А.А. Бабырин - Электроника и микроэлектроника (1088520), страница 59
Текст из файла (страница 59)
(5.124) В тех случаях, когда образующийся окисел нерастворим в воде, как в случае 5!Оэ, в состав травителя, наряду с окислителем, вводят также растворитель окисла, например, фтористоводородную кислоту НГ. Она растворяет 5!02 с образованием жидкофазного соединения Н25!Гб(ж), в результате чего атомы кремния переходят в водный раствор в форме устойчивых комплексных ионов 5!гб, возникающих за счет гидролитической диссоциации соединениЯ по Реакции НзБ!Гб 2Н + Б!Г~~ .
Для выяснения общих закономерностей кинетики жидкостного травления полупроводников, запишем химическую реакцию типа (5.124) как обратимую в обобщенной форме (ср. формулу (3.46)): в5(т) + Х(ж) — аА(ж) + бВ(ж) + ... (5.125) В отличие от (3.46) и (5.124), эта реакция приведена к одному молю жидкого травителя Х (окислителя НэОэ в реакции (5.124)): в результате травления и молей твердого вещества 5 дают а, 5, ... молей жидкофазных продуктов А, В, ... Найдем скорость процесса химического травления в рамках упрощенной модели, описываемой реакцией (5.125). В соответствии с рассмотренным в п. 5.10, процесс травления протекает в три последовательные стадии: ') Наряду с химическим механизмом травления, для объяснения некоторых особенностей поведения полупроводников в травяшем растворе, в ряде случаев лучше работает электрохимическнй механизм.
В основе этого механизма лежат сопряженные реакции анодного окисления полупроводника и катодного восстановления окислителя, которые протекают на различных микроанодных и микрокатодных участках поверхности полупроводниковой пластины. 5.13. Кинегпика химического травления полупроводников 295 ° подвод химического травителя Х к поверхности 5 (диффузионный поток тХ" ); в гетерогенная химическая реакция на поверхности 5 (хи- МиЧЕСКиЕ ПОтОКи,Я',,1кнн,,тани,,Я"и, ...
ДЛЯ ВСЕХ УЧаетНИКОВ реакции 5, Х, А, В, ... ); ° отвод продуктов реакции А, В,... от поверхности 5 (диффузионные потоки )А"~, 1й'ф,...), Как было отмечено в п. 5.10, относительно быстрые сорбционные процессы на поверхности (адсорбция, поверхностная диффузия, десорбция) включены в стадию гетерогенного химического взаимодействия. с(х,г) )~ 1= сопзт ая ~ Я ,' с хО скп сво Рис.
5 )9. Распределение в жидкой фазе концентраций травящего компонента Х и продуктов А и В химической реакции (5.!25) при травлении твердого вещества 5 Качественная картина распределения концентрации травителя Х и продуктов травления А и В приведена на рис. 5.19, при этом схо, сАо и сне обозначают заданные концентРации в объеме приготовленного травягцего раствора, в то время как ск, сА и си — искомые концентрации на реакционной поверхности 5. Для каждого жидкофазного участника реакции плотность диффузионного потока представляется в соответствии с формулой (5.85) в виде ~1"ф= Щ(с; — сйо1 ( = Х, А, В, ..., (5.126) 296 Гт.
5. управление диффузионными и кинеспинескими процессами где (т', = О,/д, — коэффициент диффузионного массопереноса 1-го компонента в жидкой фазе. В стационарном режиме травления, как уже было отмечено формулой (5.86), диффузионный поток должен быть равен химическому потоку для каждого компонента. Тогда с использованием выражения (5.126) можно записать следующие равенства: 7х — = 7х = .7х = )Ух(схо — сх) диф 7А = 7А = 7А = 1)А(сА САО) (5.127) 7хим 7хим 7хим .7'"м= " = " = ... = З . (5.128) а Ь в В соответствии с основным постулатом химической кинетики, для реакции травления (5.125), по аналогии с (5.82) поток 7х — )стр сх (5.129) где Й,р — константа скорости травления, определенная для обратимой реакции в форме (5.82), включающей пересыщение травления ~сзС, ).
Подстановкой (5.129) в первое равенство (5.12?) получаем концентрацию травителя Х на реакционной поверхности 5: 'тх сх = у +~ схо. Формулы (5.128) — (5.130) дают окончательное выражение для плотности потока травления твердого вещества 5: В )с (5.131) т9х+ )сто где введена эффективная константа травления Й,ф, такая что 1 1 1 = — + (5.132) миф Вктр В отличие от и. 5.10, диффузионные и химические потоки, введенные равенствами (5.126) и (5.127), являются положительными, так как их направления учтены стрелками на рис.
5.19. Условие стехнометрии, записанное для реакции (5.125) по аналогии с выражением (5.78), устанавливает следующее соотношение между химическими потоками: 5. ГЗ. Кинетика химического травления полупроводников 297 Чтобы найти «геометрическую» скорость травления, определяемую как е,р — — дх7й (мкм7'мин), надо использовать соотношение, аналогичное равенству (5.116): .79-=Х," =Хви,, (5.133) где Хв = рзХл/ЗХв — число молекул в единице объема твердого вещества 5 (см.
формулу (5.117)). В частности, для кремния рз; = 2, 33 г7смз и Лаю = 28, 08 г7моль, тогда Хв; = 5 10 ~ см з. Из формул (5.131) и (5.133) получаем скорость травления етр — = — 79 "м = — ('эфсхо (5.134) Хь Хя Возвращаясь к соотношению (5.131), удобно воспользоваться аналогией с электрическими цепями, записав его с помощью 5.132 в ви е ( ) д хх 7хим 'ХО (5.131, а) Лдиф + Лхим Подобно току в электрической цепи, протекающему через сопротивление под действием электродвижущей силы, поток, 7в —— = в,Лх, вещества 5 создается заданной концентрацией травителя схо в объеме жидкой фазы, которая играет роль «движущей силы» процесса травления.
Согласно выражению (5.131,а), система оказывает сопротивление протеканию потока 19, складывающееся из диФфузионного сопротивления Л „ф = 1/врх и химического сопротивления Лх„= 1/в);я. В зависимости от соотношения между этими сопротивлениями различают диффузионную и кинетическую области процесса травления. 1. Диффузионная область травления реализуется при Л„м « Лк,ф, или 1)х« 1с,р. В этом случае из двух последовательных стадий процесса — диффузионного массопереноса и собственно химической реакции — наиболее медленной (лимитирующей) стадией является диффузия. Именно она управляет процессом травления в целом, при этом )с»ф--вгдх и о р = (вд /Хв)с о. Следовательно, скорость травления ограничивается скоростью диффузионной доставки молекул травителя Х к реакционной поверхности 5, т.е. процесс травления протекает в диффузионной области.
Поскольку диффузионная константа дх для жидкой фазы является изотропной, то все кристаллографические грани и дефекты кристалла травятся с одинаковой скоростью, определяемой диффузионной массодоставкой компонента Х к поверхности полупроводника 5. Независимость от кристаллографической ориентации и дефектности границы обеспечивает 298 Гл. 5. Уираеление диффузионными и кинети пеонами процессами достаточно гладкую зеркально-полированную поверхность пластины.
Иными словами, для диффузионной области процесса характерен режим полирующего травления поверхности. Увеличение полирующих свойств травителя может быть достигнуто за счет усиления неравенства гзх = Вх/дх « 1:,р. Следовательно, введение вязких добавок в травящий раствор и понижение температуры должно улучшать полирующее действие травителя в результате снижения коэффициента диффузии ь) . В то же время интенсивное перемешивание раствора может оказать обратное действие в результате уменьшения эффективной толщины диффузионного слоя дх.
2. Кинетическая область травления реализуется при Лл,ф « Л„„„или )ьр « 1)х. В этом случае из двух стадий процесса наиболее медленной (лимитирующей) стадией является собственно химическая реакция, при этом й,ф = в)г,я и зьг = = 1в)г,р/Агз)схо. Следовательно, пРоцесс тРавлениЯ пРотекает в кинетической области, так как его скорость ограничивается скоростью химической реакции, а быстрая диффузионная доставка молекул травителя Х обеспечивает практически постоянную их концентрацию на поверхности Ь, равную схо. Так как константа травления й, чувствительна к дефектности поверхности и имеет различные значения для разных граней кристалла, то для кинетической области процесса характерно еелективное и анизотропное травление. Селективность травления проявляется в преимущественном вытравливании дефектных мест на поверхности в форме ямок травления 1например, в местах выхода дислокаций), В районе этих мест атомы находятся в возбужденном состоянии, что понижает активационный барьер для константы й„и увеличивает локальную скорость травления.
Анизотропноеть травления связана с различной скоростью травления разных кристаллографических граней, характеризуемых разными индексами Миллера. Обычно (например, для кремния Я и арсенида галлия ОаАз) выполнЯютсЯ неРавенства п11оо) ) п1ыо) ) п)ыП, В РезУльтате этого даже на бездефектных поверхностях, ориентированных по плоскостям 1100) или 1110), при локальном травлении через специальные окна в защитной маске можно получить профилированные углубления, ограниченные плоскостями, которые характеризуются малыми скоростями травления. Подбором химического состава специально создают полирующие или селективные травители для полупроводников. Нередко 5.М.
Привязны жиокофазной и газофазной зоитаксаи 299 применяют химико-динамическое травление путем перемеотения травителя по поверхности пластины с помощью механического вращения сосуда с жидкостью. Фактор движения травителя не влияет на константу травления й,, но изменяет диффузионную константу Дх —= Пх/бх из-за изменения эффективной толщины диффузионного слоя дх. Следовательно, подбором скорости вращения, температуры и вязкости раствора можно обеспечить необходимое качество полировки пластин. Более того, при достаточно высокой скорости вращения, когда разрушается диффузионный слой (бх- О), принципиально возможно обеспечить неравенство Дх » Й,р, т.е. перевести процесс травления из диффузионной области в кинетическую, осуществляя переход от полирующего режима травления к селективному.
В заключение отметим, что в настоящее время, наряду с жидкостным травлением, широкое распространение полу ~или методы так называемого «сухого травлениязь основанные на использовании реактивных парогазовых смесей и ионно-плазменных сред. Парогазовое травление обеспечивает высокое качество и чистоту поверхности и легко совмещается с другими процессами планарно-эпитаксиальной технологии.
В дополнение к этому, ионно-плазменное травление обладает более высокой разрешающей способностью и пригодно для изготовления элементов субмикронных размеров. Естественно, что рассмотренные здесь основные закономерности кинетики жидкостного химического травления в общих чертах применимы и к травлению с применением газофазных реакций. 5.14. Принципы выращивания монокристаллических слоев методами жидкофазной и газофазной эпитаксии Планарно-эпитаксиальная технология составляет основу производства современных интегральных микросхем разнообразного функционального назначения. Эпитаксиальные слои полупроводников в структурном отношении превосходят объемные монокристаллы и обладают более высокими электрофизическими параметрами. Это вызвано существенно меньшим содержанием неконтролируемых загрязнений при практически идеальной однородности распределения легирующих примесей.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
