第二章化学腐蚀法检测晶体缺陷

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1、第第2章章 化学腐蚀法检测晶体缺陷化学腐蚀法检测晶体缺陷2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂腐蚀剂2.2 半导体单晶体的缺陷半导体单晶体的缺陷2.3 硅单晶位错的检测硅单晶位错的检测2.4 单晶硅中漩涡缺陷的检测单晶硅中漩涡缺陷的检测2.5 化学工艺中的安全知识化学工艺中的安全知识2.6 金相显微镜简介金相显微镜简介v缺陷检测的意义：缺陷检测的意义：v硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，硅单晶中的各种缺陷对器件的性能有很大的影响，它会造成它会造成扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，扩散结面不平整，使晶体管中出现管道，引起引起p-n 结的反向漏电

2、流增大等。结的反向漏电流增大等。v而各种缺陷的产生种类和数量的多少与晶体制备工而各种缺陷的产生种类和数量的多少与晶体制备工艺和器件工艺有关。艺和器件工艺有关。v v检测方法检测方法v晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显晶体缺陷的实验观察方法有许多种，如透射电子显微镜、微镜、X光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示光貌相技术、红外显微镜及金相腐蚀显示（电化学腐蚀法电化学腐蚀法）等方法。）等方法。v电化学腐蚀法的特点：电化学腐蚀法的特点：v（1）设备简单，操作易掌握，较直观，设备简单，操作易掌握，较直观，是观察研是观察研究晶体缺陷的最常用的方法之一。究晶体缺陷的最常用的方法之一。v（2）可以

3、揭示）可以揭示缺陷的类型、数量和分布情况缺陷的类型、数量和分布情况，找，找出缺陷形成、增殖和晶体制备工艺及器件工艺的关出缺陷形成、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。善器件性能提供线索。2.1 半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂半导体晶体的电化学腐蚀机理及常用腐蚀剂v一、电化学腐蚀机理一、电化学腐蚀机理v1、化学腐蚀化学腐蚀：指金属或半导体材料与接触到的物质直接发：指金属或半导体材料与接触到的物质直接发生化学反应引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍、只有在特殊条生化学反应引起的腐蚀。这类腐蚀不普遍

4、、只有在特殊条件下发生。件下发生。 以硅为例，经常在高温以硅为例，经常在高温1200，用，用HCl进行硅进行硅表面气相腐蚀。反应如下表面气相腐蚀。反应如下Si+4HCl SiCl4+2H21200v2、电化学腐蚀电化学腐蚀：指金属或半导体材料在电解质溶液中受到：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，也是指由于形成了原电池而发生电化学作用引起的腐蚀。如图的腐蚀。如图2-1-1：图图2-1-1 金属的电化学腐蚀的装置金属的电化学腐蚀的装置22ZneZn负极负极正极正极v2、构成硅单晶形成的电化学腐蚀的条件：、构成硅单晶形成的电化学腐蚀的条件：

5、v（1）半导体被腐蚀的各部分或区域之间存在电位差，有正）半导体被腐蚀的各部分或区域之间存在电位差，有正负极。负极。v（2）不同电极电位相互接触。）不同电极电位相互接触。v（3）不同部分处于连通的电解质溶液中，构成许多微电池）不同部分处于连通的电解质溶液中，构成许多微电池。v3、半导体晶体的电化学腐蚀机理、半导体晶体的电化学腐蚀机理:v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实质是一种氧化还原反应。v（1）在

6、）在HNO3和和HF溶液电解质溶液中的腐蚀溶液电解质溶液中的腐蚀负极：负极：正极：正极：OHSiFHHFSiOeHSiOpOHSi262222262422pOHNOHHNO32323v总反应：总反应：v无氧化剂时，发生无氧化剂时，发生析氢反应析氢反应，反应速度较慢，反应速度较慢v正极：正极：注：用注：用CrO3或铬酸加在或铬酸加在HF中也可以提高腐蚀速度中也可以提高腐蚀速度 OHNOSiFHHFHNOSi26238431843222HeHv（2）在）在NaOH和和KOH溶液电解质溶液中的腐蚀溶液电解质溶液中的腐蚀v负极：负极：v正极：正极：v总反应：总反应：v添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀

7、速度，如添加中性或碱性氧化剂可以提高其腐蚀速度，如eOHSiOOHSi436223222HeH22232346HOHSiOHOHSi22OHNaClO二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素二、影响半导体单晶电化学腐蚀速度的各种因素v1、腐蚀液成分：、腐蚀液成分：v根本原因根本原因:（能否促进电极反应的顺利进行能否促进电极反应的顺利进行）v （1）强酸）强酸强碱强碱v （2）强氧化剂可以加快腐蚀速度）强氧化剂可以加快腐蚀速度v （3）成分相同的腐蚀液配比不同，腐蚀速度也有别）成分相同的腐蚀液配比不同，腐蚀速度也有别v在纯在纯HNO3和纯和纯HF中的腐蚀速度小。当中的腐蚀速度小。当HNO3：H

8、F=1:4.5时，时，腐蚀速度有最大值。腐蚀速度有最大值。如图所示：如图所示：图图2-1-2 硅在硅在70%（重量）（重量）HNO3+49%(重量）重量）HF混合液中的腐蚀速度与成分的关系混合液中的腐蚀速度与成分的关系v2、电极电位、电极电位:电位低的电极容易被腐蚀，电位高的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：对于半导体晶体，决定电极电位高低的因素：v1）腐蚀液成分和导电类型（如）腐蚀液成分和导电类型（如图图2-2-3）v2）载流子浓度（如图）载流子浓度（如图2-2-4）图图

9、2-2-3 n型半导体和型半导体和p型半导体在中腐蚀液中的电极电位型半导体在中腐蚀液中的电极电位返回返回图图2-2-4 硅在硅在90%浓浓HNO3+10%浓浓HF中的电极电位中的电极电位返回返回3、缓冲剂的作用：、缓冲剂的作用： 弱酸或弱碱，弱酸或弱碱，H+或或OH - 不能完全电离，不能完全电离，降低了其浓度，因此正、负极反应速度变慢。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、温度和搅拌的速度1）温度高腐蚀速度快。）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。）搅拌可以提高腐蚀速度、改变腐蚀的择优性。v择优性：指晶体的某些晶面优先受到腐蚀，而某些晶面不择

10、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。容易受到腐蚀而成为裸露面。5、光照的影响：、光照的影响：光照的作用产生电子光照的作用产生电子-空穴对，加大了为电空穴对，加大了为电池的作用。池的作用。三、腐蚀在半导体中的应用三、腐蚀在半导体中的应用v1、半导体材料、器具等的清洗、半导体材料、器具等的清洗v常用的清洗剂：常用的清洗剂：各种无机酸、氧化剂和络合剂等。各种无机酸、氧化剂和络合剂等。v（1）盐酸、硝酸盐酸、硝酸：利用其强酸性去除金属杂质；：利用其强酸性去除金属杂质；v（2）浓硫酸浓硫酸：利用碳化作用去除有机杂质；：利用碳化作用去除有机杂质；重铬酸重铬酸钾和浓硫酸

11、钾和浓硫酸可以去除玻璃、金属等各种器皿表面的杂可以去除玻璃、金属等各种器皿表面的杂质；质；v（3）络合物络合物：与金属杂质反应生成可溶性化合物；：与金属杂质反应生成可溶性化合物；v（4）双氧水和氨水双氧水和氨水：可以去除有机颗粒和部分的金：可以去除有机颗粒和部分的金属离子属离子如：美国如：美国RCA超声波清洗剂（硅片清洗）超声波清洗剂（硅片清洗）v（1）SC-1：主要由：主要由NH4OH、H2O2、H2O组成，简称组成，简称APM，浓度比例浓度比例1:1:51:2:7，清洗温度一般为，清洗温度一般为70-80，PH值较值较高。高。v作用：去除硅片表面微粒、有机物颗粒和部分金属杂质（作用：去除硅