close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Патент BY 15190

код для вставкиСкачать
ОПИСАНИЕ
ИЗОБРЕТЕНИЯ
К ПАТЕНТУ
РЕСПУБЛИКА БЕЛАРУСЬ
(46) 2011.12.30
(12)
(51) МПК
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР
ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ
СОБСТВЕННОСТИ
(54)
H 01L 21/302
(2006.01)
СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛАСТИН
КРЕМНИЯ ОРИЕНТАЦИИ (111)
(21) Номер заявки: a 20091671
(22) 2009.11.25
(43) 2011.06.30
(71) Заявитель: Государственное научное
учреждение "Физико-технический
институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(72) Автор: Сенько Сергей Федорович
(BY)
BY 15190 C1 2011.12.30
BY (11) 15190
(13) C1
(19)
(73) Патентообладатель: Государственное
научное учреждение "Физико-технический институт Национальной академии
наук Беларуси" (BY)
(56) BY 7946 C1, 2006.
RU 2086039 C1, 1997.
JP 9162278 A, 1997.
US 2005/0064723 A1.
US 5500389 A, 1996.
(57)
1. Способ изготовления полупроводниковых пластин кремния ориентации (111), при
котором ориентируют слиток кремния в плоскости реза, выполняют резку слитка на пластины, удаляют нарушенный слой и полируют поверхность пластин до толщины t, отличающийся тем, что после полировки на нерабочую поверхность пластин наносят пленку
нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм, в которой формируют методом фотолитографии
рисунок в виде островков, выполненных в форме правильных треугольников с длиной
стороны, выбранной из интервала (0,3-1,0)t, при ориентации сторон в кристаллографических направлениях <110> и расстоянием между сторонами соседних островков
10-100 мкм, после чего проводят локальное окисление открытых участков кремния с образованием диоксида кремния толщиной 0,1-2,0 мкм.
2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что элементы рисунка в виде островков разделяют на элементы меньших размеров путем последовательного вписывания в них дополнительных окон или дополнительных окон и островков при сохранении упомянутых
формы и ориентации сторон вновь образованных элементов.
Фиг. 2
BY 15190 C1 2011.12.30
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
(111), получаемые из кремния, выращенного методом Чохральского, и содержащие в качестве загрязняющих примесей преимущественно кислород и углерод. Воздействие на
пластину разнообразных технологических сред при различных температурах, контакт с
технологической оснасткой, изготовленной из различных материалов, приводят к неконтролируемому загрязнению пластин металлами. 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 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 достигает 106 см-2 и более. В результате
образования этих дефектов характеристики изготавливаемых приборов ухудшаются, а выход годных изделий снижается.
2
BY 15190 C1 2011.12.30
Таким образом, недостатком прототипа является низкая устойчивость пластин ориентации (111) к дефектообразованию в процессе изготовления полупроводниковых приборов.
Задачей заявляемого изобретения является повышение устойчивости пластин ориентации (111) к образованию преципитатов примесей.
Поставленная задача решается тем, что в способе изготовления полупроводниковых
пластин кремния ориентации (111), при котором ориентируют слиток кремния в плоскости реза, выполняют резку слитка на пластины, удаляют нарушенный слой и полируют
поверхность пластин до толщины t, после полировки на нерабочую поверхность пластин
наносят пленку нитрида кремния толщиной 0,1-0,4 мкм, в которой формируют методом
фотолитографии рисунок в виде островков, выполненных в форме правильных треугольников с длиной стороны, выбранной из интервала (0,3-1,0)t, при ориентации сторон в кристаллографических направлениях <110> и расстоянием между сторонами соседних
островков 10-100 мкм, после чего проводят локальное окисление открытых участков
кремния с образованием диоксида кремния толщиной 0,1-2,0 мкм,
а также тем, что элементы рисунка в виде островков разделяют на элементы меньших
размеров путем последовательного вписывания в них дополнительных окон или дополнительных окон и островков при сохранении упомянутых формы и ориентации сторон вновь
образованных элементов.
Сущность заявляемого технического решения заключается в поглощении неконтролируемых примесей управляемой сеткой дислокаций, индуцированной элементами рисунка
в пленке нитрида 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 пленке нитрида
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 К-1 для Si3N4 [7] и 3,72×10-6 К-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. Локальное окисление незащищенных нитридом
участков кремниевой пластины усиливает описываемые процессы за счет того, что углубленный в подложку локальный диоксид кремния 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.
Стороны топологических элементов на поверхности пластины ориентации (111) могут
быть выполнены в одном из двух основных типов кристаллографических направлений <112> или <110>. Угол между этими направлениями составляет 30°. Все остальные
направления являются промежуточными. Если топологический элемент имеет углы, равные 2n×30° (где n - целое число), он может быть ориентирован строго в кристаллографических направлениях одного типа. Если островок или окно имеет прямоугольную форму
3
BY 15190 C1 2011.12.30
(с углами 90°≠2n×30°), его смежные стороны могут быть ориентированы либо одновременно в направлениях двух рассматриваемых типов, либо в промежуточных направлениях. Такая форма элементов не соответствует заявляемому техническому решению. А если
же они имеют форму правильного треугольника (n = 1) или шестиугольника (n = 2), все их
стороны могут быть ориентированы в кристаллографических направлениях только одного
типа. Поскольку шестиугольник является линейной комбинацией треугольников, единственной рассматриваемой формой элементов формируемого рисунка в нитриде кремния
является правильный треугольник.
Известно, что в кремнии основными плоскостями скольжения дислокаций являются
кристаллографические плоскости типа {111} и {110}. В пластине ориентации (111) плоскости типа {111} расположены под углами α1 = 0° (т.е. параллельно поверхности, в данном случае это плоскость ( 1 1 1 ) , находящаяся в двойниковой ориентации по отношению
к рабочей поверхности) и α2 = 70°32' к плоскости пластины, а плоскости типа {110} расположены под углами α3 = 90° (т.е. перпендикулярно поверхности, а именно плоскости
(1 1 0) , (10 1 ) и (01 1 ) ) и α4 = 35°16' (а именно плоскости (110), (101) и (011)) к поверхности пластины.
В случае ориентации сторон элементов рисунка в пленке нитрида кремния в кристаллографических направлениях типа <112> генерация дислокаций энергетически наиболее
выгодна в плоскостях (1 1 0) , (10 1 ) и (01 1 ) , расположенных перпендикулярно поверхности пластины, т.к. энергия образования этих дислокаций минимальна. При этом дислокации практически беспрепятственно прорастают на рабочую поверхность, приводя ее в
негодность для формирования активных элементов полупроводниковых приборов.
Ориентация сторон элементов рисунка в пленке нитрида кремния в направлениях
[1 1 0] , [10 1 ] и [01 1 ] позволяет сформировать сетку дислокаций в плоскостях (110) и
(11 1 ) , (101) и (1 1 1) , (011) и ( 1 11) попарно, соответственно кристаллографическому
направлению ориентации стороны элемента. Генерация дислокаций именно в этих плоскостях в данном случае энергетически наиболее выгодна и обусловлена тем, что возникающие от механических напряжений на границе элемента изгибающие моменты
перпендикулярны границе этого элемента.
Совокупность плоскостей {111} скольжения дислокаций, формируемых единичным
первичным элементом рисунка в пленке нитрида кремния, образует правильный тетраэдр
с основанием, совпадающим с этим элементом, а совокупность плоскостей скольжения
{110} образует тетраэдр с тем же основанием, но меньшей высоты. Пересечение рассматриваемых плоскостей скольжения приводит к блокированию дислокаций, скользящих в
пересекающихся плоскостях с образованием дислокационных полупетель, закрепленных
концами на обратной стороне пластины. Фактически образуется новый элемент структуры тетраэдрический дефект упаковки, который, в зависимости от локальной плотности дислокаций, может быть полным или частичным. Эффективность поглощения неконтролируемых примесей дефектами упаковки значительно выше, чем дислокациями, что
обеспечивает качественно новый уровень устойчивости пластин к дефектообразованию.
Совокупность всех первичных элементов пленки нитрида кремния приводит к образованию дислокационной сетки, состоящей из множества одинаковых двойных тетраэдров.
Любой элемент рисунка в пленке нитрида кремния, выбранный в качестве центрального, окружен тремя боковыми соседними элементами, которые отделены от него полосками локального диоксида кремния и находятся по отношению к нему в двойниковой
ориентации. Стороны этих элементов ориентированы в кристаллографических направлениях одного и того же типа <110>, но их углы ориентированы в неравнозначных взаимно
противоположных направлениях типа <112>. При ориентации углов элементов в направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] плоскости скольжения {111} и {110} пересекаются с обра4
BY 15190 C1 2011.12.30
зованием тетраэдров внутри объема пластины. При ориентации углов элементов в направлениях [11 2 ] , [12 1] и [ 2 11] расположение плоскостей скольжения {111} и {110} таково,
что они пересекаются с образованием тетраэдров вне объема пластины. Совокупность
плоскостей скольжения, формируемых тремя соседними по отношению к центральному
(при ориентации его углов в направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] ) элементами, приводит
к образованию в объеме пластины дополнительного тетраэдрического купола над тетраэдром плоскостей скольжения, образованным центральным элементом. При этом пересечение плоскостей скольжения {111} и {110}, образованных центральным и боковыми
элементами, происходит на высоте, меньшей высоты пересечения таких же плоскостей
скольжения, но образованных только боковыми элементами. Этот факт, а также то, что
боковые элементы не связаны между собой, приводит к тому, что упомянутый купол образуется неполным, а глубина проникновения дислокаций вглубь пластины от боковых
элементов при этом не превышает глубины проникновения дислокаций от центрального
элемента.
Разделение первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньших размеров путем последовательного вписывания друг в друга островков и окон при соблюдении кристаллографической ориентации их сторон приводит к увеличению плотности
формируемой дислокационной сетки и, соответственно, к повышению эффективности поглощения неконтролируемых примесей. Вновь образующиеся окна также подвергаются
локальному окислению с образованием углубленного в подложку диоксида кремния. При
этом форма вновь образующихся элементов пленки нитрида кремния повторяет форму
первичных элементов, т.е. они также являются правильными треугольниками. В треугольный островок вписывается треугольное окно, а в треугольное окно затем вписывается треугольный островок. Вписывание в треугольный островок треугольного окна приводит к
образованию трех новых островков и одного нового окна. Вписывание в треугольное окно
треугольного островка приводит к образованию трех новых окон и одного нового островка. Последовательное повторение этих действий приводит к образованию своеобразной
фрактальной структуры как пленки нитрида кремния, так и образующейся впоследствии
дислокационной сетки. Такие структуры очень устойчивы и склонны к самоформированию, что значительно повышает их эффективность.
Совокупность плоскостей скольжения дислокаций, формируемую такой фрактальной
структурой, можно описать следующим образом. Вначале формируется сетка "сдвоенных
тетраэдров" с основанием, совпадающим с первичным элементом пленки нитрида кремния (при ориентации его углов в направлениях [ 1 1 2] , [ 1 2 1 ] и [2 1 1 ] ). При первом разделении первичных элементов пленки нитрида кремния на элементы меньшего размера в
объеме кремниевой пластины формируется новый уровень сетки дислокаций, представляющий собой также тетраэдры, но площадь их основания уже в 41 раза меньше. При втором разделении элементов образуется 42 элементов, площадь основания которых в 42 раза
меньше по отношению к первичному тетраэдру и т.д. Высота тетраэдров каждый раз
уменьшается в 2 раза. При этом вершины тетраэдров одного уровня находятся на одной и
той же высоте и лежат в плоскости (111), которая также является плоскостью скольжения,
что приводит к образованию нового элемента дислокационной структуры - октаэдра. Его
можно рассматривать также как фигуру, образованную в результате пересечения двух
тетраэдров. Основание первого тетраэдра совпадает с первичным элементом в пленке
нитрида кремния. Основание второго тетраэдра лежит на высоте, равной половине высоты
первого тетраэдра, находится в двойниковой ориентации по отношению к основанию первого тетраэдра, а его вершина обращена в сторону нерабочей поверхности пластины. Грани этого второго тетраэдра частично образованы гранями тетраэдров, основания которых
совпадают с вновь образованными (т.е. образованными в результате вписывания нового
элемента) элементами рисунка в пленке нитрида кремния. Очевидно, что образование
5
BY 15190 C1 2011.12.30
второго тетраэдра и октаэдра происходит за счет явления самоформирования. Аналогично
происходит формирование дислокационной структуры в плоскостях {110}. Вершины тетраэдров, образованные плоскостями скольжения {110}, находятся на одинаковой высоте и
лежат в плоскости (111). Это приводит к самоформированию вторичных тетраэдров,
находящихся в двойниковой ориентации по отношению к первичным, и обращенных вершиной в сторону нерабочей поверхности пластины. Пересечение совокупностей тетраэдров, образованных плоскостями скольжения {111} и {110}, обеспечивает получение
устойчивой взаимосвязанной структуры, состоящей из дислокаций и дефектов упаковки и
управляемой параметрами рисунка в пленке Si3N4.
Дальнейшее разделение элементов рисунка в пленке нитрида кремния приводит к образованию следующего уровня дислокационной сетки. Закономерности его образования
аналогичны описанным выше. Этот уровень встраивается в предшествующий, образованный более крупными элементами, поскольку имеет общие с ним плоскости скольжения,
но характеризуется большей плотностью дислокаций и расположен на меньшей глубине.
Количество таких уровней подбирается опытным путем с учетом требуемой эффективности поглощения неконтролируемых примесей. Иначе, зависит от качества исходного материала, чистоты применяемых реактивов, длительности и сложности технологического
цикла изготовления активной структуры и т.п.
Заявляемое техническое решение предполагает разделение первичных элементов рисунка в пленке нитрида кремния последовательным вписыванием как однотипных, так и
разнотипных элементов. Внешний вид формируемой структуры в обоих случаях несколько отличается (см. ниже), однако, как показали экспериментальные исследования, различия в их эффективности для решения поставленной задачи не замечено.
Естественно, что элементы пленки нитрида кремния меньшего размера приводят к
возникновению механических напряжений, величина которых уменьшается пропорционально размеру этих элементов. Кроме того, пересечение плоскостей скольжения дислокаций, генерируемых различными элементами различного уровня, приводит к их
взаимному блокированию и образованию дислокационных полупетель. Поэтому разделение первичных элементов рисунка на более мелкие не приводит к прорастанию дислокационной структуры на рабочую поверхность. Каждой совокупности элементов рисунка
одинакового размера соответствует дислокационная сетка, проникающая на некоторую
глубину, зависящую от размеров этих элементов. С уменьшением размеров, обусловленным последовательным вписыванием все новых элементов, глубина соответствующей им
дислокационной сетки становится меньше, а ее плотность, обусловленная возрастанием
количества элементов, возрастает. Одновременное наличие элементов рисунка различного
размера обеспечивает формирование результирующей дислокационной сетки, представляющей собой множество сеток, соответствующих этим элементам и встроенных друг в
друга в определенном порядке. В результате в объеме пластины формируется устойчивая
сетка дислокаций, плотность которой возрастает при приближении к обратной стороне
пластины.
Экспериментально установлено, что практически все дислокации блокируются на
глубине а, соответствующей пересечению плоскостей скольжения {111} дислокаций, генерируемых первичным элементом в пленке нитрида кремния с длиной стороны d, т.е.
равной высоте тетраэдра, которая составляет:
a = d×sin (90°–35°16') ≈ 0,82d.
Эта глубина не должна превышать толщину пластины t. Отсюда следует, что длина
стороны d элемента в пленке нитрида кремния не должна превышать t/0,82 ≈ 1,2t. С учетом глубины активной структуры и допусков на разброс толщины пластины это требование ужесточается до значения 1,0t.
Минимальное значение длины стороны d первичных элементов определяется долей
объема пластины, которую занимает дислокационная структура. Экспериментально уста6
BY 15190 C1 2011.12.30
новленным минимальным значением является d = 0,3t, при котором примерно четверть
объема пластины занята дислокациями. Меньшие значения d приводят к заметному снижению эффективности поглощения неконтролируемых примесей.
Размер элементов следующего уровня, на которые затем разделяют первичные элементы, определяется размером первичного элемента. Так, каждый правильный треугольник, представляющий собой первичный элемент, в соответствии с заявляемым
техническим решением может быть разделен ровно на 4 элемента одинакового размера. А
каждый из этих вновь полученных элементов, в свою очередь, также может быть разделен
опять-таки на 4 элемента еще меньшего размера и т.д. Минимальный размер элементов
рисунка при этом, в принципе, ограничен только возможностями технологического оборудования. Однако, как показывает практика, для решения поставленной в данном случае
задачи достаточно, как правило, до трех уровней вписанных элементов. Внешний вид
структур различного уровня приведен несколько ниже. Трудоемкость формирования рисунка в пленке нитрида кремния при этом не зависит от минимального размера элементов.
Расстояние l между первичными островками пленки 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 тетраэдров. Процессы самоформирования обрываются на границе этих тетраэдров,
единая устойчивая структура не образуется.
Толщина пленки нитрида кремния менее 0,1 мкм, например 0,05 мкм, не обеспечивает
достаточно высокого уровня механических напряжений, необходимых для формирования
дислокационной структуры. Дислокационная сетка получается неплотной, процессы самоформирования практически отсутствуют, поэтому эффективность этой структуры очень
мала. Толщина пленки нитрида кремния более 0,4 мкм, например 0,6 мкм, приводит к генерации дислокаций не только по краю, но и внутри элементов. Внутри элементов они образуются преимущественно в плоскостях (1 1 0) , (10 1 ) и (01 1 ) , перпендикулярных
поверхности пластины, что является неприемлемым.
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. 1-7.
7
BY 15190 C1 2011.12.30
На фиг. 1 приведено схематическое изображение рисунка в пленке нитрида кремния,
состоящее из первичных элементов в виде островков нитрида кремния с длиной стороны d
и разделяющих дорожек пленки диоксида кремния шириной l. На фиг. 2 приведено изображение рисунка в пленке нитрида кремния, состоящее из первичных элементов, разделенных на элементы меньшего размера путем вписывания окон. На фиг. 3 приведены
варианты получаемого рисунка в пленке нитрида кремния после следующих этапов разделения элементов. В разных рядах элементов приведены изображения, получаемые последовательным вписыванием однотипных (только окна, ряды 1 и 2) и разнотипных (окна и
островки, ряды 3 и 4) элементов. На фиг. 4 приведено схематическое изображение элемента дислокационной структуры, образованной плоскостями скольжения {111} дислокаций,
генерируемых первичным элементом рисунка. Для наглядности этот элемент приведен в
координатах XYZ и вписан в куб, представляющий собой множество элементарных ячеек
кристаллической решетки кремния, а соответствующие ему плоскости скольжения выделены заливкой. Элементы дислокационной структуры, образованные плоскостями скольжения {110}, по своей форме аналогичны элементам, образованным плоскостями {111},
но имеют меньшую высоту и находятся внутри последних. Во избежание загромождения
рисунка здесь и на последующих фиг. 5 и 6 они не показаны. На фиг. 5 приведено изображение элементов дислокационной структуры, образованных плоскостями скольжения
{111} вблизи поверхности пластины, после разделения первичного элемента на элементы
меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдра, изображенного на фиг. 4.
На фиг. 6 приведено изображение элементов дислокационной структуры, образованных
плоскостями скольжения {111}, после второго разделения первичного элемента на элементы меньшего размера. Эти тетраэдры находятся внутри тетраэдров, изображенных на
фиг. 5. На фиг. 7 схематически изображена дислокационная структура, сформированная в
результате релаксации механических напряжений, внесенных пленкой нитрида кремния и
локальным диоксидом кремния с рисунком, приведенным на фиг. 2, и соответствующая
виду АА*. Сплошными линиями изображены плоскости скольжения дислокаций, соответствующие первичным элементам рисунка в пленке нитрида кремния. Штрихпунктирными
линиями изображены плоскости скольжения, соответствующие элементам, полученным в
результате разделения первичных элементов на элементы меньшего размера. Плоскости
скольжения, соответствующие элементам второго плана, изображены линиями, состоящими из точек. Плоскости скольжения, соответствующие процессам самоформирования
дислокационной структуры, изображены пунктирными линиями. Из фиг. 7 видно, что тетраэдры, образованные плоскостями {110} от первичных элементов, пересекают тетраэдры, образованные плоскостями {111} от вторичных элементов и т.д. За счет этого
происходит своеобразная сшивка всей дислокационной сетки, обеспечивающая повышение ее устойчивости.
Таким образом, полученная дислокационная сетка представляет собой сложную организованную структуру, состоящую из множества тетраэдров, образованных плоскостями
скольжения (111) и (110), причем плотность дислокаций увеличивается при приближении
к нерабочей стороне пластины.
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. 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
8
BY 15190 C1 2011.12.30
примесей перераспределяется в соответствии с существующей в объеме пластины плотностью ненасыщенных химических связей. Поскольку плотность таких связей в области
сформированной дислокационной сетки на несколько порядков превышает их плотность в
приповерхностной области, неконтролируемые примеси практически полностью концентрируются в объеме пластины, а ее рабочая поверхность остается чистой. Отсутствие неконтролируемых примесей вблизи рабочей поверхности заявляемой пластины
обеспечивает и отсутствие их преципитации, т.е. дефекты на рабочей поверхности не образуются. Таким образом, устойчивость пластины к образованию кристаллографических
дефектов в процессе изготовления активных элементов полупроводниковых приборов
значительно возрастает.
Испытания пластин на устойчивость к образованию преципитатов неконтролируемых
примесей проводили следующим образом.
Для исследований использовали слитки кремния марки 100 КДБ 10 ориентации (111),
предварительно отсортированные по завышенному содержанию неконтролируемых примесей. При помощи рентгеновской установки "УРС-60И" слитки ориентировали в плоскости реза и выполняли на них базовые и маркировочные срезы. Далее слитки приклеивали
к графитовой оправке и устанавливали на станок для резки слитков полупроводниковых
материалов на пластины "Алмаз-6М". 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 d первичного элемента являются величины от 0,3t = 135 мкм до
1,0t = 450 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 диоксид и нитрид кремния и подвергали травлению в травителе Сиртла для
выявления кристаллографических дефектов на рабочей стороне структур. Плотность микродефектов, отражающих наличие неконтролируемых примесей, а также плотность дислокаций определяли методом оптической микроскопии при увеличении 250x. Результаты
контроля приведены в таблице.
9
№
п/п
BY 15190 C1 2011.12.30
10
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 характеристик пленки нитрида кремния на устойчивость пластин к дефектообразованию
Толщина
Размер перТолщина
Количество
Расстояние межОриентация Плотность
Плотность
пленки нитри- вичного
пленки диокуровней
ду первичными
сторон эле- дислокаций, микродефекПримечание
да кремния,
элемента,
сида кремния, вписанных
-2
-2
элементами, мкм
ментов
см
тов, см
мкм
мкм
мкм
элементов
0,05
250
50
0,2
2
<110>
3x102
7x103
1
0,1
5x10
5x101
250
50
0,8
2
<110>
0,3
3x101
7x101
0,4
1x101
9x101
3
0,6
250
50
0,8
2
<110>
2x10
8x102
0,3
50
50
0,8
2
<110>
7x101
5x103
1
135
2x10
4x101
0,3
50
1,0
2
<110>
250
2x101
2x101
450
4x101
8x101
3
0,3
600
50
1,0
2
<110>
5x10
6x101
0,3
250
5
1,0
2
<110>
3x103
1x101
8x101
10
9x101
1
0,3
250
50
1,0
2
<110>
7x10
4x101
100
3x101
7x101
0,3
250
200
1,0
2
<110>
6x101
1x103
2
0,3
250
50
0,05
2
<110>
1x10
8x103
0,3
0,1
7x101
2x101
250
50
2
<110>
1
2,0
5x10
5x101
0,3
250
50
3,0
2
<110
1x103
5x102
9x101
8x101
фиг. 1
1
1
1
6x10
2x10
фиг. 2
0,3
250
50
1,0
2
<110>
2x101
1x101
фиг. 3, строка 1
3
1x101
1x101
фиг. 3, строка 2
1
1
2
3x10
2x10
фиг. 3, строка 3
0,3
250
50
1,0
2
<112>
5x105
Прототип
1x103
5x105
BY 15190 C1 2011.12.30
Из приведенных данных видно, что при использовании заявляемого технического решения устойчивость пластин к дефектообразованию значительно возрастает. Ориентация
сторон элементов рисунка в направлениях типа <112> 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.
Источники информации:
1. ЕТО.035.578 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
2. ЕТО.035.206 ТУ. Пластина кремния монокристаллическая.
3. ЕТО.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. 2
Фиг. 3
Фиг. 4
BY 15190 C1 2011.12.30
Фиг. 5
Фиг. 6
Фиг. 7
Национальный центр интеллектуальной собственности.
220034, г. Минск, ул. Козлова, 20.
12
Документ
Категория
Без категории
Просмотров
0
Размер файла
953 Кб
Теги
15190, патент
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа