Травление с кинетическим контролем

Скорость травления будет различной для плоскостей кристаллов с различной плотностью упаковки атомов, а само травление будет анизотропным. Для полупроводников с алмазоподобной кристаллической решёткой (Si, Ge), как правило, наблюдается следующее соотношение скоростей травления: υ₍₁₀₀₎> υ₍₁₁₀₎> υ₍₁₁₁₎.

Если на поверхности подложки имеются дефекты, то в этих местах происходит локальное увеличение скорости травления. «Дефектное» место растравливается с образованием фигуры (ямки) травления, форма которой определяется кристаллографической ориентацией поверхности подложки. Поэтому в данном случае гладкую поверхность получить не удаётся. Травители с кинетическим контролем называют дифференциальными, а процесс травления – селективным.

С увеличением времени процесса даже селективные травители проявляют тенденцию к выравниванию поверхности. Кроме того, в начальный момент времени процесса травления отсутствует диффузионное ограничение, т.е. все травители работают селективно.

 

Химическое травление кремния.

 

Механизмы травления полупроводников

При отсутствии электрического поля травление полупроводников в жидких средах может происходить по двум принципиально разным механизмам:

- химическому;

- электрохимическому.

Особенности химического механизма травления

При химическом механизме травления на поверхности полупроводника протекают окислительно–восстановительные реакции, обусловленные непосредственным, чисто химическим взаимодействием молекул травителя с поверхностными атомами. При этом все продукты реакции в виде растворимых комплексов полупроводника образуются в травителе одновременно.

Процесс травления полупроводников по данному механизму подчиняется законам химической кинетики гетерогенных реакций.

Травление кремния в щёлочи

Si + 2H₂O → SiO₂ + 2H₂↑; (31.1)

SiO₂ + xH₂O → SiO₂ · xH₂O; (31.2)

SiO₂ · xH₂O + 2KOH → K₂SiO₃ + (x+1)H₂O. (31.3)

Процесс травления кремния в щёлочи включает в себя реакции окисления кремния до его диоксида и восстановления воды при нагревании до молекулярного водорода (31.1). Наряду с этими процессами в системе происходит гидратация SiO₂ (31.2) и взаимодействие со щёлочью гидратированного SiO₂ с образованием метасиликатов (метасиликата калия) (31.3).

 

Электрохимическое травление кремния.

 

Механизмы травления полупроводников

При отсутствии электрического поля травление полупроводников в жидких средах может происходить по двум принципиально разным механизмам:

- химическому;

- электрохимическому.

Особенности электрохимического механизма травления

При электрохимическом механизме травления на поверхности полупроводника протекают две сопряжённые реакции: анодного окисления полупроводника и катодного восстановления окислителя. Электрическая связь между анодами и катодами осуществляется через раствор травителя

Пример: травление кремния в смеси кислот

HNO₃ – HF.

 

Анодные реакции

На микроанодах поверхности протекает анодная реакция окисления кремния, а также комплексообразование и перевод в раствор атомов кремния в виде устойчивых комплексных анионов.

Схема анодной реакции:

Si + 2H₂O + ne⁺ → SiO₂ + 4H+ +(4 – n)e^–, (31.4)

SiO₂ + 6HF → H₂SiF₆ + 2H₂O, (31.5)

где n – эффективная валентность саморастворения кремния (количество ковалентных связей, удерживающих поверхностный атом), которая в зависимости от условий протекания реакции может изменяться от 2 до 4, e⁺ – дырки, e^– – электроны. Анодная реакция сопровождается разрывом ковалентных связей поверхностных атомов, при участии дырок, которые создаются при протекании катодной реакции.

Катодные реакции

На микрокатодах поверхности протекает катодная реакция восстановления основного окислителя (HNO₃):

HNO₃ + 2H⁺ + 2e^– → HNO₂ + H₂O. (31.6)

Реакция (31.6) протекает в несколько этапов:

HNO₃ + HNO₂ → 2NO₂ + H₂O; (31.7)

NO₂ → NO₂^– + e⁺; (31.8)

NO₂^– + H⁺ → HNO₂ (31.9)

Наименее медленной стадией является реакция (31.7),в ходе которой из молекул HNO₃ регенерируются молекулы диоксида азота NO₂. Для начала реакции необходимо присутствие в растворе некоторого количества молекул азотистой кислоты HNO₂. Затем происходит её накопление в растворе согласно реакции (31.9). В ходе реакции (31.8) происходит генерация дырок за счёт захвата электронов из валентной зоны кремния. Эти дырки затем расходуются в анодном процессе и ответственны за отрыв атомов кремния от поверхности.

 

32. Материалы, подвергаемые химическому травлению. Жидкостное травление плёнок оксида и нитрида кремния.