close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY15592

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/302 (2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
КРЕМНИЯ ОРИЕНТАЦИИ (001)
(21) Номер заявки: a 20100372
(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 15592 C1 2012.04.30
BY (11) 15592
(13) C1
(46) 2012.04.30
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии наук Беларуси" (BY)
(56) BY 7946 C1, 2006.
RU 93048197 A, 1995.
JP 63253632 A, 1988.
JP 2164040 A, 1990.
JP 5082526 A, 1993.
(57)
1. Способ изготовления полупроводниковых пластин кремния ориентации (001),
включающий ориентирование слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины,
удаление нарушенного слоя и полировку поверхности пластин до толщины t, отличающийся тем, что после полировки на нерабочую поверхность пластин наносят пленку нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм, в которой методом фотолитографии
формируют рисунок в виде островков упомянутой пленки квадратной формы и открытых
участков кремния между ними в виде дорожек шириной l = 10-100 мкм, причем стороны
островков ориентируют в кристаллографических направлениях <100>, длину стороны выбирают из интервала от 0,2t до (0,8t-l), а на открытых участках кремния выращивают
пленку диоксида кремния толщиной от 0,1 до 2,0 мкм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что упомянутые островки нитрида кремния
дополнительно разделяют на девять равных частей квадратной формы, центральную из
которых удаляют.
Фиг. 4
Фиг. 6
BY 15592 C1 2012.04.30
3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что оставшиеся упомянутые равные части дополнительно разделяют на элементы в виде девяти равных частей аналогичной формы,
центральную из которых удаляют, причем каждые вновь образованные оставшиеся равные части последовательно разделяют на элементы с удалением центрального аналогичным образом требуемое количество раз.
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. Параметры исходной пластины во многом предопределяют
технические характеристики и выход изготавливаемых приборов. Важнейшим показателем качества полупроводниковых пластин является их устойчивость к процессам дефектообразования в процессе формирования активной структуры. Этот параметр отражен
практически во всех нормативных документах, определяющих технические требования к
полупроводниковым пластинам [1-3].
Вначале полупроводниковые подложки изготавливали путем резки монокристалла
кремния на пластины толщиной, обеспечивающей необходимую механическую прочность,
после чего их подвергали химическому травлению для удаления нарушенного слоя [4].
Недостатки полученных пластин связаны с тем, что микронеровности шероховатой
поверхности выступают в роли концентраторов механических напряжений и при проведении высокотемпературных операций в процессе формирования активной структуры полупроводниковых приборов служат источником возникновения кристаллографических
дефектов в приповерхностном объеме пластины. Они приводят к генерации дислокаций,
дефектов упаковки и линий скольжения, которые снижают напряжение пробоя формируемых p-n-переходов и увеличивают токи их утечки. Это не позволяет получить приборы
приемлемого уровня качества. Важным фактором, влияющим на дефектность рабочей поверхности пластины, является также наличие неконтролируемых загрязнений как в материале пластины, так и в технологических средах, используемых в производстве приборов.
Неконтролируемые примеси накапливаются вблизи рабочей поверхности пластины и приводят к образованию дополнительных дефектов, которые также значительно ухудшают
электрические характеристики получаемых приборов.
Наиболее близким к заявляемому техническому решению, его прототипом является
способ изготовления полупроводниковых пластин кремния, включающий ориентирование
слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины в заданном кристаллографическом направлении, удаление нарушенного слоя химическим травлением и финишную
полировку поверхности пластины [5].
Полировка пластин позволяет заметно повысить качество изготавливаемых приборов
за счет удаления концентраторов напряжений на рабочей поверхности. Однако проблема
неконтролируемых загрязнений этим не решается.
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.
Особенностью распределения этих загрязнений по объему пластины является то, что они
концентрируются в приповерхностных областях. Их растворимость в кремнии сильно зависит от температуры. При нагреве от комнатной температуры до ∼ 1000 °С она повыша2
BY 15592 C1 2012.04.30
ется 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 достигает 106 см-2 и более. В
результате образования этих дефектов характеристики изготавливаемых приборов ухудшаются, а выход годных изделий снижается.
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин ориентации (001) к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин ориентации (001) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковых
пластин кремния ориентации (001), включающем ориентирование слитка кремния в плоскости реза, резку слитка на пластины, удаление нарушенного слоя и полировку поверхности пластин до толщины t, после полировки на нерабочую поверхность пластин наносят
пленку нитрида кремния толщиной от 0,1 до 0,4 мкм, в которой методом фотолитографии
формируют рисунок в виде островков упомянутой пленки квадратной формы и открытых
участков кремния между ними в виде дорожек шириной l = 10-100 мкм, причем стороны
островков ориентируют в кристаллографических направлениях <100>, длину стороны выбирают из интервала от 0,2t до (0,8t-l), а на открытых участках кремния выращивают
пленку диоксида кремния толщиной от 0,1 до 2,0 мкм;
а также тем, что упомянутые островки нитрида кремния дополнительно разделяют на
девять равных частей квадратной формы, центральную из которых удаляют;
а также тем, что оставшиеся упомянутые равные части дополнительно разделяют на
элементы в виде девяти равных частей аналогичной формы, центральную из которых удаляют, причем каждые вновь образованные оставшиеся равные части последовательно разделяют на элементы с удалением центрального аналогичным образом требуемое
количество раз.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтролируемых примесей управляемой самоформирующейся сеткой дислокаций, индуцированной
элементами рисунка в комбинированной пленке нитрида и диоксида кремния.
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 комбинированной пленке нитрида и диоксида кремния.
Нитрид кремния широко используется в электронной технике в качестве конструктивного материала для формирования активных и пассивных элементов. Особенностью пленок нитрида кремния является наличие в них высоких растягивающих напряжений - до
100 ГПа [6], 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 [7] и 3,72×10-6 K-1 для Si [8]), 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. Разделение элементов пленки нитрида кремния дорожками и элементами пленки диоксида кремния усиливает описываемые процессы за счет того, что
3
BY 15592 C1 2012.04.30
локальные островки нитрида кремния способствуют углублению 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 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 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 элементов 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 генерируемые в этих плоскостях дис-
локации 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 и SiO2, расстояние от точки
пересечения рассматриваемых плоскостей скольжения до поверхности пластины зависит
от размера элемента формируемой пленки. Поэтому глубина проникновения дислокаций в
пластину и характеристики дислокационной структуры в целом эффективно управляются
параметрами рисунка в комбинированной пленке нитрида и диоксида кремния.
Выбор квадрата в качестве основного элемента рисунка обусловлен тем, что, вопервых, 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 пленке нитрида кремния, образует пирамиду с основанием, совпадающим с этим элементом. Совокупность
плоскостей (101), (10 1 ), (011) и (0 1 1) скольжения дислокаций, формируемых четырьмя
4
BY 15592 C1 2012.04.30
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 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 островков пленки нитрида кремния и дорожек диоксида кремния
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 островка пленки нитрида кремния с размером стороны а на 9 равных частей квадратной формы и замена центральной части на диоксид кремния (удаление этой
части с последующим выращиванием на этом участке диоксида кремния заданной толщины) приводит к возникновению нового элемента структуры с размером стороны, равным
1/3a. Это окно в пленке нитрида кремния, одновременно являющееся островком пленки
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 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 пленки нитрида кремния
по тому же правилу (разделение на 9 равных квадратных частей и замена центральной
части на 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 уровнем формирования элементов рисунка возникает все новый уровень дислокационной структуры. Одновременное наличие элементов рисунка различного
размера и фрактальный характер их взаимного расположения обеспечивают 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 дисло5
BY 15592 C1 2012.04.30
кации 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 являются точками концентрации механических напряжений, совокупность которых 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.
Увеличение количества уровней элементов при сохранении формы и ориентации сторон вновь образованных элементов приводит к увеличению плотности формируемой дислокационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения
неконтролируемых примесей. При этом образуется своеобразная фрактальная структура
как непосредственно пленки нитрида и диоксида кремния, так и генерируемой ими дислокационной сетки. Такие структуры очень устойчивы и склонны к самоформированию, что
значительно повышает их эффективность.
Таким образом, регулярное расположение элементов пленки нитрида и диоксида кремния
приводит к самоформированию дислокационной структуры в объеме кремниевой пластины.
Экспериментально установлено, что максимальная глубина h проникновения дислокаций составляет величину, равную сумме длины стороны a первичного элемента рисунка в
пленке нитрида кремния и расстояния между ними l, т.е. ширине разделяющей дорожки
пленки диоксида кремния, 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 окна в островке пленки нитрида
кремния или островка диоксида кремния, что то же самое) составляет 1/3a. Повторное
разделение каждой из оставшихся восьми частей островка пленки Si3N4 опять-таки на 9
равных частей квадратной формы и замена центральной части на диоксид кремния приводит к образованию восьми вновь образованных окон с длиной стороны (1/3)2a. В целом
длину стороны элемента можно выразить как аn = (1/3)(n-l)a, 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 пленке нитрида кремния при
6
BY 15592 C1 2012.04.30
этом не зависит от количества уровней элементов, поскольку все они формируются в едином фотолитографическом цикле.
Расстояние l между первичными элементами рисунка в пленке нитрида кремния определяется размерами зоны упругого влияния, возникающей в результате взаимодействия
пленки нитрида кремния 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 пленке 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 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 (110) и (1 1 0 ) , перпендикулярных поверхности
пластины, что является неприемлемым.
Толщина пленки 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 формируемого рисунка в пленке нитрида кремния, состоящее из первичных элементов в виде островков квадратной формы с
длиной стороны a и шириной дорожек диоксида кремния между ними l. На фиг. 2 приведено изображение рисунка в пленке 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 диоксид кремния с образованием элементов с длиной стороны 1\3a. На фиг. 3 приведено изображение рисунка в
пленке нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, в которых сформированы
элементы второго и третьего уровней. На фиг. 4 приведено изображение рисунка в пленке
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. Для наглядности этот элемент
7
BY 15592 C1 2012.04.30
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 получаемой пластины в плоскости
(100). Дислокационная структура в объеме пластины сформирована в результате релаксации механических напряжений, внесенных пленкой нитрида кремния 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 пленки нитрида кремния со вскрытыми в них окнами, которые заполнены диоксидом 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 (островок или окно). 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 h3 = (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 (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.
Полученная дислокационная структура действует следующим образом. 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. Таким образом, устойчивость пластины к образованию
8
BY 15592 C1 2012.04.30
кристаллографических дефектов в процессе изготовления активных элементов полупроводниковых приборов значительно возрастает.
Изготовление и испытания пластин на устойчивость к образованию преципитатов неконтролируемых примесей проводили следующим образом.
Для исследований использовали слитки кремния марки 100 КЭФ 4,5 ориентации (001),
предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. При помощи рентгеновской установки УРС-60И слитки ориентировали в плоскости реза и выполняли на нем базовые и маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали
к графитовой оправке и устанавливали на станок для резки слитков полупроводниковых
материалов на пластины "Алмаз-6M". После резки с пластин снимали фаску и травили их
в 70 % растворе едкого натра для удаления нарушенного слоя. Затем проводили полировку пластин. Толщина t полученных пластин составила 450 мкм. Отсюда расчетными значениями размера a первичного элемента являются величины от 0,2t = 90 мкм до (0,8t-l) =
350 мкм. После защиты рабочей поверхности на установке "Изотрон-4-150" наносили
пленку нитрида кремния требуемой толщины за счет реакции между дихлорсиланом и
аммиаком. Рисунок в пленке нитрида кремния формировали методами стандартной фотолитографии и плазмохимического травления. Затем проводили локальное окисление открытых участков кремния под давлением на установке "Термоком-М" и удаляли защиту с
рабочей поверхности. Характеристики полученной структуры приведены в таблице.
Для оценки устойчивости полученных пластин к дефектообразованию их окисляли в
сухом кислороде в течение 3 часов при температуре 1200 °С на установке АДС 6-100. Затем с них удаляли образовавшийся диоксид кремния и подвергали травлению в травителе
Секко для выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне структур.
Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также
плотность дислокаций и дефектов упаковки определяли методом оптической микроско×
пии при увеличении 250 . Результаты контроля приведены в таблице.
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического решения устойчивость пластин к образованию преципитатов примесей на рабочей стороне
значительно возрастает. Ориентация сторон элементов рисунка в направлениях типа
<110> приводит к значительному повышению плотности дислокаций и дефектов упаковки
на рабочей стороне пластин. Использование запредельных значений заявляемых параметров не позволяет в полной мере решить поставленную задачу.
Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет по сравнению с прототипом повысить устойчивость пластин к дефектообразованию.
9
Влияние характеристик рисунка на устойчивость пластин к дефектообразованию
50
250
50
0,8
3
<100>
3
3
<100>
<100>
0,8
3
<100>
0,8
0,8
3
3
<100>
<100>
0,3
250
0,8
3
<100>
0,3
0,3
0,3
250
250
250
50
50
50
50
10
50
5
10
50
100
200
50
50
0,8
0,8
0,3
0,3
250
50
90
250
350
600
250
0,8
0,05
0,1
2,0
3
3
3
<100>
<100>
<100>
0,3
250
50
3,0
3
<100>
10
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
0,05
0,1
0,3
0,4
0,6
0,3
19
20
21
22
23
24
25
26
0,3
0,3
250
50
0,8
0,3
250
50
0,8
Количество
уровней элементов
Ориентация
сторон элементов
3
<100>
1
2
3
4
5
3
Прототип
10
<100>
<100>
Плотность дефектов на рабочей стороне пластины, см-2
дислокаций
дефектов
упаковки
микродефектов
3×103
5×101
2×101
5×101
9×103
2×103
8×101
4×101
1×102
8×103
1×103
5×101
1×102
6×101
9×102
2×102
7×101
5×101
2×101
3×102
4×101
-
5×103
6×101
4×101
4×100
6×102
7×102
3×101
3×101
2×101
5×102
1×102
4×101
4×101
6×101
1×103
4×102
2×101
5×101
7×102
1×102
1×102
2×101
4×101
5×101
3×101
5×101
5×106
5×103
1×103
1×102
7×101
2×101
5×101
3×100
4×100
5×105
Примечание
Коробление
пластин
фиг. 1
фиг. 2
фиг. 3
фиг. 4
BY 15592 C1 2012.04.30
250
Толщина
пленки диоксида
кремния,
мкм
0,8
Толщина Размер пер- Расстояние между первичнывичного
пленки нит№ п/п
рида крем- элемента, ми элементами,
мкм
мкм
ния, мкм
BY 15592 C1 2012.04.30
Источники информации:
1. ETO.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ETO.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ETO.035.240 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
4. Гаврилов Р.Л. Технология производства полупроводниковых приборов. - М.: Энергия, 1968. - С. 46.
5. Патент РБ 7946, МПК7 H 01L 21/302, 21/304, 21/02, 2006 (прототип).
6. Технология СБИС: В 2-х кн. Кн. 1: Пер. с англ. / Под ред. С. Зи. - М.: Мир, 1986. С. 161.
7. Кислый П.С. Кремния нитрид. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - С. 519.
8. Мильвидский М.Г. Кремний. Химическая энциклопедия. Т. 2. - М.: Советская энциклопедия, 1990. - С. 508-509.
Фиг. 1
Фиг. 3
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
Фиг. 2
Фиг. 5
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
533 Кб
Теги
by15592, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа