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1、第2章 化学腐蚀法检测晶体缺陷,硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起p-n结的反向漏电流增大等。 而各种缺陷的产生和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。,晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示（化学腐蚀法）等方法。,电化学腐蚀法的特点： （1）设备简单，操作易掌握，又较直观，是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。 （2）可以揭示缺陷的类型、数量和分布情况，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关系，为改进工艺，减少缺陷、提高器件合格率和改善器件性能提供线索。,2.1 半导体晶体的
2、电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂,一、电化学腐蚀机理 1、电化学腐蚀：指金属或半导体材料在电解质溶液中受到的腐蚀，也是指由于形成了原电池而发生电化学作用引起的腐蚀。如图2-2-1：,图2-2-1 金属的电化学腐蚀的装置,2、硅单晶形成的电化学腐蚀的特点： （1）半导体被腐蚀的各部分或区域之间存在电位差，有正负极。 （2）不同电极电位相互接触。 （3）不同部分处于连通的电解质溶液中，构成许多微电池。,3、半导体晶体的电化学腐蚀机理: 利用半导体晶体在各种酸或碱性电解质溶液中，表面构成了微电池，由于微电池的电化学作用使晶体表面受到腐蚀，其实质是一种氧化还原反应。,（1）在HNO3和HF溶液电解质溶液中的
3、腐蚀 负极： 正极：,总反应：,无氧化剂时，发生析氢反应，反应速度较慢 正极：,（2）在NaOH和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀 负极： 正极： 总反应： 添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀速度，如,二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素,1、腐蚀液成分： 根本原因:能否促进电极反应的顺利进行 （1）强酸强碱 （2）强氧化剂可以加快腐蚀速度 （3）成分相同的腐蚀液配比不同，腐蚀速度也有别 在纯HNO3和纯HF中的腐蚀速度小。当HNO3：HF=1:4.5时，腐蚀速度有最大值。 如图所示：,图2-2-2 硅在70%（重量）HNO3+49%(重量）HF混合液中的腐蚀速度与成分的关系,2、电极电位:
4、电位低的电极容易被腐蚀，电位高的电极不容易被腐蚀。电位差越大，腐蚀越快。而对于半导体晶体，决定电极电位高低的因素： 1）腐蚀液成分和导电类型（如图2-2-3） 2）载流子浓度（如图2-2-4）,图2-2-3 n型半导体和p型半导体在中腐蚀液中的电极电位,返回,图2-2-4 硅在90%浓HNO3+10%浓HF中的电极电位,返回,3、缓冲剂的作用： 弱酸或弱碱， 不能完全电离，降低了其浓度，因此正、负极反应速度变慢。 4、温度和搅拌的速度 1）温度高腐蚀速度快。 2）搅拌可以提高腐蚀速度、改变腐蚀的择优性。 择优性：指晶体的某些晶面优先受到腐蚀，而某些晶面不容易受到腐蚀而成为裸露面。 5、光照的影
5、响,三、腐蚀速度在半导体中的应用,1、半导体材料、器具等的清洗 常用的清洗剂：各种无机酸、氧化剂和络合剂等。 硅片清洗：硅片切割后初步清洗、硅片抛光后清洗、包装前的最后清洗 如：美国RCA超声波清洗剂,（1）SC-1：主要由NH4OH、H2O2、H2O组成，简称APM，浓度比例1:1:51:2:7，清洗温度一般为70-80，PH值较高。 作用：去除硅片表面微粒、有机物颗粒和部分金属杂质（Fe、Zn、Cu、Cr、Ag等） （2）SC-2：主要由HCl、H2O2、H2O组成，简称HPM，浓度比例1:1:51:2:8，清洗温度一般为70-80，PH较低。 作用：去除碱金属离子、Cu、Au等残余金属、
6、Al(OH)3、Fe(OH)3、Zn(OH)2等氧化物。,2、晶体缺陷的显示 （1）通过择优腐蚀，得到各种形状的缺陷腐蚀坑。如图所示位错缺陷的显示：,图2-2-5 （111）晶面的位错腐蚀坑,（2）单晶前沿的显示：掺杂半导体的杂质分凝作用引起的电阻率条纹。如图所示：,图2-2-6 单晶硅的生长前沿,（3）抛光腐蚀（非择优腐蚀） 缺陷腐蚀前的前工序，有利于缺陷的更好的腐蚀。 作用：除去切割等工序产生的机械损伤，将表面抛光成镜面 一般情况下抛光腐蚀速度大于缺陷腐蚀的速度 抛光腐蚀和缺陷腐蚀的判断：通过速度的大小关系判断，如图所示：,当 VcVsVd 时，为抛光腐蚀 当 VcVdVs时，为缺陷腐蚀,
7、图2-2-7 腐蚀坑形成的三个速度,4、化学减薄 （1）往样品中央喷射抛光液以形成空洞，用于透射电子显微镜来观察空洞周围的薄化区。（2）也可以去除机械损伤,减少和消除热氧化缺陷。,四、半导体硅的常用腐蚀剂,1、腐蚀剂中各液体成分的浓度大致： HF HNO3 H2O2 HCl HAc 49% 70% 30% 36% 99%以上 2、硅单晶的几种典型的腐蚀液 （1）通常用的抛光（非择优）腐蚀剂的配方为： HF:HNO3=1:2.5 它们的化学反应过程为： Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O,（2） Sirtl(希尔） HF溶液+33%CrO3水溶液，根据配比不同可以配制不同速度的腐蚀液。 先用CrO3与去离子水配成标准液： 标准液50g CrO3+100g H2O 然后配成下列几种腐蚀液： A. 标准液：HF=2:1(慢速液) B. 标准液：HF=3:2(中速液) C. 标准液：HF=1:1(快速液) D. 标准液：HF=1:2(快速液) （3）Dash（达希）腐蚀液 Dash腐蚀液的配方为： HF:HNO3:CH3COOH1:3:8 用于多个晶面腐蚀,
