半导体各向异性蚀刻的表面化学和电化学

摘要

综述了半导体各向异性蚀刻的表面化学和电化学。描述了对碱性溶液中硅的各向异性化学蚀刻和 n 型半导体中各向异性孔的电化学蚀刻的最新见解。强调了电流效应在开路蚀刻中的可能作用。

介绍

由于简单、成本效益和多功能性，湿化学蚀刻方法在半导体器件技术中得到广泛应用。虽然一些半导体可以通过还原分解，但实际蚀刻通常涉及固体的氧化[1]. 价电子从与溶液中的蚀刻物质（开路蚀刻）或通过外部电路（电化学蚀刻）对电极的表面键合中去除。对于开路蚀刻，可以区分两种机制。第一个是“电化学”：溶液中的氧化剂从固体的价带中提取键合电子，即它“注入空穴”，当它位于表面时，会导致键断裂。由于空穴是移动的载体，氧化剂的还原和固体的氧化这两个反应可以看作是独立的电化学反应；它们可以在空间上分开（下面将给出一个例子）。这种蚀刻形式通常称为无电蚀刻。第二种机制是化学机制：溶液中的活性蚀刻剂与表面原子之间直接发生电子交换反应。

化学蚀刻：碱性溶液中的硅

InP 在浓 HCl 溶液中的溶解或 Si 在碱性溶液中的溶解是表现出强各向异性的化学蚀刻的例子 [1,4,*5,*6]. Si反应可以是 全球代表 [7]

Si + 2H2O + 2OH—！[Si(OH)2O2]2—+2H2

尽管这显然是一个复杂的多步反应，但人们普遍认为两个反应步骤很重要 [*5,**8,*9,10,11]. 从 Si 中去除天然氧化物使表面氢终止[12]. 第一蚀刻步骤包括 OH-离子对 Si-H 表面键的亲核攻击。

 

图 3. 电流-电位 (i-V) 曲线显示两个晶面 A 和 B 之间原电池的形成。蚀刻由氧化剂的扩散控制

阳极蚀刻：各向异性孔隙

HF溶液中Si的多孔阳极蚀刻已为人所知并应用多年 一个特别有趣的方面是蚀刻高度有序和强各向异性的介孔和大孔，其尺寸分别在 <50 nm 和 P50 nm 范围内。在 n 型硅中，这种孔可以通过光阳极蚀刻生长，这是 Lehmann 等人完善的方法. 为了定义二维排序，通过例如光刻和各向异性化学蚀刻在硅表面的正面引入蚀刻坑图案。

结论

各种形式的各向异性蚀刻广泛应用于器件制造。这种过程的机制极其复杂，涉及多种物理和化学因素。虽然这些因素是已知的，但我们当前的模型通常无法解释实验观察到的许多微妙之处。这适用于各向异性化学蚀刻和中孔/大孔蚀刻。

审核编辑：符乾江