Уменьшенные размеры вагонных колес c-Si и c-SiGe для визуализации анизотропии и селективности влажных химических травителей

Введение

Традиционно постепенное увеличение плотности транзисторов на полупроводниковых устройствах интегральных схем достигалось за счет уменьшения размера узла. Это больше не является технологически и экономически устойчивым. Поэтому представлены новые архитектуры полевых транзисторов (FET), такие как Fin-FET и GAA-FET со схемой затвора [1,2,3]. Последний предлагает преимущество перед первым, потому что его гейт может более точно настроить канал [4]. Некоторые процессы, используемые для изготовления этих сложных трехмерных элементов, используемых в большинстве современных полевых транзисторов и ячеек памяти, требуют чрезвычайно селективных и изотропных травителей [5, 6].

Для изготовления структур GAA, содержащих одну или несколько вертикально уложенных горизонтальных кристаллических нанопроволок, необходимо очень селективное и изотропное травление жертвенных кристаллических эпитаксиальных слоев. Для выпуска нанопроволок Si, например, Si _x Ge _1-x Требуется травитель, который оставляет нанопроволоки Si неповрежденными.

Таким образом, проверка и понимание свойств травителя стало жизненно важным. Скрининг травителей на бланкетных пленках не дает достоверной информации об (ан) изотропии пары материал / травитель. Визуализация анизотропии чрезвычайно важна, поскольку травление кристаллических жертвенных слоев может быть отложено или даже остановлено из-за образования медленных травлений или так называемых «блокирующих» плоскостей в боковых канавках. Анизотропия также широко изучалась для изготовления микроэлектромеханических структур (МЭМС) [7, 8] и для текстурирования поверхности Si в солнечных приложениях [9,10,11].

В основном использовались два экспериментальных метода, каждый из которых давал зависимости скорости травления от кристаллографических направлений Si. На первом протравливается кремниевый шар или полусфера диаметром несколько миллиметров; анизотропия приводит к образованию граней, которая после количественной оценки дает скорости травления различных кристаллических плоскостей [12,13,14]. Во втором и наиболее распространенном способе кремниевые спицы или канавки наносятся на пластину радиальным образом, что приводит к так называемой форме вагонного колеса [15, 16]. Сила последнего метода заключается в том, что многие кристаллографические грани могут быть исследованы в одном эксперименте по влажному травлению, и в его эффекте усиления. Во время анизотропного влажного травления кончик спиц втягивается со скоростью, пропорциональной скорости травления боковой стенки спицы колеса вагона, причем последняя представляет собой интересующую скорость травления. Из-за геометрии спицы скорость отвода кончика спицы значительно выше, чем реальная скорость травления боковых стенок. Таким образом, эту относительно большую длину втягивания легче визуализировать и количественно оценить, чем небольшое утончение боковой стенки спиц. Коэффициент усиления зависит от геометрического расположения спиц в колесе вагона. Колеса фургона с большим количеством спиц и, следовательно, меньшими углами имеют больший коэффициент усиления. Колеса телеги, описанные в литературе [15,16,17,18], имеют диаметр в сантиметрах и обычно вмещают 180 спиц с угловой шириной и шагом 1 °, что дает коэффициент усиления 115. Для большинства применений требуется высокая скорость травления. желанный; поэтому большинство авторов изучали анизотропное травление кремния в относительно горячих (~ 60–80 ° C) и относительно концентрированных (~ 12-25 мас.%) щелочных растворах ТМАГ и КОН. Однако мало что известно об анизотропном травлении в щелочных растворах с низкой концентрацией и тем более при низкой температуре. Кроме того, большую часть времени требуется только нанометровое удаление полупроводникового материала в процессе изготовления структур нанометрового размера в наиболее передовых областях применения дополнительных металлооксидных полупроводников (КМОП). Следовательно, для большинства процессов влажного травления, используемых в очень крупномасштабной интеграции (СБИС), требуются гораздо более низкие скорости влажного травления в диапазоне нескольких нанометров / мин. Следовательно, мы предлагаем миниатюризацию колес вагонов предыдущего поколения.

В этой работе были изготовлены не только уменьшенные в масштабе c-Si, но и вагонные колеса c-SiGe. Таким образом, требования к изотропности и селективности травителей могут быть оценены одновременно с высоким уровнем точности. Поскольку основным преимуществом техники колесного вагона по-прежнему является определение степени анизотропии пар материал / травитель, мы сначала сопоставим наши результаты с результатами, полученными на колесах вагона-сантиметра в предыдущих исследованиях. Затем мы проиллюстрируем полезность этого метода для разработки селективных и изотропных травителей, особенно для селективного травления c-Si ₇₅ Ge ₂₅ относительно c-Si.

Экспериментальные / Методы

Конструкция колесного вагона

Размеры колес-вагонов были выбраны из соображений соблюдения нанометров -диапазонные потери боковой стенки, приводящие к суб - микрон длина втягивания. Размеры вагона-колеса основаны на балансе между следующими тремя границами:

1. 1.

   Фотолитографический метод устанавливает ограничение на минимальный критический размер (CD), которым является ширина (внутренней) спицы колеса вагона.

2. 2.

   Метод визуализации, определяющий максимальное практическое поле зрения (FoV) и, следовательно, максимальный диаметр колеса вагона.

3. 3.

   Максимальное количество спиц, которые могут быть расположены по круговой схеме колеса вагона, или, соответственно, минимальный угол клина спиц, определяющий максимальный коэффициент усиления.

Учитывая это, ширина внутренней спицы была установлена ​​на уровне 90 нм (CD), диаметр колеса вагона - 3,8 мкм (поле зрения), а 32 спицы были расположены по кругу. Такая конструкция колесного вагона обеспечивает угол наклона спиц 5,6 ° и коэффициент усиления около 20. Для этой цели была разработана специальная маска (рис. 1а). Размеры сравниваются с размерами ранее изготовленных колес вагонов Wind et al. (см. Таблицу 1). Колеса вагона выровнены в вертикальном и горизонтальном направлениях с шагом 3,9 мкм, оставляя зазор 100 нм между двумя колесами вагона (рис. 1b). Производство этих колесных вагонов будет описано в следующем разделе.

Колеса вагона в соответствии с рисунком на маске ( a ) и после процесса нанопроизводства:вид сверху SEM ( b ), сканирующий электронный микроскоп (SEM) в наклонном положении ( c )

Производство колесных вагонов

Кристаллический кремний (c-Si) вагон-колеса были изготовлены на стандартных пластинах Si (100) и Si (110) p-типа (легирование B, 1–100 Ом · см) 300 мм. Процесс формирования рисунка состоял из нанесения пакета жестких масок, состоящего из (сверху вниз) 30 нм нитрида кремния, 160 нм аморфного углерода (APF), 20 нм нитрида кремния и 30 нм аморфного Si. Для переноса рисунка на фоторезист использовалась иммерсионная литография с длиной волны 193 нм. После проявления фоторезиста рисунок колеса вагона травили с помощью плазменного травления, которое включало фоторезист и полоску APF. Нижний слой пакета жесткой маски, представляющий собой слой SiN, был удален с использованием горячей фосфорной кислоты (6 мин. 85 мас.% H ₃ ЗП ₄ при 160 ° C) или плавиковой кислоты (5 мин 10 мас.% HF). На рис. 1с показан вид изготовленных колес вагона под наклоном на сканирующем электронном микроскопе.

Кристаллические кремний-германиевые тележки-колеса (c-Si ₇₅ Ge ₂₅ ) также были изготовлены на стандартных пластинах Si (100) или Si (110) p-типа (легированные B, 1–100 Ом · см) 300 мм. Перед нанесением рисунка слой нелегированного Si ₇₅ толщиной примерно 600 нм Ge ₂₅ наносился эпитаксиально. После этого были выполнены те же этапы формирования рисунка, что и для колес Si вагона, в результате получился c-Si ₇₅ Ge ₂₅ вагон-колесные спицы.

(An) Эксперименты по изотропному влажному травлению

Перед изотропным мокрым травлением (ан) очистка СЗМ (5 мин H ₂ SO ₄ :H ₂ О ₂ 3:1 при 60 ° C), направленная на удаление органических остатков, после чего оксидный слой удалялся при 2-минутном погружении в водный 1 мас.% Раствор HF. Сразу после процессов очистки SPM и HF анизотропия травителя анализируется путем помещения тестового образца в образец травителя без перемешивания при комнатной температуре (RT). TMAH и NH ₄ Растворы травителей ОН получали разбавлением 25 мас.% ТМАГ или 29 мас.% NH ₄ ОЙ. Растворы перуксусной кислоты (ПАК) получали смешиванием 9,5 частей H ₂ О ₂ (30 мас.%), 11 частей уксусной кислоты (98 мас.%) И 0,1 части HF (49 мас.%). Известно, что этот травильный раствор избирательно травит Si _x Ge _1-x сплавы над чистым Si [19, 20]. PAA, который действует как окислитель при травлении SiGe, образуется в результате реакции уксусной кислоты с пероксидом с HF в качестве катализатора. Однако для достижения равновесия необходимо определенное время; поэтому растворы выдерживались в течение 1 недели. Анизотропию и селективность травителя оценивали, помещая тестовые образцы в не перемешиваемый образец травителя при комнатной температуре. Сразу после травления образцы были промыты в течение 30 секунд в деионизированной воде, а затем высушены газообразным азотом.

Результаты и обсуждение

Анизотропное травление вагонных колес c-Si (100) и c-Si (110) в TMAH

Когда кремниевые тележки-колеса, изготовленные на пластине Si (100), протравливаются в ТМАГ с низкой концентрацией (5 мас.%) При комнатной температуре, можно сделать следующие наблюдения (рис. 2):во-первых, характерная четырехкратная симметрия Si Пластина (100) раскрывается при анизотропном травлении вагонного колеса. Во-вторых, зависящую от ориентации скорость травления различных кристаллографических плоскостей можно определить визуально:относительно быстрые травильные спицы колес телеги определяются плоскостями боковых стенок {110} и вицинальными {110}, а спицы более медленного травления определяются {100} и вицинальная {100} плоскости боковых стенок. Помимо этого основного наблюдения, порядок скорости травления Si при низкой концентрации и RT TMAH следует R ₍₁₁₀₎ > R ₍₁₀₀₎ можно было различить и другие анизотропные эффекты:например, четыре спицы, соответствующие четырем плоскостям {110}, не являются самыми быстродействующими спицами травления, а точнее, каждый раз двумя смежными спицами этих плоскостей {110}. Соответственно, скорость травления около {110} разбивается на два эквивалентных максимума, а плоскости {110} являются локальными минимумами. Это соответствует аналогичным наблюдениям, сделанным в [21,22,23], где более низкая скорость травления плоскостей {110} объясняется блокирующим эффектом TMA ⁺ ионы.

а TD SEM Si (100) колеса вагона, протравленного в TMAH с низкой концентрацией (5 мас.%) При комнатной температуре и увеличенном масштабе ( b ), показывающий развитие более быстрых плоскостей / граней травления {110}, как показано пунктирными линиями

Еще одним результатом анизотропного травления является особая форма внешних концов четырех спиц {100}. Известно, что самый быстрый Плоскости травления будут выявлены для выпуклых поверхностей. Первоначально концы спиц являются выпуклыми поверхностями, следовательно, после определенного времени травления проявляются более быстрые плоскости травления {110}, образующие фасетки на внешних концах спиц. Это наиболее очевидно для спиц в направлениях <100> (увеличенное изображение b на рис. 2).

Для вогнутой поверхность, однако, самый медленный будут выявлены плоскости травления. Во время травления спиц вагона-колеса также протравливается подложка Si (100), окружающая спицы. Этот переход основа-подложка представляет собой вогнутую поверхность; следовательно, должны быть выявлены самые медленные плоскости травления - плоскости {111}. Эти плоскости {111} кажутся выровненными с направлениями <110> для подложек Si (100). Фактически, на рис. 3b можно увидеть, что плоскости {111} были обнаружены после травления в TMAH, образуя основу с наклонными плоскостями {111} для всех спиц вдоль направлений <110>.

а Наклонное СЭМ-изображение колеса вагона из Si (100), протравленного в TMAH с низкой концентрацией (5 мас.%) При комнатной температуре и увеличенном масштабе ( b ) с изображением наклонных {111} плоскостей

Подобно колесам вагонов из Si (100), колеса вагонов из Si (110) протравливались в ТМАГ с низкой концентрацией (5 мас.%) При комнатной температуре. Вместо четырехсторонней симметрии пластины Si (100) обнаружена двукратная симметрия Si (110). Кристаллографические ориентации некоторых плоскостей {100}, {110}, {111} и {211} показаны на рис. 4a. Одним из преимуществ использования подложек Si (110) для оценки анизотропии является наличие вертикальных плоскостей {111}, которые представлены боковыми стенками спиц {111} колес вагона. Как видно на рис. 4, это самые медленные плоскости травления. Самыми быстрыми плоскостями травления кажутся плоскости {110} и {211}. Найдены промежуточные скорости травления для плоскостей {100}. Следовательно, R ₍₁₁₀₎ ~ R ₍₂₁₁₎ > R ₍₁₀₀₎ > R ₍₁₁₁₎ , что соответствует результатам, полученным на Si (100).

а TD-SEM Si (110) колеса вагона, протравленного в TMAH с низкой концентрацией (5 мас.%) При комнатной температуре и увеличенном масштабе ( b ), показывающий формирование фасок на спицах, ориентированных <111>. Основные кристаллографические направления (или эквивалентные плоскости) представлены сплошными линиями, плоскости с более высоким показателем преломления - пунктирными линиями

На рис. 4b можно увидеть, что концы спиц {111}, наиболее медленно протравливающиеся, меняют форму от закругленной к форме стрелы, образуя асимметричный параллелограмм. Основная причина образования этих граней - более быстрое травление плоскостей {110} и {211}.

Смеси TMAH и TMAH / IPA хорошо изучены и широко используются для изготовления МЭМС-структур, для которых требуются высокие скорости травления и настройка анизотропии. Соответственно, большинство исследований травления Si в TMAH проводилось при более высоких температурах и концентрациях. Типичные концентрации составляют от 10 до 25 мас.% ТМАГ и при температурах от 60 до 90 ° C [12,13,14, 23]. Несколько исследовательских групп выполнили испытания на травление при низких концентрациях около 5 мас.%, Как и в нашей работе, но они по-прежнему использовали высокие температуры 60–90 ° C [24,25,26]. R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ соотношение обычно составляет около 2 для высоких концентраций и высоких температур и, кажется, увеличивается с уменьшением Температура TMAH (дополнительный файл 1:S1). Поскольку это исследование сосредоточено на применении наноразмерного травления, высокие скорости травления не преследуются. Поэтому низкие температуры (RT) были выбраны для того, чтобы иметь приемлемое временное окно для наблюдения явлений травления и избежать полного растворения структур. Тот же порядок скоростей, R ₍₁₁₀₎ > R ₍₁₀₀₎ , наблюдается в этом исследовании, проведенном при комнатной температуре и 5 мас.% TMAH, но расчетные значения R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ соотношение значительно выше 2 (см. также ссылку [27]). Таким образом, это подтверждает тенденцию к увеличению этого коэффициента анизотропии с уменьшением Температура TMAH. Подробное механистическое объяснение этого наблюдения, включая кинетические и атомистические аспекты, выходит за рамки данной работы. Однако, основываясь на приведенных выше сравнениях травления кремния в TMAH, можно сделать вывод, что уменьшенные в масштабе колеса тележки обеспечивают необходимую чувствительность для обнаружения и сравнения анизотропного поведения травителей.

Анизотропное травление вагонных колес c-Si (100) и c-Si (110) в NH ₄ ОН

Колеса вагонов из Si (100), а также колеса из Si (110) были протравлены в гидроксиде аммония с низкой концентрацией (0,4 мас.%) (NH ₄ ). ОН) в RT. В первом (рис. 5, слева) выявляется четырехуровневая симметрия пластины Si (100). Ясно, что спицы вдоль направлений <210> и <310>, которые теоретически расположены под углом 18,4 ° и 26,6 ° по отношению к направлениям <110>, лучше всего представлены третьей спицей (считая от верхней «северной» спицы. ) с боковыми стенками под углом 19,7 ° и 25,3 ° - самые быстрые спицы травления. Спицы {110} травятся медленнее, чем {100}, и на внешних концах этих спиц появляются фаски. Эти грани, вероятно, являются плоскостями быстрого травления {210} и {310} и могут способствовать общей более высокой кажущейся скорости травления спиц {110}, особенно при более длительном времени травления. Таким образом, наблюдаемая скорость травления соответствует R ₍₃₁₀₎ ~ R ₍₂₁₀₎ > R ₍₁₀₀₎ ~ R ₍₁₁₀₎ .

Изображение TD SEM Si (100) (слева) и Si (110) колеса вагона (справа), протравленных в NH4OH с низкой концентрацией (0,4 мас.%) При комнатной температуре. Конкретные кристаллографические направления представлены символом [], семейство эквивалентных направлений - знаком <>. Основные кристаллографические направления (или эквивалентные плоскости) представлены сплошными линиями, плоскости с более высоким показателем преломления - пунктирными линиями

Для тележек-колес Si (110) (рис. 5, справа) двойная симметрия относительно плоскости (100) и (110) обнаруживается посредством анизотропного травления в NH ₄ ОЙ. Спицы в направлениях <111> с боковыми стенками {111} выглядят как самые медленные спицы или плоскости для травления. Самые быстрые спицы травления определяются плоскостями с высоким индексом {211} и {311}. {110} и {100} имеют промежуточные скорости травления. Следовательно, результаты Si (110) соответствуют результатам Si (100) в NH ₄ ОЙ. Также для колес тележки Si (110) заметна фаска спиц, особенно на внешних концах спиц {111} и {100}. Фасеты, вероятно, являются развитием более быстрых плоскостей травления {211} и {311}.

В литературе имеется ограниченная информация об анизотропии скорости травления NH ₄ . ОЙ. Однако водные растворы NH ₄ ОН также использовались в качестве анизотропных травителей [28] со свойствами, аналогичными другим ОН ^- содержащие Si травители. Преимущество в том, что он не содержит металлов (например, K ⁺ , Na ⁺ , Cs ⁺ , ...). Следовательно, NH ₄ ОН - это IC-совместимый травитель, заслуживающий изучения. Schnakenberg et al. показал, что R ₍₁₁₁₎ / R ₍₁₀₀₎ Коэффициент травления для рисунка травления типа вагон-колесо, протравленного в 3,7 мас.% NH ₄ OH при 75 ° C составляет приблизительно 0,04, а R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ коэффициент травления 0,3 [28]. Более поздний результат хорошо согласуется с нашим расчетным коэффициентом скорости травления 0,5 для R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ .

Из наших результатов видно, что травление Si в NH ₄ ОН дает разные рисунки травления вагон-колесо по сравнению с ТМАГ. Хотя есть небольшая разница в [OH ^- ] для обоих травильных растворов (~ 0,12 M против ~ 0,55 M), как травление в TMAH, так и в NH ₄ ОН проводились при той же температуре (RT). Единственное остающееся отличие - это противокатион:более объемный (CH ₃ ) ₄ N ⁺ по сравнению с меньшим NH ₄ ⁺ катион. Было отмечено, что катионы в растворе травителя могут прилипать к поверхности, тем самым избирательно блокируя различные участки поверхности Si с концевыми гидроксильными группами, связанные с разными плоскостями травления [29, 30]. Если скорость травления различных плоскостей изменяется по-разному, анизотропия будет изменяться.

Выборочное травление Si ₇₅ Ge ₂₅ К Си

В этом разделе мы продемонстрируем и обсудим потенциал уменьшенных тележек для оценки скорости травления и селективности травителей. Si / Si ₇₅ Ge ₂₅ пара была выбрана в качестве модельной системы, поскольку она репрезентативна для образования структур GAA, посредством которых жертвенный c-Si ₇₅ Ge ₂₅ прослои должны травиться изотропно и селективно в направлении нанопроволок c-Si. Травление производится в селективном травителе, приготовленном смесью HF, H ₂ О ₂ , и CH ₃ COOH. Известно, что эта смесь будет образовывать перуксусную кислоту (CH ₃ CO ₃ H) из-за катализируемой кислотой реакции между пероксидом и уксусной кислотой [31, 32]. По истечении определенного времени выдержки достигаются равновесные концентрации. Образованный таким образом ПАК является эффективным и селективным окислителем Si ₇₅ Ge ₂₅ . После селективного окисления SiGe оксиды SiGe будут растворены HF во второй реакции, ограниченной диффузией.

c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Образцы колес вагонов были погружены в раствор ПАК на увеличивающееся время ( t ₀ + 30 с, + 60 с, ... + 180 с), а за травлением спиц вагона-колеса следили с помощью последующих нисходящих измерений SEM. Ширину спиц можно надежно измерить нашим обычным СЭМ, если они не меньше 10 нм. Результаты показаны во временном ряду на рис. 6. Изначально спицы колес вагонов истончены из-за травления их боковин. Все Si ₇₅ Ge ₂₅ спицы истончаются одинаково, что доказывает изотропность травления. Приблизительно через 90 с кончики спиц начинают втягиваться, что указывает на возникновение эффекта усиления. Мы видим, что этот эффект усиления начинает проявляться только после того, как кончики спиц превратились в острые. В t ₀ , кончики спиц по-прежнему закруглены. Из-за постепенно сужающихся боковин на начальном этапе травления спиц ( t <90 с), закругленный кончик превращается в просто острый кончик, и спицы начинают втягиваться (см. Также Дополнительный файл 1:S2). Этот вывод ясно иллюстрируется формой спицы колеса вагона в точке t =180 с:примерно половина спицы вытравлена ​​из-за втягивания кончика иглы (∆l составляет примерно 450 нм). Однако остается некоторое количество SiGe, по крайней мере, на самом широком конце спиц, поскольку боковые стенки втянуты только на величину ∆w ~ ∆l / 20 =22,5 нм с обеих сторон. Следовательно, по прошествии критического времени ( t _крит ) длину отвода (∆l) можно использовать для косвенного расчета скорости травления Si ₇₅ Ge ₂₅ спицы. Однако до этого t _крит , скорость травления может быть рассчитана только путем прямого измерения потерь на боковой стенке (∆w), которые трудно измерить. Сравнение скоростей травления Si и SiGe в PAA, полученных прямым измерением потерь в боковой стенке и косвенным измерением втягивания спицы, показано в таблице 2. Скорости травления были получены по наклону уменьшения ширины боковой стенки в зависимости от времени и крутизна увеличения длины втягивания спиц в зависимости от времени. Последний наклон был рассчитан с использованием точек данных после t _крит как показано на рис. 7. Кажется, что ширина боковой стенки линейно уменьшается, по крайней мере, до предела наблюдения нашего обычного SEM, который составляет примерно 10 нм. Вплоть до этих размеров элементов мы не наблюдали каких-либо заметных изменений скорости травления во время постепенного утонения спиц (рис. 7 и 9).

Временные ряды травления вагонных колес Si75Ge25 (100) в растворе ПАК

Травление спиц Si75Ge25:ширина спиц постепенно уменьшается, но только после определенного tcrit. Кончики спиц начинают втягиваться, и измеренные длины втягивания Si75Ge25 могут быть подобраны линейно a.f.o. время травления (заштрихованная область)

Помимо получения скоростей травления для SiGe травителя, мы проверили изотропное поведение травителя. Понятно, что все разноориентированные спицы травятся с одинаковой скоростью травления, т. Е. Изотропно. Таким образом, это указывает на процесс, скорость реакции которого контролируется скоростью растворения оксида, а не Si ₇₅ Ge ₂₅ скорость окисления. Растворение оксида ограничено диффузией, имеет низкую энергию активации и не подвержено анизотропии.

Результаты, полученные на c-Si ₇₅ Ge ₂₅ (100) колеса вагона были проверены c-Si ₇₅ Ge ₂₅ (110) вагон-колеса. Как объяснялось для силиконовых колес вагонов, одним из преимуществ использования подложек (110) является дополнительное присутствие вертикальных плоскостей {111}, представленных боковыми стенками спиц {111} колес вагонов. Обычно это самые медленные плоскости / спицы травления; таким образом, тщательное наблюдение за этими спицами необходимо для полного изображения анизотропии Si ₇₅ Ge ₂₅ -PAA травильная пара. Результаты (см. Дополнительный файл 1:S3.1) соответствуют результатам травления, полученным с помощью Si ₇₅ . Ge ₂₅ (100) вагон-колеса (рис. 6). Травление шло постепенно, сначала утонением с последующим отводом кончика спиц. Небольшая неоднородность длин втягивания разно ориентированных спиц может наблюдаться при самом большом времени травления ( t =180 с). Однако, поскольку нет четкого тренда, т.е. определенной угловой зависимости ∆l, это не было связано с анизотропией. Мы объясняем это просто большим разбросом (между спицами и внутри спиц) ширины спиц после изготовления. Действительно, это уже видно на эталонном изображении ( t ₀ ), что боковины не совсем прямые. Эта шероховатость боковой стенки, вероятно, связана с релаксационными дефектами эпитаксиально осажденного Si ₇₅ Ge ₂₅ слой на подложке (110). Таким образом, как c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Колеса вагонов (100) и (110) изотропно протравлены в растворе ПАК, что является преимуществом для быстрого и полного удаления c-Si ₇₅ Ge ₂₅ , используемый в качестве жертвенного материала, поскольку он не склонен образовывать какие-либо блокирующие плоскости.

Мокрое травление в ПАК было повторено для вагонных колес из c-Si. Целью этих испытаний является проверка селективности раствора травителя по отношению к кремнию. Образцы были погружены в идентичный раствор ПАК на увеличивающееся время ( t ₀ + 15 мин, + 30 мин, ... + 90 мин). Обратите внимание, что время травления указано в минутах . а не в секундах, как для Si ₇₅ Ge ₂₅ вагон-колеса. Это увеличенное время травления предназначено для наблюдения за любым травлением кремния, даже если целью этого травителя является сохранение кремния.

Хотя время травления было другим, аналогичные наблюдения, что и для Si ₇₅ Ge ₂₅ Были изготовлены спицы колесных вагонов:сначала силиконовые спицы постепенно истончаются из-за их относительно медленного травления боковин, затем через некоторое время t _крит в этом случае примерно через 45 мин спицы начинают относительно быстро втягиваться из-за эффекта усиления (рис. 8 и 9). Во всех случаях травление кажется изотропным. Временные ряды, полученные с колесами вагона c-Si (100) (см. Дополнительный файл 1:S3.2), соответствуют временным рядам, полученным с колесами вагона c-Si (110) (рис. 8).

Временные ряды травления Si (110) тележек в растворе ПАК. Обратите внимание на немного более низкую скорость травления спиц <111> по сравнению с другими направлениями, что наиболее заметно на изображении t ₀ + 90 мин, обозначено пунктирными линиями

Etching of Si spokes:the spoke width decreases gradually, but only after a certain tcrit., the spoke tips start to retract, and the measured retraction lengths can be fitted linearly a.f.o. etching time (gray-shaded area)

Calculated etch rates are shown in Table 2. Both measurement methods give comparable etching rates with only a 7% and 4% difference in the etch rate values of the {111} and {110} planes, respectively. The values of the Si etching rate are all < 1 nm/min. Holländer et al. measured Si(100) etch rates of ~ 10 nm/min with HF:H₂ О ₂ :CH ₃ COOH 1:2:3 with a HF concentration of 1.6 wt.% and Wieser et al. measured etch rates of ~ 3 and 5 nm/min for undoped Si(111) and Si(100), respectively with BHF:H₂ О ₂ :CH ₃ COOH 1:2:3 solutions with a HF concentration of 1 wt.% [33, 34]. Our values compare well with those reported values, considering that the HF concentration in our tests are lower ([HF] =0.25 wt.%). Our results also suggest a slightly lower etching rate of the {111} planes, measured on Si(110) substrates, compared to the {110} planes, measured on Si(100) substrates. These quantitative results point toward a very low etching anisotropy of Si in PAA which is hardly observable by the top-down SEM images. For the sake of clarity, the {111} planes of the wagon-wheel at t ₀ + 90 min in Fig. 8 are indicated and it can be noticed that the {111} spokes are slightly broader and longer than the surrounding spokes. This demonstrates again that these scaled-down wagon-wheels are sensitive to detect very faint differences in the crystallographic plane-dependent etch rates (‘anisotropy’) of etchants.

The selectivity ratios of the Si₇₅ Ge₂₅ /Si pair in PAA were extracted from the etching rates in Table 2. The selectivity ratios of Si₇₅ Ge₂₅ (111)/Si(111) range between 11.0 and 12.6 while the Si₇₅ Ge₂₅ (110)/Si(110) ratios are slightly higher, between 14.2 and 16.8. These values are slightly lower than the reported values from Holländer et al. who claim selectivities around ~ 20 [33]. This can be attributed to the higher SiGe etch rates (11–17 nm/min) due to the dynamic process conditions (wafer rotation) in contrast to our static process conditions (no stirring) in which case the SiGe etch rates were ranging between 7.8 and 12.3 nm/min. Interestingly, this confirms the observed isotropic etching of SiGe in PAA:since the reaction rate is kinetically controlled (by stirring or rotation), the rate determining step (RDS) is most probably the diffusion controlled SiGe-oxide dissolution by HF.

Выводы

Scaled-down wagon-wheels with a diameter of 4 μm and 32 spokes exposing the different crystallographic planes were fabricated on 300-mm-diameter wafers. The structures were patterned on Si(100), Si(110), Si₇₅ Ge₂₅ (100), and Si₇₅ Ge₂₅ (110) substrates allowing the observation of the etching of the three main crystallographic orientations of c-Si and c-Si₇₅ Ge₂₅ ({111}, {110}, and {100}) as well as higher index planes. The structures proved to be valuable for the evaluation of the isotropic or anisotropic behavior of etchants by simple inspection by TD SEM. Various alkaline as well as acidic etchants were evaluated by image analysis of their characteristic wagon-wheel etching pattern. Trends in etching ratios were in good agreement with previous works. In TMAH, the plane-dependent etching rate of silicon follows the order:R ₍₁₁₀₎ ~ R ₍₂₁₁₎ > R ₍₁₀₀₎> R ₍₁₁₁₎ . In NH₄ OH, on the other hand, the etching rate follows the order:R ₍₃₁₀₎ ~ R ₍₂₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ ~ R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₁₁₎ . Besides the relative etching rates of the main crystallographic planes, other anisotropic features, like facets, were observed, indicating that the structures are very sensitive to changes in the anisotropic properties of the etchant.

In addition to their capacity for the revelation of the (an)isotropy of etchants, these wagon-wheel structures also demonstrate their benefit for the assessment of the selectivity of etchants. For this purpose, the system PAA/Si/Si₇₅ Ge₂₅ was assessed in terms of Si₇₅ Ge₂₅ etching, selective toward Si. Selectivity values were obtained by two methods:the first by measurement of the sidewall loss of the spokes; the second, indirect method, through measurement of the spoke retraction lengths. It was shown that the latter method could only be used after a certain critical etching time, after which the spoke tips have evolved toward a seemingly sharp tip.

In conclusion, scaled-down wagon-wheels can be used as lab-scale vehicles for the swift evaluation of anisotropy and selectivity of material/etchant pairs. The structures also have the potential to be used as high-throughput short loop test structures for the screening of etchants on 300 mm wafer wet processing tools. In addition, due to their small size, these wagon-wheels could be used for future in-situ etching studies, using liquid cell environmental electron transmission microscopy ETEM.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

AA:

acetic acid

BHF:

buffered hydrofluoric acid

CD:

critical Dimension

CMOS:

complementary metal oxide semiconductor

c-Si:

single-crystalline silicon

c-SiGe:

single-crystalline silicon-germanium

ETEM:

environmental electron transmission microscopy

FinFET:

fin field effect transistor

FoV:

field of view

GAA:

gate all around

HF:

hydrofluoric acid

MEMS:

microelectromechanical systems

PAA:

peracetic acid

R _(xyz) :

etch rate of a (xyz) plane

RDS:

rate determining step

SEM:

scanning electron microscopy

TMAH:

tetramethyl ammonium hydroxide

VLSI:

very large-scale integration