1、第2章 化學腐蝕法檢測晶體缺陷 缺陷檢測的意義： 硅單晶中的各種缺陷對器件的性能有很大的影響，它會造成擴散結面不平整，使晶體管中出現管道，引起p-n 結的反向漏電流增大等。 而各種缺陷的產生種類和數量的多少與晶體制備工藝和器件工藝有關。 檢測方法 晶體缺陷的實驗觀察方法有許多種，如透射電子顯微鏡、X光貌相技術、紅外顯微鏡及金相腐蝕顯示（化學腐蝕法）等方法。 電化學腐蝕法的特點： （1）設備簡單，操作易掌握，又較直觀，是觀察研究晶體缺陷的最常用的方法之一。 （2）可以揭示缺陷的類型、數量和分布情況，找出缺陷形成、增殖和晶體制備工藝及器件工藝的關系，為改進工藝，減少缺陷、提高器件合格率和改善器件性

2、能提供線索。2.1 半導體晶體的電化學腐蝕機理及常用腐蝕劑 一、電化學腐蝕機理 1、電化學腐蝕：指金屬或半導體材料在電解質溶液中受到的腐蝕，也是指由于形成了原電池而發生電化學作用引起的腐蝕。如圖2-1-1：圖2-1-1 金屬的電化學腐蝕的裝置 2、硅單晶形成的電化學腐蝕的特點： （1）半導體被腐蝕的各部分或區域之間存在電位差，有正負極。 （2）不同電極電位相互接觸。 （3）不同部分處于連通的電解質溶液中，構成許多微電池。 3、半導體晶體的電化學腐蝕機理: 利用半導體晶體在各種酸或堿性電解質溶液中，表面構成了微電池，由于微電池的電化學作用使晶體表面受到腐蝕，其實質是一種氧化還原反應。 （1）在H

3、NO3和HF溶液電解質溶液中的腐蝕負極：正極：OHSiFHHFSiOeHSiOpOHSi222222662422pOHNOHHNO32323 總反應： 無氧化劑時，發生析氫反應，反應速度較慢 正極：注：用CrO3或鉻酸加在HF中也可以提高腐蝕速度 OHNOSiFHHFHNOSi26238431843222HeH （2）在NaOH和KOH溶液電解質溶液中的腐蝕 負極： 正極： 總反應： 添加中性或堿性氧化劑可以提高其腐蝕速度，如eOHSiOOHSi436223222HeH22232346HOHSiOHOHSi22OHNaClO二、影響半導體單晶電化學腐蝕速度的各種因素 1、腐蝕液成分： 根本原因

4、:能否促進電極反應的順利進行 （1）強酸強堿 （2）強氧化劑可以加快腐蝕速度 （3）成分相同的腐蝕液配比不同，腐蝕速度也有別 在純HNO3和純HF中的腐蝕速度小。當HNO3：HF=1:4.5時，腐蝕速度有最大值。如圖所示：圖2-1-2 硅在70%（重量）HNO3+49%(重量）HF混合液中的腐蝕速度與成分的關系 2、電極電位:電位低的電極容易被腐蝕，電位高的電極不容易被腐蝕。電位差越大，腐蝕越快。而對于半導體晶體，決定電極電位高低的因素： 1）腐蝕液成分和導電類型（如圖2-2-3） 2）載流子濃度（如圖2-2-4）圖2-2-3 n型半導體和p型半導體在中腐蝕液中的電極電位返回圖2-2-4 硅在

5、90%濃HNO3+10%濃HF中的電極電位返回3、緩沖劑的作用： 弱酸或弱堿，H+或OH - 不能完全電離，降低了其濃度，因此正、負極反應速度變慢。4、溫度和攪拌的速度1）溫度高腐蝕速度快。2）攪拌可以提高腐蝕速度、改變腐蝕的擇優性。 擇優性：指晶體的某些晶面優先受到腐蝕，而某些晶面不容易受到腐蝕而成為裸露面。5、光照的影響：光照的作用產生電子-空穴對，加大了為電池的作用。三、腐蝕在半導體中的應用 1、半導體材料、器具等的清洗 常用的清洗劑：各種無機酸、氧化劑和絡合劑等。 （1）鹽酸、硝酸：利用其強酸性去除金屬雜質； （2）濃硫酸：利用碳化作用去除有機雜質；重鉻酸鉀和濃硫酸 可以去除玻璃、金屬

6、等各種器皿表面的雜質； （3）絡合物：與金屬雜質反應生成可溶性化合物； （4）雙氧水和氨水：可以去除有機顆粒和部分的金屬離子如：美國RCA超聲波清洗劑（硅片清洗） （1）SC-1：主要由NH4OH、H2O2、H2O組成，簡稱APM，濃度比例1:1:51:2:7，清洗溫度一般為70-80，PH值較高。 作用：去除硅片表面微粒、有機物顆粒和部分金屬雜質（Fe、Zn、Cu、Cr、Ag等） （2）SC-2：主要由HCl、H2O2、H2O組成，簡稱HPM，濃度比例1:1:51:2:8，清洗溫度一般為70-80，PH較低。 作用：去除堿金屬離子、Cu、Au等殘余金屬、Al(OH)3、Fe(OH)3、Zn(

7、OH)2等氧化物。 2、晶體缺陷的顯示 （1）通過擇優腐蝕，得到各種形狀的缺陷腐蝕坑。如圖所示位錯缺陷的顯示： 圖2-2-5 （111）晶面的位錯腐蝕坑 （2）單晶前沿的顯示：摻雜半導體的雜質分凝作用引起的電阻率條紋。如圖所示：圖2-2-6 單晶硅的生長前沿 （3）拋光腐蝕（非擇優腐蝕） 缺陷腐蝕前的前工序，有利于缺陷的更好的顯示。 作用：除去切割等工序產生的機械損傷，將表面拋光成鏡面 一般情況下拋光腐蝕速度大于缺陷腐蝕的速度 拋光腐蝕和缺陷腐蝕的判斷：通過速度的大小關系判斷，如圖所示：當 Vc VsVd 時，為拋光腐蝕 當 Vc VdVs時，為缺陷腐蝕圖2-2-7 腐蝕坑形成的三個速度 4、

8、化學減薄 （1）往樣品中央噴射拋光液以形成空洞，用于透射電子顯微鏡來觀察空洞周圍的薄化區。（2）也可以去除機械損傷,減少和消除熱氧化缺陷。四、半導體硅的常用腐蝕劑 1、腐蝕劑中各液體成分的濃度大致： HF HNO3 H2O2 HCl HAc 49% 70% 30% 36% 99%以上2、硅單晶的幾種典型的腐蝕液 （1）通常用的拋光（非擇優）腐蝕劑的配方為： HF:HNO3=1:2.5 它們的化學反應過程為： Si+4HNO3+6HF=H2SiF6+4NO2+4H2O （2） Sirtl(希爾） HF溶液+33%CrO3水溶液，根據配比不同可以配制不同速度的腐蝕液。 先用CrO3與去離子水配成標

9、準液： 標準液50g CrO3+100g H2O 然后配成下列幾種腐蝕液： A. 標準液：HF=2:1(慢速液) （用于（100）晶面擇優腐蝕） B. 標準液：HF=3:2(中速液) C. 標準液：HF=1:1(快速液) （ 用于（111）晶面擇優腐蝕） D. 標準液：HF=1:2(快速液) （3）Dash（達希）腐蝕液 Dash腐蝕液的配方為： HF:HNO3:CH3COOH1:3:8 用于多個晶面腐蝕 總反應： 無氧化劑時，發生析氫反應，反應速度較慢 正極：注：用CrO3或鉻酸加在HF中也可以提高腐蝕速度 OHNOSiFHHFHNOSi26238431843222HeH圖2-2-3 n型半

10、導體和p型半導體在中腐蝕液中的電極電位返回3、緩沖劑的作用： 弱酸或弱堿，H+或OH - 不能完全電離，降低了其濃度，因此正、負極反應速度變慢。4、溫度和攪拌的速度1）溫度高腐蝕速度快。2）攪拌可以提高腐蝕速度、改變腐蝕的擇優性。 擇優性：指晶體的某些晶面優先受到腐蝕，而某些晶面不容易受到腐蝕而成為裸露面。5、光照的影響：光照的作用產生電子-空穴對，加大了為電池的作用。 4、化學減薄 （1）往樣品中央噴射拋光液以形成空洞，用于透射電子顯微鏡來觀察空洞周圍的薄化區。（2）也可以去除機械損傷,減少和消除熱氧化缺陷。 （2） Sirtl(希爾） HF溶液+33%CrO3水溶液，根據配比不同可以配制不同速度的腐蝕液。 先用CrO3與去離子水配成標準液： 標準液50g CrO3+100g H2O 然后配成下列幾種腐蝕液： A. 標準