多晶硅电极腐蚀机理及表面钝化策略

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1、多晶硅电极腐蚀机理及表面钝化策略关键词：电极腐蚀氢终端FDTS自组装单层多晶硅摘要我们进行了一个在高相对湿度和施加偏压的情况下，在多晶硅电极的形态和化学演化方面，对几何形状和表面终端的影响的详细研究。腐蚀测试结构由两个通过氮化硅层从基板上分离的多晶硅电极组成。阳极氧化在具有天然氧化物层的电极上被观察到。当阳极到阴极面积之比大于1时,阴极在RH值$89%条件下20小时内发生损坏。不寻常的现象归因于在系统屮的表面电解质驱动的电化学反应。对腐蚀机理的了解，使表面钝化预处理的选择降低所观察到的腐蚀。特别对氢终端

2、和三氯硅烷为基础的自组装单层涂层的影响进行了研究。据发现，虽然这两种方法都有助于在这两个电极上降低腐蚀速率，但是自组装膜有更持久的影响。这是由于自组装膜的更大的稳定性和其上形成的氮化硅具冇隔离层的能力。由ElsevierB.V•发布致，当阳极被破坏到下面的衬底，从电化学点打破了对称［9］。在相对湿度为74%的较低环境下，所有未钝化的电极暴露20小时后只观察到阳极腐蚀。电化学反应，如假定为是在MEMS器件中引起腐蚀的，需要一种电解质作为离子物质的载体。在这项研究中，涂有口然氧化膜和硅氮化物的多品硅的隔离层

3、都具有亲水性表面就证明了低的水接触角，列于表lo因此，在潮湿的环境中，水层在微观结构的表面上是容易被吸收的。厚度随相对湿度［21］单调递增的薄水层是一种表面电解质，并形成过隔离层的从阳极到阴极的导电路径。在阳极孔被供给，硅的氧化是主耍的反应：H20->H++0H・⑴Si+20H・+2H+fSiO2+H2(2)电子在其中的阴极被供给，提出还原水和溶解氧［9］：2H2O+2e-—H2+2OH・(3)02+2H2O+4e—>40H-(4)散装电解质缺乏限制了反应副产物的扩散。从方程(1)至(4)如H+和0H■

4、的副产物可能堆积在产生它们的电极。因此，在阳极的附近的pH值倾向于酸性，并且本地pH将围绕阴极趋于碱性。根据硅水Pourbaix图［17］,硅的化学溶解在pH>10下形成各种可溶性物质如Si(OH)4o这些水溶性物质的形成，在浓度梯度下的扩散及沉淀的部分原因可能是所观察到的阴极腐蚀。进一步加快阴极腐蚀作用，电化学反应也可以发生在阴极处。在电化学系统中，当其电势不足以用于阴极保护，反应在多晶硅阴极发生。在只有表面的电解质体系，穿过电解质的大欧姆损耗导致电极表面电位显著减小。另外，电极的保护潜力还取决

5、于pH值，温度，压力，组成和电气状态［18］o在强碱性条件下阴极保护变得更加难以实现，如Pourbaix图所示的硅・水体系。总体上，在阴极上的高pH值是最有可能导致阴极腐蚀效果的关键。在较高的相对湿度、较厚的水层下导致的0H・在阴极上积累较大的量，从而导致观察到较强的阴极腐蚀。相比阴极，在阳极的压降是潜在损失的另一个来源。电极的电阻与宽度成正比。当阳极的宽度大于阴极所述(Aanode/Acathode>l在本试验系统)，在阳极较大的电压降导致在阴极可能进一步下降。因此，连同高pH值环境中，有效电位

6、可能不足以保护阴极以致发生。当Aanode/Acathode^l时，与在阳极上的电压降相比，阴极较小；因此，阴极可以保持所需的阴极保护的潜力，并不受影响。3.2表面处理的效果接下来研究表面处理，特别是HF的处理和FDTSSAM涂覆对腐蚀现象的影响。对这些表面修正的水接触角数据列于表1中。具有天然氧化物的多晶硅具有亲水性表面，而高频处理利FDTS涂层导致疏水表血，与己发表的报道［10?12］是一致的。FDTS涂层也形成氮化硅隔离层，如表1中所建议的数据，并与先前的报告［19］-致。图4(a)示出了经过20

7、小时暴露于89%RH和100V偏压下的对称电极的几何形状的变化。对于氢终端的电极，阳极的唯一的角落显示变色证实了EDXS分析。对于FDTS涂层结构，两个电极不受影响，拥冇独立的几何形状(图4(c)和(d))o对样品进行表面处理方式修改，并进行多次重复测试以验证所报告的变化。对于氢终端样品，变色最频繁出现在阳极上的角部；对于FDTS涂覆样品，耐腐蚀特点几乎没有见过。原子力显微镜被用于研究腐蚀试验之前和之后的涂覆表面上的汽相FDTSo图5(a)示出了涂层之前的多晶硅表面，而图5(b)和(c)所示的分别是FD

8、TS阳极涂层之前和Z后的测试情况。有效(RMS)粗糙度数据是基于图像的统计数据计算的，并在所有的情况下，粗糙度数据几乎相同。没有额外的微粒或聚类在SAM沉积期间或腐蚀试验后被观察到o当相邻的多晶硅电极之间的绝缘体的表面上的水分存在有限表面的泄漏电流如前所述，时，电化学反应发生。消耗在阳极孔的数量必须等于消耗在阴极的电子的数量。对于相同的电极几何形状，反应速率在两个电极应该止比于两个电极Z间的漏电流，从而在阳极观察到的净反应应该是与集成电流或