碳化硅在碱性溶液中的阳极刻蚀

引言

人们对用于器件应用的碳化硅(SiC)重新产生了浓厚的兴趣。它具有良好的晶格常数和热膨胀系数，可以作为第三族氮化物外延生长的衬底。在许多应用领域，例如与航空航天、汽车和石油工业相关的领域，需要能够在高功率水平、高温、高频和恶劣环境下工作的电子设备。硅(Si)不能满足这些要求；碳化硅可以。此外，由于其典型的化学和机械性能，碳化硅与硅结合，在传感器和微机电系统(微机电系统)中得到更广泛的应用。

对于阳极蚀刻，避免形成钝化的表面氧化物二氧化硅至关重要，二氧化硅可以形成二氧化硅，并且在HF水溶液中是可溶的。已知二氧化硅也可溶于碱性溶液；硅微机电系统技术的许多方面都利用了这一特性。令人惊讶的是，在高酸碱度下对碳化硅的电化学腐蚀很少受到关注。本文表明这种方法既可用于碳化硅的均匀刻蚀，也可用于碳化硅的钝化。还使用了带有反电极但没有电压的n型碳化硅的光阳极蚀刻。我们考虑与该方法的两种可能用途相关的结果:缺陷揭示和层选择性蚀刻。

实验

n型晶片轴向取向，掺氮，电阻率在0.01和0.07厘米之间变化。p型晶片取向为8°离轴，掺铝，电阻率为3.86厘米。本研究中使用的所有样品都具有硅极面。对于电化学实验，使用Si3N4掩模在样品上限定圆形开口。开口的直径是2毫米。通过在晶片的背面蒸发300纳米厚的铝/钽/金层，与p型碳化硅形成欧姆接触。金属化晶片随后在850℃退火10分钟。使用300纳米钛/金层接触n型晶片，随后在1000℃下进行1秒退火步骤。样品安装成旋转圆盘电极(RDE)。化学蚀刻在含有10%氧化镁的氢氧化钾/氢氧化钠共晶中进行，温度范围为520–540℃，持续5–10分钟。通过用表面轮廓仪测量蚀刻深度来确定蚀刻速率，并且使用差分干涉对比光学显微镜、原子力显微镜和扫描电子显微镜(SEM Jeol 6330)来检查蚀刻后的表面形态。

结果和讨论

 p型SiC的电化学：图1显示了p型4H-碳化硅电极在20.5℃不同氢氧化钾浓度下的电流密度-电势(j-U)图。对于所有曲线，观察到典型的主动/被动转变。在较低的电位下，电流随着电位的增加而增加。这与表面空穴浓度对空间电荷层中能带弯曲的指数依赖性有关。

在稳态条件下，被动范围内的氧化物形成速率等于氧化物的化学溶解速率。由于表面上的氧化物，从正电势到负电势的返回扫描中的电流比正向扫描中的电流低得多。当表面氧化物开始被去除时，电流有所恢复。完全去除氧化物后，电流完全恢复。正如预期的那样，回收时间随着氢氧化钾浓度的增加而减少:从0.1M氢氧化钾溶液中的4分钟减少到1.0M氢氧化钾溶液中的1.5分钟。峰值(jp)和无源范围内的电流密度都随着OH含量的增加而增加，并且在所有浓度下都观察到钝化。观察到的峰值电流密度对应于0.1–1.0m氢氧化钾溶液浓度范围内105至523nm min-1的蚀刻速率。

图1 p型4H-碳化硅在20.5℃不同氢氧化钾浓度下的电流-电位曲线

温度对电流-电位特性的影响如图2(a)所示。实验在0.1M氢氧化钾溶液中进行。峰值电流密度强烈依赖于温度；它随着温度的升高呈指数增长。在图2(a)的右轴上描绘的蚀刻速率在温度升高15.3℃时增加了2.55倍。

n型SiC的光电化学

从图3的结果可以清楚地看出两种状态:在低光子通量下，极限光电流直接取决于光强；在最高光子通量下，发生完全钝化。图4所示的结果表明，这两种状态之间的转变可以通过实验条件来调节。在23℃的低浓度范围(10毫米)内，测量了作为各种羟基浓度的光子通量的函数的极限光电流。使用了非聚焦光源。从图4可以清楚地看出，对于给定的OH浓度，光电流随着光强的增加而增加，然后趋于平稳。较高光子通量下的恒定光电流取决于OH，并随着电极转速和浓度的增加而增加。

图3  n型6H-碳化硅在22.5℃0.1M氢氧化钾溶液中不同光强下的电流密度-电势图

图4 对于23℃的n型6H-碳化硅，0.625伏的光电流与0.5M K2SO4中不同氢氧化钾浓度下的光照强度的关系。光源没有聚焦

结论

对于p型碳化硅在暗条件下和在光照条件下的n型碳化硅，均能获得较高的阳极蚀刻率。碳化硅的溶解速率与氢氧化钾浓度有密切的关系和温度关系。在高阳极电位下，可以观察到表面钝化。结果发现，碳化硅在氢氧化钾溶液中的溶解受到动力学控制。结果表明，n型碳化硅在氢氧化钾溶液中的光刻技术是揭示缺陷的有力工具。此外，p型和n型碳化硅和Si在氢氧化钾溶液中的电化学性质原则上应该允许层选择性蚀刻。