1   2   3   4   5
Ім'я файлу: Лекція ф-м. 3.docx
Розширення: docx
Розмір: 1267кб.
Дата: 08.05.2022
скачати
Пов'язані файли:
Документ.docx
Методичні вказівки до лабораторної роботи Дослідження пробивних

1.3 Методи поверхневого травлення напівпровідникових підкладок

Локальне та локально-анізотропне травлення напівпровідників. Травлення монокристалічних напівпровідників у ряді травників має яскраво виражений анізотропний характер, тобто швидкість* процесу суттєво залежить від кристалографічної Орієнтації поверхні розділу напівпровідник - травник.

Припускається, що анізотропія швидкості травлення визначається анізотропією поверхневої енергії монокристала напівпровідника, яка зумовлює залежність адсорбції реагентів та енергії активації гетерогенного процесу розчинення напівпровідника від кристалографічної орієнтації поверхні розділу напівпровідник - травник. Анізотропія травлення може успішно використовуватися в мікроелектроніці. однак цей процес може також супроводжувати процес локального травлення.

Процеси анізотропного травлення складні, гетерогенні і значною мірою залежать не лише від кристалографічної орієнтації поверхні, але й від ряду зовнішніх і внутрішніх факторів. Один з них - анізотропія сорбційних процесів на поверхні напівпровідника. Її можна оцінювати, зокрема, за адсорбцією кисню на чистій поверхні германію, орієнтованій за (100), (110) і (111).

Щоб одержати ймовірну конфігурацію кисневих комплексів на поверхнях (100), (100), (111) необхідно розглянути фізичні та хімічні властивості сполук германію з киснем та врахувати, що комплекси повинні бути вбудовані в кристалічну ґратку.

З обчисленої теплоти утворення Н можливих поверхневих комплексів кисень — германій випливає, що на поверхні (100) утворюються кисневі містки.

Теплоти утворення Н поверхневих комплексів різко відрізняються. Цим, зокрема, пояснюється анізотропія швидкості розчинення напівпровідників.

Адсорбція на поверхні кристала залежить від кількості зв'язків, якими атоми утримуються на поверхні, напрямку цих зв’язків, відстаней між поверхневими атомами. В зв’язку з цим можна припустити, що будь-який процес, зв’язаний з хемосорбцією або розривом зв'язків, буде відбуватися по-різному на різних поверхнях кристала.

Анізотропію процесу травлення можна використовувати для одержання заглиблень потрібної геометрії, тобто для рельєфного анізотропного травлення матеріалу напівпровідника. Запропоновано такий механізм анізотропного травлення кремнію в системі вода - етилендиамін - пірокатехін: іонізація:

H2N(CH2)2NH2+ Н20 H2N(CH2)2NH) +ОН-;

окислювально-відновлювшіьна реакція:

Si + 201-Г + 4Н20 Si(OH)2 + 2Н ;

утворення хелату:

Si(OH)2+ЗС6H4(ОН)2 [Si(C6H402)3]2-+6Н2О;

сумарна реакція:

2NH2(CH2)2NH2 +Si + ЗС6Н4(CН)2 2NH2(CH2)2NH, +[Si(C6H402)3]2' +2H2 ;

Найповільнішою стадією є окислення за умови, що вміст пірокатехіну перевищує певну величину (4 мол.%), в іншому випадку недостатня кількість комплексоутворювача зменшує швидкість травлення.

Особливістю системи вода -- діамін - комплексоутворювач є мала швидкість травлення Si02та багатьох металів, що дозволяє використовувати Si02, а також деякі метали (срібло, золото, мідь, тантал) в якості масок під час анізотропного травлення. Вивчався вплив легування кремнію бором на швидкість травлення його поверхні, орієнтованої в кристалографічній площині (100). Було виявлено незмінність швидкості травлення (-0,014 мкм/с для області з опором від 10-3 до 10-4Ом-м. що відповідає концентрації бору від 2*1020 до 5*1023 м-3). Кремній з високою концентрацією бору (>7*1023 м-3) не розчиняється в травнику наведеного складу.

Відоме використання високолегованого бором шару напівпровідника в якості бар’єра проти впливу анізотропного травника.

Анізотропним травником може бути травник, що складається з гідразину, пропілового сприту і води. Травник містить окислювач (гідразин), який окислює кремній до гідратованого двоокису кремнію, агент, що утворює комплекси (ізопропіловий спирт) для утворення комплексного іона та води. Травник вигідно відрізняється від інших тим, що не впливає ні на плівку двоокису кремнію, ні на плівку алюмінію, які можуть використовуватися як захисні маски.

Оптимальним за рядом показників (хоч і токсичним) г травник, що складається з суміші N2H4 і Н20 та забезпечує швидкість травлення кремнію 0.05 мкм/с (при температурі кипіння 120 °С) в напрямку, перпендикулярному до кристалографічної площини (100).

Для анізотропного травлення кремнію використовують також травники на основі гідроокисів лужних металів. Енергія активації реакції між 10%-ним водним розчином гідроокису натрію та кремнієм рівна приблизно 54.4кДж/моль. Для анізотропного травлення кремнію часто використовують 5...30% розчин лугу (КОН або ОН). В цьому випадку реакцію травлення можна записати так:

Si + 2КОН + 2H2О K2Si03+ 2Н2

Процес травлення можна інтерпретувати як окислення напівпровідникового матеріалу з наступним розчиненням його окислу. Окислення в цьому випадку здійснюється за рахунок води під час нагрівання:

Si + Н20 SiO+ Н2Т: SiO+ Н20 SiO, + Н2 .

Двоокис кремнію взаємодіє з лугами з утворенням відповідних солей кремнієвої кислоти:

SiO2+ 2КОН K2Si03+ Н20.

Може мати місце гідроліз силікату калію:

K;SiO. H2SiO, + КОН

Тому для уникнення гідролізу K2SiO3, отже, адсорбції на поверхні кремнію кремнієвої кислоти (I l2Si03) травлення кремнію проводять у надлишку лугу.

Анізотропний травник, що містить 250 г гідроокису калію 800 мл води, 25 мл а-пропанолу, 25 мл вторинного бутанолу і 0.5 г кремнію, має високу швидкість травлення кристалографічної площини (100). низьку (або нульову) швидкість травлення площини (111) і проміжну швидкість травлення кристалографічної площини (110). Введення кремнію в травник стримує бурхливий початок реакції і підвищує контрольованість процесу травлення.

На сьогодні в технології мікроелектроніки використовують рельєфне анізотропне травлення рідкими травниками пластин монокристалічного кремнію з орієнтацією робочих поверхонь у кристалографічних площинах (100) і (110), інші орієнтації робочих поверхонь пластин зумовлюють асиметрію перерізів витравлених заглиблень і майже не використовуються.

Перевагою анізотропного рельєфного травлення порівняно з ізотропним є майже повні відсутність підтравлювання під краї маски у випадку їх правильної орієнтації, передбачуваність форми виїмок, можливість отримання виїмок з великим відношенням глибини до ширини, в ряді випадків самозупинку процесу травлення.

На рис. 20, а, б наведено поперечні перерізи витравлених заглибин та потрібна орієнтація країв вікон масок на поверхні монокристалічного кремнію, орієнтованій у кристалографічній площині (100), а на рис.1.20, г - те саме для поверхні монокристалічного кремнію, орієнтованої в кристалографічній площині (110); напрямок А-А перпендикулярний до кристалографічної площини (001).



Рис.1. 20. Поперечні перерізи витравлених заглиблень та потрібна орієнтація країв вікон масок на поверхні (100) (а-в) та (110) (г)


Бічні стінки заглиблень (рис.1.20) розміщені відповідно в кристалографічних площинах (331), (111), (113), (111): краї вікон масок орієнтовані відповідно в напрямках перетину поверхні напівпровідника з кристалографічними площинами (331), (111), (113), (111).

Локальне травлення арсеніду галію. Процеси локального травлення GaAs є основою для локально-епітаксійної технології. Виявлено, що процес локального витравлювання заглиблень дуже нестабільний. На підкладках орієнтації {100} у вікнах захисної маски травлення відбувається значно швидше біля країв вікна, ніж у центрі. Це явище було названо "крайовим ефектом”. Виявилось, що він властивий таким травникам, як Вг2-СН3ОН (бром- метанол, співвідношення 1:100 об'ємних частин), Н2SO4:H2O2:H2O (5:1:1) 3%-ний розчин NaOCI.

Міра проявлення ефекту в усіх випадках залежить від глибини травлення, і з її збільшенням неоднорідність витравлювання зменшується. Зі зменшенням площі вікон, відкритих у захисній масці, ефект неоднорідності зростає.

Детально локальне травлення досліджувалось і на підкладках з іншою

Рис. 1.21. Співвідношення форми заглиблень під час локального травлення GaAs орієнтованих у площині {100}


орієнтацією: {100} і {111} В. В якості травника використовували розчин 1М NaOH- 0,7 М Н2О2, маскою була піролітична плівка двоокису кремнію. На підкладках з орієнтацією {100} спостерігалося спотворення круглих вікон і форми заглиблень з грануванням останніх (рис. 1.21). При цьому круглі отвори під захисною маскою розтравлювались до трикутних конфігурацій, а бічні сторони заглиблень були паралельними до напрямків {210} у площині підкладки.





Рис. 1.23. Залежність швидкості травлення при температурі 273 К від складу травника (система H2S04:H202:H2О)
Виявлено, що локальне травлення по своїй суті є складним процесом, який залежить від багатьох факторів: кристалографічної орієнтації підкладки, складу травника, реакційної здатності компонентів травника, умов обробки, розмірів і геометрії вікон у масці та їх кристалографічної орієнтації, якості та складу маскувального покриття і характеру його фізико-хімічної взаємодії з арсенідом галію, ступеня досконалості кристалічної структури самого кристала, часу підготовки травника перед використанням, зовнішніх умов тощо. Все це впливає на складність локально-анізотропного травлення GaAs. Наприклад, на підкладках з орієнтацією {100}, {111} А. {111} В досліджували вплив бром-метанольного травника. Захисною маскою служила плівка А1203, осаджена в результаті електронно-променевого випаровування лейкосапфіру. Результати досліджень показано на рис.1.22. Пунктирною лінією показано зміну співвідношення швидкостей травлення полярних граней {111} А і {111} В яке має мінімум поблизу концентрації дуже зручним для знаходження оптимальних умов локального і тотального травлення GaAs є використання потрійної діаграми стану процесу, де на трикутнику вказано склад травника і для певної температури даються ізотермічні розрізи з лініями однакових швидкостей травлення (рис. 1.23).
Для швидкості травлення при температурі 273 К було знайдено чотири області тотального травлення А. В, С і D з різною характеристикою обробленої поверхні: області В і С - дзеркально гладеньке полірування: А - дуже шорстка і D - мало шорстка матова поверхня.

Використання травників системи для локально-анізотропного травлення дає хороші результати: у випадку малого вмісту сірчаної кислоти (1:8:1 і 8:1) заглиблення мають плоске дно і сильно проявляється анізотропія (рис. 1.24,а), причому зміна орієнтації на 45° (рис. 1.24,6) призводить до різкого покращення якості ограновування.


Рис. 1.24. Локально-анізотропне травлення GaAs при низькому «місті сірчаної кислоти (області В і С на рис. 1.22)
Зараз локальне та локально-анізотропне травлення набуває все більшого значення для отримання заглиблень строго заданої геометрії та розмірів. Це необхідно для наступного зарощування цих заглиблень за допомогою локальної епітаксії та отримання методами епіпланарної технології планарних структур для виготовлення ІС на основі арсеніду галію. Крім епіпланарної технології локальне і локально-анізотропне травлення може використовуватися для отримання тонких мембран для створення спеціальних сенсорів (тиску, температури тощо), одержання складних структур без використання методів фотолітографії тощо.

Для отримання мікрорельєфу (топографічного рисунку) на поверхні напівпровідникових пластин (матриць) широко використовується локальне анізотропне травлення. Травники, що травлять в різних напрямках з різною швидкістю, називають анізотропними.

Нижче наведені деякі відомості з кристалохімії напівпровідників (Ge,Si, сполукА»), які необхідні для розгляду основних питань анізотропного травлення.

Кристали Ge і Si мають кристалічну ґратку типу алмазу, а більшість сполукAU,BV- ґратку сфалешту (рис. 1.25).


Рис. 1.21. Структура алмазу (а) сфалериту (б): о - атом Si або Ge.
Рис. 1.26. Пористі форми кубічної системи: а – куб,

б - октаедр, в - ромбодекаедр, г - тригон- три октаедр,

д - тетрагон-триоктаедр. е- тетрагексаедр,

ж -гексаоктаедр, з - негативний октаедр, к — позитивний тетраедр (грані А заштриховані)


У ґратці Ge і Si вузли зайняті атомами одного виду, а в гратцісполук АШЕГ - атомами двох видів: А (А1, Ga, In) і В (Р, As.Sb). Ці типи кристалів належать до кубічної системи, але до різних класів. Кристали Ge і Si належать до гексаоктаедричного класу, а кристали сполукAlnBv- до тетраедричного. На рис. 1.26 наведені деякі прості форми кристалів кубічної систем.

Символ визначеної одиничної грані розташовують у круглих дужках, наприклад, символ передньої грані куба (100). правої (010). верхньої {001} тощо. Якщо символ стосується всіх граней простої форми, то його розташовують у фігурних дужках. Наприклад, грані куба позначають {100}, грані октаедра {111} тощо. Напрямок, перпендикулярний до визначеної грані, наприклад грані {100} позначають {100}. Сукупність напрямків, перпендикулярних до граней, наприклад куба {100} позначають через {100}. У випадку анізотропного травлення всі грані даної простої форми рівноцінні, тому надалі для позначення площини використовуємо символи, обмежені фігурними дужками {100}, {110}, {111}, а для позначення напрямків перпендикулярних до цих площин, - символи {100}, {110}, {111} (на рис. 1.27 і рис. 1.28 символи наведені без дужок).


Рис. 1.2 7. Схема профілів каналів травлення Siу вказаних напрямках


Рис. 1.28. Схема профілів каналів травлення GaAsу вказаних напрямках

Для сполукAmBvнапрямки {111} є полярними. Символом {111} а позначені площини, поверхневі атоми яких є елементами 3-ої групи; площини, поверхневі атоми яких є елементами 5-ої групи, позначені символом {111}В. Відповідно, для граней інших простих форм використані символи типу {111}, {011} тощо.

Розглянемо більш детально можливі зв'язки поверхневих атомів між собою і з атомами в об'ємі на площинах {100}, {110}, {111}. У Ge і Si на площині {100} кожний поверхневий атом зв'язаний з двома атомами в об'ємі і має два неспарених електрони (два розірваних зв'язки). На площинах {110} і {111} поверхневий атом має тільки один розірваний зв'язок. Отже, площина {100} повинна бути більш реакційно здатною порівняно з площинами {110} і {111}. На площині {110} поверхневий атом зв'язаний з двома собі подібними і тільки з одним атомом в об'ємі. Видалення одного атома з поверхні послаблює зв'язки двох сусідніх атомів на поверхні. Тому площина {110} більш хімічно активна в порівнянні з площиною {111}, поверхневі атоми яких зв'язані з трьома атомами в об'ємі. З розгляду цієї схеми слід очікувати такий ряд залежності швидкості травлення германію і кремнію від орієнтації V{100}>V{110}>V{111}.

У випадку сполук АШВV необхідно також враховувати різну природу атомів. На ідеально гладкій поверхні всі атоми можуть бути атомами А або В. Реальна поверхня ступінчата, тому поверхневими можуть бути одночасно атоми А і В. Вони мають два зв'язки з атомами в об'ємі. Атоми В більш активні, оскільки мають три вільних електрони, а атоми А тільки один, тому на площині {100} під час травлення, ймовірно, будуть переважати атоми А. На площині {110} поверхневими є атоми А і В. кожний з яких зв'язаний з двома атомами на поверхні і одним атомом в об'ємі. Атом А на площині {110} очевидно, менш активний, ніж на площині {100}, але видалення двох сусідніх з ним атомів В сприяє швидкому видаленню атома А, що залишився з одним зв'язком. Тому слід очікувати, що площина {110} буде розчинятися з більшою швидкістю, ніж площина {100}, хоча немає підстав очікувати великої різниці в швидкостях травлення.

В напрямку {111} атоми АIII і ВV також розташовані пошарово.

Електронна конфігурація атомів на площинах {111} А і {111}В буде різна. Поверхневі атоми, на тій чи іншій площині мають три зв'язки з атомами в об'ємі, однак атоми В мають два вільних електрони, а в атома А вільних електронів немає. Тому в окислювальних середовищах площина {111}В більш хімічно активна, ніж площина {111}А. Хімічна активність атома В на площинах {110} і {111}В повинна бути однакова. Але присутність поверхневих атомів А на площинах {110} зменшує хімічну активність цієї площини порівняно з площиною {111} В.

Таким чином, для сполук АВ слід очікувати такий ряд залежності швидкості розчинення від орієнтації:

V{111} >V{110} >V{100} >>V{111}

Слід мати на увазі, що процеси адсорбції інших компонентів травника (неокислювачів) також залежать від електронної структури поверхні. Адсорбція таких речовин на активних атомах В може змінити ряд залежності швидкості травлення від орієнтації. В деяких травниках, що містять поверхнево-активні речовини швидкість розчинення {111}. В рівна або навіть менша від швидкості розчинення площин {111 }А.


  1   2   3   4   5

скачати

© Усі права захищені
написати до нас