n+-Si 在HF 溶液中的阳极极化行为和阻抗谱 - 上海有机化学研究所.PDF

化学学报 ACTA CHIMICA SINICA 1995,53. 417-424 n+-Si 在HF 溶液中的阳极极化行为和阻抗谱 贾瑞宝 王士勋* 李国铮 (山东大学化学系济南 250100) 擒要 n+-Si 在 0.25- 1. 0% HF 溶液中无光照和光照下的伏安曲线均明显地分为三段:在低极化 下呈线性关系，对应于硅的阳极溶解，形成多孔硅层但SL); 在中间电位区，电极部分表面为硅 氧化物所覆盖，阳极溶解和非均匀电抛光过程同时进行;在高极化区，全部表面为磁氧化物所覆 盖，发生均匀的电抛光过程.在上述三个区域中由交流阻抗测得的特征电容环和电感应环的变 化，揭示了囱单一阳极溶解逐渐转变为均匀抛光过程的一些细节，定性地说明了旷-Si 上进行的 竟争性反应的速率是随电位而改变，并受光照影响. 关键词 半导体，多孔硅，光电化学 1 Turnerf )在研究半导体硅在HF 水溶液中的电抛光行为时，最先发现了在一定条件下， 硅的表面可形成多孔的有序结构.自 1988 年以来，特别是多孔硅的发光性能被发现后，用 电化学和光电化学刻蚀方法控制具有一定表面形貌的多孔硅的形成和制备的研究，引起化学 界和物理界的普遍关注.目前已经发展起许多应用多孔硅的技术，如集成电路中的局部绝 缘、金属化、电发光和光信息的贮存等即1 但是对多孔硅形成机构的理解仍然不清楚.早期有些 报道认为 PSL 是阳极极化时形成的膜，后来则证实是单晶硅榕解的遗留物. Theunissen[4]将 PSL 的形成解释为空间电荷层电场大于击穿电场时的局部区击穿. Turner(1]提出硅的溶解过 程涉及两个空穴的转移，先形成低氟硅化物，继而再与水反应放出氢气 Meming 和 Schwandt[5}发现电化学榕解的硅只有20%成为沉积膜，其余的 Si(ll )以两种后续化学反应 转变为 Si(的. Peter 等[6) 由现场 Fourier 变换红外光谱检测到 Si→f 中间物，但 Stumper 等问用光电子能谱测出单分子层的OH是附而 Si-F的覆盖度很小.以上研究表明，硅的阳 极潜解有多种中间产物，亦即存在许多竞争性反应. Searson 和 Zhang[8， 9)研究了 n 型和 P 型 多种单晶硅在HF 中的阳极极化曲线和阻抗谱，但未报道光刻蚀的过程特征.本文目的是在 对重掺杂 n-Si 电极在光照和不光照阳极伏安特征研究的基础上[91，配合阻抗谱的分析，进 一步解释整体阳极过程中，两个主要的阳极电化学竞争性反应速率随电位变化及与光照有关 的原因，提出我们对旷一Si 上的电化学和光电化学刻蚀过程的看法. 1 实验 1.1 仪器 DHZ-l 电化学综合测试仪(福建三明市无线电二厂)， DM-200 型高真空镀膜机(上海 新跃仪表厂)， M378 阻抗测试系统(美国 PAR 公司)， S-520 型扫描电子显微镜(日本日立 1993年10月30 日收到.修改稿于1994年5月4 日收到.本文为厦门大学固体表面物理化学国家重点实验 室资助的项目. • 418. 化学学报 ACTA CHIMICA SINICA 1995 公司). 1.2 材料与试剂 硅片由山东大学科学仪器厂提供，磷重掺杂的 n 型单晶硅，电阻率为0.0030- cm: 晶 向 (111)，经X 衍射谱确证.所用试剂均为分析纯.未作进一步纯化处理，搭液全部用二次 蒸锢水配制. 1.3 电极制备 将硅片用丙酣擦拭干净，置于棍合酸溶液[l创 (16: 13: 1 67% HN0 -HCOOH-40% 3 HF) 中刻蚀约 2min，依次用水、蒸馆水、无水乙醇和丙嗣冲洗后吹干，移人DM-200 型高 真空镀膜机中，在 2x 10→Pa 真空度下，将硅片背面蒸着一层金属铝，再在铝层上涂上 Ga-In 合金作成欧姆接触 1.4 测试方法 2 电解池用有机玻璃制成，池