Диссертация (1097499), страница 5
Текст из файла (страница 5)
Èçâåñòíû òàêæå ìåòîäû ïîëó÷åíèÿ ÏÊ ñ èñïîëüçîâàíèåì íå ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî, à ÷èñòî õèìè÷åñêîãî òðàâëåíèÿ êðåìíèÿ. Äëÿ ýòîãî â ñîñòàâ ðàñòâîðà íàðÿäó ñ HF ââîäèòñÿ ñèëüíûé îêèñëèòåëü, íàïðèìåð, KNO2 , HNO3 èò.ï. [9]. Òàêîé ïîðèñòûé êðåìíèé ïî ñðàâíåíèþ ñî ñôîðìèðîâàííûì ýëåêòðîõèìè÷åñêèì ñïîñîáîì èìååò îãðàíè÷åííóþ òîëùèíó ñëîÿ (îò 100 íì äîåäèíèö ìêì).Ïðè ïîìåùåíèè c-Si â äàííûé ýëåêòðîëèò ïîä äåéñòâèåì ïîëîæèòåëüíîãî ïîòåíöèàëà íà åãî ïîâåðõíîñòè ïðîòåêàþò ñëåäóþùèå ýëåêòðîõèìè÷åñêèå ðåàêöèè [6]:1) ýëåêòðîõèìè÷åñêàÿ ðåàêöèÿ îáðàçîâàíèÿ áèôòîðèäà êðåìíèÿ:Si + 2HF + 2e− → SiF2 + H2 ↑ ;2) õèìè÷åñêîå âîññòàíîâëåíèå êðåìíèÿ èç áèôòîðèäà êðåìíèÿ:2SiF2 → Si + SiF4 ,SiF4 + 2HF → H2 SiF6 ;3) õèìè÷åñêîå îêèñëåíèå áèôòîðèäà êðåìíèÿ äî äâóîêèñè êðåìíèÿ è å¼ðàñòâîðåíèå â ïëàâèêîâîé êèñëîòå:SiF6 + 2H2 O → SiO2 + 2HF + H2 ↑ ,SiO2 + 4HF → SiF4 + 2H2 O ,SiF4 + 2HF → H2 SiF6 .26 çàâèñèìîñòè îò óñëîâèé îáðàáîòêè ïðåîáëàäàåò îäíà èç ðåàêöèé (2)èëè (3), ÷òî ïðèâîäèò ëèáî ê îáðàçîâàíèþ ÏÊ (1 è 2), ëèáî ê ýëåêòðîïîëèðîâêå ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ (1 è 3).
Äëÿ îïèñàíèÿ õàðàêòåðà ðåàêöèé ââîäÿò ïîíÿòèå êðèòè÷åñêîé ïëîòíîñòè òîêà, ïðè ïðåâûøåíèè êîòîðîé â çîíåðåàêöèè íåäîñòàòî÷íî èîíîâ F− è ðàâíîâåñèå ñìåùàåòñÿ â ñòîðîíó ðåàêöèè(3), â ðåçóëüòàòå ÷åãî îáðàçóåòñÿ ïë¼íêà SiOx , ëåãêî ðàñòâîðèìàÿ â ïëàâèêîâîé êèñëîòå, ò.å. ïðîèñõîäèò ýëåêòðîïîëèðîâêà Si. Ïðîöåññ îáðàçîâàíèÿÏÊ îïðåäåëÿåòñÿ äâóìÿ ãëàâíûìè ôàêòîðàìè: 1) äîñòàâêîé èîíîâ ôòîðà âçîíó ðåàêöèè ñ îáðàçîâàíèåì SiF è 2) íàëè÷èåì äûðîê â ïðèïîâåðõíîñòíîìñëîå êðåìíèåâîãî àíîäà. Ïåðâûé ôàêòîð ñâÿçàí ñî ñâîéñòâàìè ýëåêòðîëèòà è ðåæèìîì ýëåêòðîõèìè÷åñêîé îáðàáîòêè. Âòîðîå óñëîâèå ïðèâîäèò êòîìó, ÷òî ïðîöåññû òðàâëåíèÿ êðåìíèÿ íà ïîäëîæêàõ p è n- òèïîâ áóäóò ñóùåñòâåííî îòëè÷àòüñÿ ââèäó ðàçëè÷íîé êîíöåíòðàöèè äûðîê.
Òàê,íàïðèìåð, äëÿ ïîäëîæåê p-òèïà âàæíûì îêàçûâàåòñÿ ïîäâîä èîíîâ F− ,òîãäà êàê äëÿ êðåìíèÿ n-òèïà ýòîãî ÿâíî íåäîñòàòî÷íî è íåîáõîäèì âíåøíèé ôàêòîð, ñòèìóëèðóþùèé ãåíåðàöèþ äûðîê. Ïîñëåäíåå óñëîâèå ìîæåòáûòü äîñòèãíóòî íåñêîëüêèìè ñïîñîáàìè: íàãðåâàíèåì, îñâåùåíèåì, óäàðíîé èîíèçàöèåé. Ïðîöåññ ïîðîîáðàçîâàíèÿ â êðåìíèè n-òèïà îáëåã÷àåòñÿ ñóâåëè÷åíèåì ñòåïåíè ëåãèðîâàíèÿ äîíîðíûìè ïðèìåñÿìè è ïðè íàëè÷èè âíåì ñòðóêòóðíûõ äåôåêòîâ.Ìåõàíèçì îïèñàííûõ ïðîöåññîâ ïðîèëëþñòðèðîâàí íà ðèñ. 1.2. Åñëèäûðêà äîñòèãàåò ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ, òî ìîæåò ïðîèçîéòè ðàçðóøåíèåñâÿçè Si-H è îáðàçóåòñÿ ñâÿçü Si-F (øàã 1). Âñëåäñòâèå ïîëÿðèçàöèè ñâÿçèSi-F , äðóãîé èîí F− ìîæåò îáðàçîâàòü ñâÿçü c àòîìîì Si, ïðè ýòîì âûäåëÿåòñÿ ìîëåêóëà ñ èñïóñêàíèåì ìîëåêóëû âîäîðîäà H2 , è îäèí ýëåêòðîíàýìèòèðóåòñÿ â ýëåêòðîä (øàã 2).
Âñëåäñòâèå ïîëÿðèçàöèè, íàâåäåííîé Si-Fãðóïïàìè, ïëîòíîñòü ýëåêòðîííîãî îáëàêà Si-Si îñòîâà ïîíèæàåòñÿ è îñëàáëåííûå ñâÿçè ìîãóò áûòü àòàêîâàíû HF èëè H2 O (øàãè 4 è 5), òàêèì îáðàçîì, ÷òî àòîìû êðåìíèÿ íà ïîâåðõíîñòè îñòàþòñÿ ñâÿçàííûìè ñ àòîìàìèâîäîðîäà (øàã 5).27Ðèñ. 1.2. Ìåõàíèçì ðàñòâîðåíèÿ êðåìíèÿ, ïðåäëîæåííûé â ðàáîòå [10].Âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèñòåìû êðåìíèé ýëåêòðîëèò èìååòíåìîíîòîííóþ çàâèñèìîñòü (ðèñ. 1.3). Ñîãëàñíî [6], íà íåé ìîæíî âûäåëèòüòðè ó÷àñòêà.
Ïðè ìàëûõ íàïðÿæåíèÿõ (ó÷àñòîê 1) çàâèñèìîñòü èìååò âèä,áëèçêèé ê ýêñïîíåíöèàëüíîìó, ïðè ýòîì ïðîèñõîäèò ðîñò ÏÊ. Ýêñïîíåíöèàëüíàÿ çàâèñèìîñòü óêàçûâàåò íà íàëè÷èå ïîòåíöèàëüíîãî áàðüåðà íàãðàíèöå êðåìíèé/ýëåêòðîëèò. Ó÷àñòîê 2 - ïåðåõîäíûé ìåæäó îáëàñòÿìèïîðîîáðàçîâàíèÿ è ýëåêòðîïîëèðîâêè ïîâåðõíîñòè Si. Ïðè áoëüøèõ çíà÷åíèÿõ íàïðÿæåíèÿ (ó÷àñòîê 3) ïðîèñõîäèò ýëåêòðîïîëèðîâêà êðåìíèÿ.Òðàâëåíèå â ðåæèìå ôîðìèðîâàíèÿ ïîð ìîæåò áûòü îáóñëîâëåíîíåñêîëüêèìè îäíîâðåìåííî äåéñòâóþùèìè ìåõàíèçìàìè.  ÷àñòíîñòè, âðàáîòå [9] îíî ñâÿçûâàëîñü ñ äèôôóçèåé äûðîê/ýëåêòðîíîâ ê/îò ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ. Äðóãîé ìåõàíèçì ìîæåò áûòü ñâÿçàí ñ âûñîêèì óäåëüíîìýëåêòðè÷åñêèì ñîïðîòèâëåíèåì ÏÊ (106 Îì·ñì) [11]. Ñòîëü áîëüøîå ñîïðîòèâëåíèå îáúÿñíÿåòñÿ íèçêîé êîíöåíòðàöèåé ñâîáîäíûõ íîñèòåëåé çàðÿäà âêðåìíèåâûõ îñòàòêàõ, ÷òî, â ñâîþ î÷åðåäü, îáóñëîâëåíî ïåðåêðûòèåì îáåäí¼ííûõ ñëîåâ, ôîðìèðóåìûõ â ïðîöåññå òðàâëåíèÿ.
Êàê ñëåäñòâèå ýòîãî,òîê íàïðàâëåí ê âåðøèíàì ïîð. Êâàíòîâî-ðàçìåðíàÿ ìîäåëü [10] îáúÿñíÿåò ôîðìèðîâàíèå ïîðèñòîãî ñëîÿ, ïðåäïîëàãàÿ óâåëè÷åíèå çàïðåù¼ííîéçîíû â îáðàçóþùåìñÿ ìàòåðèàëå, êîòîðîå âûçâàíî îãðàíè÷åíèåì äâèæå2820 1 2 315)(10500.00.20.4 0.6( )0.81.0Ðèñ. 1.3. Òèïè÷íàÿ âîëüò-àìïåðíàÿ õàðàêòåðèñòèêà ñèñòåìû p -Si/ýëåêòðîëèò (ðàñòâîðHF â ýòàíîëå).
Ó÷àñòîê 1 ñîîòâåòñòâóåò ðîñòó ïîðèñòîãî êðåìíèÿ [6].íèÿ íîñèòåëåé çàðÿäà â ïðåäåëàõ êðåìíèåâûõ îñòàòêîâ ìàëûõ ðàçìåðîâ,ôîðìèðóåìûõ â ïðîöåññå àíîäèðîâàíèÿ. Ðîñò øèðèíû çàïðåù¼ííîé çîíûâåäåò ê óìåíüøåíèþ êîíöåíòðàöèè ïîäâèæíîãî çàðÿäà â êðåìíèåâîì ñêå-”ëåòå“ è ñîçäàåò îáëàñòè îáåäíåíèÿ. Òàêîé ìåõàíèçì ïðåäñòàâëÿåòñÿ ðàçóìíûì äëÿ êðåìíèÿ ñ íåâûñîêèì óðîâíåì ëåãèðîâàíèÿ àêöåïòîðîì. Îäíàêî,äëÿ ñèëüíîëåãèðîâàííîãî êðåìíèÿ p−òèïà èëè êðåìíèÿ n−òèïà îí ìàëîâåðîÿòåí ââèäó çíà÷èòåëüíîãî (ñîòíè íì) ñå÷åíèÿ ïîëó÷àåìûõ êðåìíèåâûõíàíîêëàñòåðîâ, ÷òî èñêëþ÷àåò çàìåòíîå ïðîÿâëåíèå êâàíòîâî-ðàçìåðíîãîýôôåêòà. Íàêîíåö, âàæíóþ ðîëü â ïðîöåññå ïîðîîáðàçîâàíèÿ ìîãóò èãðàòü ìåõàíè÷åñêèå íàïðÿæåíèÿ â êðåìíèè è íàëè÷èå â íåì äåôåêòîâ [12].Äâèæåíèå ïóçûðüêîâ ãàçà è ïðîäóêòîâ ðåàêöèè â íàïðàâëåíèè îò äíà ïîðû è ïðèòîê ñâåæåãî ýëåêòðîëèòà ñ ïðîòèâîïîëîæíîé ñòîðîíû ñîçäàþòçíà÷èòåëüíîå ãèäðîäèíàìè÷åñêîå äàâëåíèå âíóòðè ïîðèñòîãî ñëîÿ, êîòîðîå ìîæåò äîñòèãàòü 80 MÏa.
Ñóùåñòâåííûå íàïðÿæåíèÿ ñîçäàþòñÿ êàêïåðïåíäèêóëÿðíîì, òàê è â ïîïåðå÷íîì íàïðàâëåíèè ê ïîâåðõíîñòè êðåìíèÿ. Íàïðÿæåíèÿ ìîãóò âûçûâàòü âîçíèêíîâåíèå ìèêðîäåôåêòîâ íà äíå29/ )((/2)Ðèñ. 1.4. Çàâèñèìîñòü ñêîðîñòè ðîñòà ïëåíêè ÏÊ îò ïëîòíîñòè òîêà äëÿ îáðàçöîâ, âûðàùèâàåìûõ íà ïîäëîæêàõ ñ-Si ñ ðàçëè÷íûì óäåëüíûì ñîïðîòèâëåíèåì [13].ïîð è, òàêèì îáðàçîì, ñëóæèòü "çàòðàâêîé"äëÿ èõ äàëüíåéøåãî ðîñòà.Ñòðóêòóðíûå ñâîéñòâà ÏÊ: ïîðèñòîñòü, ðàçìåð ïîð è ñòåïåíü èõ óïîðÿäî÷åííîñòè îïðåäåëÿþòñÿ ïëîòíîñòüþ òîêà òðàâëåíèÿ j , ñîñòàâîì ýëåêòðîëèòà (êîíöåíòðàöèåé HF), òèïîì ëåãèðîâàíèÿ è êîíöåíòðàöèåé ïðèìåñèèñõîäíîé ïëàñòèíû c-Si. Êàê ïðàâèëî, ïîðèñòîñòü âîçðàñòàåò ñ óìåíüøåíèåì êîíöåíòðàöèè HF â ýëåêòðîëèòå [6]. Ðèñóíêè 1.4 [13] è 1.5 [15] äàþòïðåäñòàâëåíèå îá ýòèõ çàâèñèìîñòÿõ äëÿ ñ-Si p−òèïà.
Òàê, ñêîðîñòü ðîñòàïëåíêè ÏÊ âîçðàñòàåò ñ óâåëè÷åíèåì ïëîòíîñòè òîêà òðàâëåíèÿ îáðàçöà èíåìîíîòîííî çàâèñèò îò êîíöåíòðàöèè ïðèìåñè N . Ñ ðîñòîì N ïîðû óâåëè÷èâàþòñÿ â ðàçìåðå, à èõ ðàñïîëîæåíèå ñòàíîâèòñÿ áîëåå óïîðÿäî÷åííûìè(îðèåíòèðîâàííûìè âäîëü êðèñòàëëîãðàôè÷åñêèõ îñåé). Ñõîäíûé ýôôåêòïðîèçâîäèò è óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè òîêà òðàâëåíèÿ. Òîëùèíà d ñëîÿ ÏÊîïðåäåëÿåòñÿ âðåìåíåì òðàâëåíèÿ t. Ñíà÷àëà d ïðÿìî ïðîïîðöèîíàëüíà30/ ),((%),)(,2/(-)-( )-3()Ðèñ. 1.5. Èçîáðàæåíèÿ ãðàíèöû ðàçäåëà ÏÊ/êðåìíèé, ïîëó÷åííûå ñ ïîìîùüþ ðàñòðîâîé ýëåêòðîííîé ìèêðîñêîïèè, äëÿ êðåìíèÿ p−òèïà ñ îðèåíòàöèåé ïîâåðõíîñòè(100) ïðè ðàçëè÷íûõ êîíöåíòðàöèÿõ ïðèìåñè è òîêàõ òðàâëåíèÿ (ýëåêòðîëèò HF(50%):C2 H5 OH=1:1) [15].âðåìåíè òðàâëåíèÿ, ïðè áîëåå äëèòåëüíîé îáðàáîòêå â ñèëó ðÿäà ôàêòîðîâ, íàïðèìåð çàòðóäí¼ííîìó òðàíñïîðòó èîíîâ F− ÷åðåç òîëñòûé ïîðèñòûé ñëîé, çàâèñèìîñòü d(t) ñòàíîâèòñÿ ñóáëèíåéíîé.Çàâèñèìîñòü ñâîéñòâ ïîëó÷àåìûõ ñëîåâ ÏÊ îò ïàðàìåòðîâ òðàâëåíèÿïðèâåäåíà â òàáë.
1.2.Êàê ïðàâèëî, äëÿ ôîðìèðîâàíèÿ ÏÊ èñïîëüçóþòñÿ ïëîòíîñòè òîêà äî300 ìÀ/ñì2 . Òèïè÷íûå òîëùèíû ïë¼íîê ÏÊ ñîñòàâëÿþò îò åäèíèö äî ñîòåí ìèêðîìåòðîâ. Òîò ôàêò, ÷òî óâåëè÷åíèå ïëîòíîñòè òîêà ïåðåâîäèò ïðîöåññ òðàâëåíèÿ èç ðåæèìà ôîðìèðîâàíèÿ ïîð â ðåæèì ýëåêòðîïîëèðîâêè,èñïîëüçóåòñÿ äëÿ ïðèãîòîâëåíèÿ ñâîáîäíûõ (íå ñâÿçàííûõ ñ êðåìíèåâîéïîäëîæêîé) ïë¼íîê ÏÊ; äëÿ ýòîãî â òå÷åíèå äîëè ñåêóíäû îñóùåñòâëÿåòñÿòðàâëåíèå ñ çíà÷èòåëüíî áîëüøåé ïëîòíîñòüþ òîêà (ñâûøå 500 ìÀ/ñì2 ).31Òàáëèöà 1.2. Âëèÿíèå ïàðàìåòðîâ òðàâëåíèÿ íà ôîðìèðîâàíèå ñëî¼â ïîðèñòîãî êðåìíèÿ [14].Óâåëè÷åíèå ïàðàìåòðàïîðèñòîñòüñêîðîñòü òðàâëåíèÿêðèòè÷åñêèé òîêóìåíüøàåòñÿóìåíüøàåòñÿâîçðàñòàåòÏëîòíîñòü òîêàâîçðàñòàåòâîçðàñòàåòÂðåìÿ òðàâëåíèÿâîçðàñòàåòïðàêòè÷åñêè ïîñòîÿííàóìåíüøàåòñÿâîçðàñòàåòâîçðàñòàåòÊîíöåíòðàöèÿ HFÓðîâåíü ëåãèðîâàíèÿ(p-òèï)Èññëåäîâàíèå ìèêðîñòðóêòóðû ÏÊ ïîêàçàëî, ÷òî â ïðîöåññå ýëåêòðîõèìè÷åñêîãî òðàâëåíèÿ c-Si ðîñò ïîð ïðîèñõîäèò ïðåèìóùåñòâåííî â íàïðàâëåíèÿõ h100i (ðèñ.
1.5, 1.6à, 1.6á) [9]. Äàííûé ôàêò îáóñëîâëåí òåì, ÷òîñêîðîñòè òðàâëåíèÿ ñóùåñòâåííûì îáðàçîì çàâèñÿò îò êðèñòàëëîãðàôè÷åñêîãî íàïðàâëåíèÿ, òàê, äëÿ îñåé [100], [110] è [111] ñêîðîñòè òðàâëåíèÿ îòíîñÿòñÿ êàê 15:10:1. Ïîäîáíàÿ àíèçîòðîïèÿ ðîñòà ïîð õîðîøî ôèêñèðóåòñÿäëÿ ñëîåâ íà ïîäëîæêàõ èç ñèëüíî ëåãèðîâàííîãî êðåìíèÿ ð -òèïà ïðîâîäèìîñòè (ð ++ -Si) èëè äëÿ êðåìíèÿ ýëåêòðîííîãî òèïà ïðîâîäèìîñòè (n -Si). Âñëîÿõ ÏÊ, ïîëó÷åííûõ íà ñëàáî ëåãèðîâàííîì êðåìíèè ð -òèïà (ð − -Si), ðàñïðîñòðàíåíèå ïîð ïðîèñõîäèò ñ áîëüøåé ñòåïåíüþ íåóïîðÿäî÷åííîñòè. Êàêñâèäåòåëüñòâóþò ðåçóëüòàòû ýêñïåðèìåíòîâ ïî ðåíòãåíîâñêîé äèôðàêöèè èäèôðàêöèè ýëåêòðîíîâ, ôîðìèðîâàíèå ïîð íå íàðóøàåò áëèæíèé ïîðÿäîêâ ðàñïîëîæåíèè àòîìîâ êðåìíèÿ, ò.å.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
