ние
мкм
упата, мкм
тов
тов
ций
фектов
ковки
250
0,8
3
<100>
250
0,8
3
<100>
0,8
0,8
3
3
<100>
<100>
0,8
3
<100>
0,3
0,05
250
70
115
250
368
600
250
3
3
<100>
<100>
0,3
250
3
<100>
0,3
250
0,8
0,05
0,1
2,0
3,0
<100>
0,3
250
0,8
0,3
250
0,8
Прототип
3
1
2
3
4
5
3
0,3
<100>
<110>
35,1
49,8
49,7
48,5
39,9
43,1
48,5
50,2
49,5
44,6
40,5
49,7
48,3
43,9
49,0
49,0
47,9
48,5
51,2
17,5
35,2
28,0
48,4
47,8
47,9
33,2
38,5
48,0
49,7
47,5
37,4
35,6
48,0
47,5
39,0
48,1
47,9
47,0
47,2
49,3
11,7
17,1
7×102
8×100
3×101
4×101
2×103
1×102
2×101
2×101
3×101
2×102
5×102
3×101
5×101
2×103
8×100
5×101
8×100
1×101
7×100
5×105
5×103
2×101
1×101
1×101
3×101
3×102
1×102
2×103
3×101
5×100
3×101
5×102
3×102
3×101
5×101
5×101
2×102
3×102
5×101
9×100
3×102
5×101
7×100
1×101
3×101
8×100
5×105
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 3
фиг. 1
фиг. 2
фиг. 3
фиг. 4
фиг. 3
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. 2
Фиг. 3
10
BY 15475 C1 2012.02.28
Фиг. 4
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
11
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
2 001 Кб
Теги
by15475, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа