Grabado de Wright

El grabado Wright (también grabado Wright-Jenkins ) es un grabado preferencial para revelar defectos en obleas de silicio tipo p y n orientadas en <100> y <111>, utilizadas para fabricar transistores , microprocesadores , memorias y otros componentes. Revelar, identificar y remediar dichos defectos es esencial para avanzar en el camino predicho por la ley de Moore . Fue desarrollado por Margaret Wright Jenkins (1936-2018) en 1976 mientras trabajaba en investigación y desarrollo en Motorola Inc. en Phoenix, AZ. Fue publicado en 1977. ^{[ 1 ]} Este grabador revela fallas de apilamiento inducidas por oxidación claramente definidas , dislocaciones, remolinos y estrías con mínima rugosidad superficial o picaduras extrañas. Se sabe que estos defectos son causas de cortocircuitos y fugas de corriente en dispositivos semiconductores terminados (como transistores) si caen a través de uniones aisladas. Una velocidad de grabado relativamente baja (~1 micrómetro por minuto) a temperatura ambiente proporciona control del grabado. La larga vida útil de este agente de grabado permite almacenar la solución en grandes cantidades. ^{[ 1 ]}

La composición del grabado de Wright es la siguiente:

• 60  ml de HF concentrado ( ácido fluorhídrico )

• 30 ml de _HNO₃  concentrado ( ácido nítrico )

• 30  ml de  CrO ₃ 5 moles (mezclar 1  gramo de trióxido de cromo por cada 2  ml de agua; los números son sospechosamente redondos porque el peso molecular del trióxido de cromo es casi exactamente 100).

• 2  gramos de Cu(NO₃ ₎ ₂ _{· 3H₂O} ( nitrato de cobre(II) trihidratado )

• 60 ml de CH ₃ COOH  concentrado ( ácido acético )

• 60  ml de H₂O ₍ agua desionizada )

Al preparar la solución, se obtienen mejores resultados disolviendo primero el nitrato de cobre en la cantidad de agua indicada; de lo contrario, el orden de mezcla no es crítico.

El grabado de Wright produce consistentemente figuras de grabado bien definidas de defectos comunes en superficies de silicio. Este efecto se atribuye a las interacciones de los químicos seleccionados en la fórmula. Robbins y Schwartz ^{[ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]} describieron el grabado químico del silicio en detalle utilizando un sistema de HF, HNO₃ _y H₂O _; y un sistema de HF, HNO₃ _, H₂O _y CH₃COOH ₍ ácido acético). Brevemente, el grabado del silicio es un proceso de dos pasos. Primero, la superficie superior del silicio se convierte en un óxido soluble mediante uno o más agentes oxidantes adecuados. Luego, la capa de óxido resultante se elimina de la superficie por disolución en un solvente adecuado , generalmente HF. Este es un proceso continuo durante el ciclo de grabado. Para delimitar un defecto cristalino, el área del defecto debe oxidarse a una velocidad más lenta o más rápida que el área circundante, formando así un montículo o foso durante el proceso de grabado preferencial.

En el sistema actual, el silicio se oxida con HNO₃ _, solución de CrO₃ ( _que en este caso contiene el ion dicromato Cr₂O₇²⁻, dado que el pH es bajo; véase el _diagrama de fases _en ácido crómico ) y Cu(NO₃ ₎ ₂ _{. El ion dicromato, un agente oxidante fuerte,} ^se considera el principal agente oxidante . La proporción de HNO₃ _a solución de CrO₃ _indicada en la fórmula produce una superficie grabada superior. Otras proporciones producen acabados menos deseables. Con la adición de una pequeña cantidad de Cu(NO₃ ₎ ₂ _, se mejoró la definición del defecto. Por lo tanto, se cree que el Cu(NO₃ ₎ ₂ _afecta la velocidad de oxidación diferencial localizada en el sitio del defecto. La adición de ácido acético proporcionó a la superficie de fondo del silicio grabado un acabado liso. Se cree que este efecto se debe a la acción humectante del ácido acético, que impide la formación de burbujas durante el grabado.

Todo el grabado preferencial experimental para mostrar defectos se realizó en obleas limpias y oxidadas. Todas las oxidaciones se realizaron a 1200  °C en vapor durante 75  minutos. La Figura 1 (a) muestra fallas de apilamiento inducidas por oxidación en obleas orientadas en <100> después de 30  minutos de grabado Wright, (b) y (c) muestran fosas de dislocación en obleas orientadas en <100> y <111> respectivamente después de 20  minutos de grabado Wright. ^{[ 1 ]}

La figura 1 (a) muestra defectos de apilamiento inducidos por oxidación en una  oblea dopada con boro, de 7-10 Ω-cm y orientada  en la dirección <100>, después de 30 minutos de grabado Wright (la flecha A en esta figura señala la forma de los defectos que intersecan la superficie, mientras que la B señala los defectos en el volumen). Las figuras 1 (b) y (c) muestran fosas de dislocación en obleas orientadas en las direcciones <100> y <111>, respectivamente, después de 20  minutos de grabado Wright. ^{[ 1 ]}

Este proceso de grabado es un método rápido y fiable para determinar la integridad de las obleas de silicio pulidas preprocesadas o para revelar defectos que puedan inducirse en cualquier punto durante el procesamiento de la oblea. Se ha demostrado que el grabado Wright es superior a los grabados Sirtl ^{[ 5 ]} y Secco ^{[ 6 ]} para revelar fallas de apilamiento y patrones de dislocación .

Este grabado se utiliza ampliamente en el análisis de fallas de dispositivos eléctricos en diversas etapas del procesamiento de obleas. ^{[ 7 ] [ 8 ]} En comparación, el grabado Wright era a menudo el grabador preferido para revelar defectos en cristales de silicio. ^{[ 7 ] [ 8 ]}

La Figura 2 muestra una comparación de la delimitación de fallas de apilamiento inducidas por oxidación en obleas orientadas en <100> después del grabado Wright, Secco y Sirtl respectivamente. ^{[ 1 ]}

La figura 3 muestra una comparación de la delimitación de fosas de dislocación en obleas orientadas en la dirección <100> después del grabado Wright, Secco y Sirtl. La figura 4 muestra una comparación de las fosas de dislocación reveladas en una oblea orientada en la dirección <111> después del grabado Wright, Secco y Sirtl, respectivamente. ^{[ 1 ]}

 La figura 3 muestra una comparación de la delimitación de dislocaciones en una oblea dopada con boro , de 10-20 Ω-cm y orientada en la dirección <100> , después de la oxidación y el grabado preferencial. (a) Después de 20  minutos de grabado Wright, (b) 10  minutos de grabado Secco y (c) 6  minutos de grabado Sirtl. ^{[ 1 ]}

La figura 4 muestra una comparación de la delimitación de dislocaciones en una  oblea dopada con boro, de 10-20 Ω-cm y orientada en la dirección <111>, después de la oxidación y el grabado preferencial. (a) Después de 10  minutos de grabado Wright, (b) 10  minutos de grabado Secco y (c) 3  minutos de grabado Sirtl. Las flechas indican la dirección de deslizamiento. ^{[ 1 ]}