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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中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有隔离层的能力。由Elsevier B.V.发布介绍越来越多地使用微机械致动器和先进的传感器导致了对故障模式和这些结构的可靠性越来越多的兴趣和关注[1-4]。稳定的微机电系统（MEMS）设备必须工作在各种条件下，包括范围广泛的气候条件，并且长时间。一个对MEMS器件与周围环境的相互作用的基本了解是必须的，以便进行更有效的设备设计和预测设备的运行、可靠性和寿命。无处不在的水蒸气催生了相对湿度（RH）对MEMS器件关键的性能和可靠性的影响的研究。由于它们的尺寸减小，这些设备通常在高电场操作（107伏/米）[5,6]，即使是温和的外加电压。高电场和环境湿度的组合可能导致致使腐蚀的电化学反应。这是传感器性能的一个主要问题，因为电极的腐蚀能降低器件的灵敏度，甚至导致设备故障。用硅，设备在操作期间的腐蚀经常涉及氧化的正偏压电极或阳极 [7,8]。此外，损坏的负偏置电极或阴极最近有被报道[9]，其中一个电极是由于违规通过硅氮化物隔离层接触到基板上。然而，这些现象在涉及不同的几何形状电极的MEMS系统的研究还没有被报道。此外，以提高电极的稳定性的计划需要解决。虽然在MEMS器件解决摩擦问题的努力已催生一些涉及以氟化氢（HF）为基础的hydrogenterminating处理[10]，以及三氯硅烷和perfluoroalkyltrichlorosilane为基础的[11?13]自组装单分子层（表面钝化处理SAM）的涂料，但是以提高的多晶硅电极的耐蚀性的表面化学处理尚未见报道。本文旨在探讨具有不同几何形状的多晶硅电极的腐蚀机理，并研究表面预处理在高相对湿度环境下的腐蚀作用，有了这些目标，具有不同的阳极到阴极的面积比的多晶硅电极被制造和测试。在这项工作中提出的设计是比较有代表性的MEMS技术所使用的设备，在其中的电极上制作一个隔离层。对于未钝化电极，在相对湿度值≥89％，阳极到阴极面积比大于1的条件下，在20小时内阴极被发现发生腐蚀。一个可以对这些结果提供合理解释的模型被提出。此外，对HF-处理和CF3（CF2）7（CH2）2SiCl3（FDTS）单层涂层作为表面预处理的影响进行了探讨。结果发现，这两种方法有助于降低腐蚀速率，对自组装膜有一个更持久的影响。实验2.1制作工艺测试结构是由2微米间隙隔开，并通过接触焊盘（图1）偏压两个矩形电极。一个电极具有300 微米长和80微米宽，而另一个具有相同的长度，但可变宽度从80微米到1500微米。图1（a）是一对80微米宽和300微米宽的电极。形成这些测试结构的掩模微细加工处理是在伯克利微细加工实验室进行的[4]。该过程开始于具有10-20?cm电阻率的n型Si（100）晶片。晶片表面首先沉积一层1微米厚掺杂磷的在450?C下的标准扩散炉中用SiH4，PH3 和O2气体制成的磷硅玻璃（PSG）层。接着， PSG膜在浓HF除去，一个生长在晶片上的600nm的低应力氮化硅层作为使用的电绝缘层，通过低压化学汽SiH2Cl2和NH3气体在800?C条件下相淀积（LPCVD）。此后，?500nm厚的掺磷多晶硅薄膜通过LPCVD装置采用SiH4和PH3气体在615?C下沉积在晶片上。多晶硅膜的薄层电阻是由Tencor公司RS35C4点探针测量。利用这一点和测得的膜的厚度，多晶硅电阻率计算为6.16×10-3?cm。该聚硅层是通过使用1微米光刻构图，硬烘烤光致抗蚀剂作为掩模，并通过氯气和HBr刻蚀反应离子制成。在这之后，将晶片由ESEC8003切割锯切割成0.5厘米×0.5厘米模具。最后，该模具在Piranha溶液（83％硫酸和17％过氧化氢，在120?C）中，用去离子（DI）水（18M?厘米）浸渍10分钟，氮气干燥。经过表面处理，这将在下面详细讨论，将电极电连接到通过铝导线接合的一个标准的16管脚封装。2.2表面处理氢终端和FDTS自组装单层涂层的表面处理在这里考察。对于芯片进行氢终端处理，将样品在具有良好的刻蚀选择性的1:1（