Продвинутые тестовые структуры типа «колесо» на c-Si/c-SiGe для точной оценки анизотропии и селективности мокрых травлений

Аннотация

Мокрое травление предлагает преимущество как мягкий, не повреждающий метод удаления жертвенного материала с близкой к нанометровой точностью, что стало критичным для наноструктур. Для разработки таких травляющих растворов скрининг свойств травляющих веществ — селективности и (анизотропии — стал жизненно важным. Поскольку эти травляющие вещества обычно имеют низкие скорости травления, требуются чувствительные тестовые структуры для оценки их поведения. Поэтому были изготовлены масштабированные одно кристаллические Si (c-Si) и SiGe (c-SiGe) «колеса-вагонки». Во-первых, продемонстрирована чувствительность c-Si колес-вагонок для обнаружения анизотропного поведения кристаллического кремния в щелочных травленчиках TMAH и NH₄OH. Наблюдались характерные узоры колес-вагонок, специфичные для каждой пары материал/травленчик, при топ-даун SEM после анизотропного мокрого травления. Похожие тренды в скоростях травления кристаллических плоскостей получены для Si(100) и Si(110) подложек. Во-вторых, оценивалось травление c-Si и c-Si₇₅Ge₂₅ колес-вагонок в типичном селективном травленчике — перуксусной кислоте (PAA). Травление c-Si₇₅Ge₂₅ в PAA дало изотропное травление. Селективность рассчитывалась двумя методами: первый — измерением потери боковой стенки спиц колеса-вагонки, второй, косвенный — через измерение длин ретракции спиц. Оба метода дают сопоставимые значения, но второй применим только после определенного критического времени травления, когда кончики спиц эволюционировали в острые наконечники.

Введение

Традиционно постепенное увеличение плотности транзисторов на интегральных схемах достигалось уменьшением технологического узла. Это технологически и экономически больше не устойчиво. Поэтому вводятся новые архитектуры полевых транзисторов (FET) вроде FinFET и gate-all-around GAA-FET [1,2,3]. Последний предлагает преимущество перед первым, так как его затвор может точнее настраивать канал [4]. Некоторые процессы для фабрикации этих сложных 3D структур, используемых в самых продвинутых FET и ячейках памяти, требуют крайне селективных и изотропных травляющих веществ [5, 6].

Для фабрикации GAA архитектур, содержащих один или несколько вертикально стекированных горизонтальных кристаллических нанопроволок, нужно очень селективное и изотропное травление жертвенных кристаллических эпитаксиальных слоев. Для освобождения Si нанопроволок, например, требуется травленчик SiₓGe₁₋ₓ, оставляющий Si нанопроволоки нетронутыми.

Следовательно, скрининг и понимание свойств травляющих веществ стало жизненно важным. Скрининг на пленочных покрытиях не дает надежной информации об (анизотропии пары материал/травленчик. Визуализация анизотропии крайне важна, так как травление кристаллических жертвенных слоев может задерживаться или остановиться из-за формирования медленно травляющихся или так называемых «блокирующих» плоскостей в боковых траншеях. Анизотропия также широко изучалась для MEMS [7, 8] и текстурирования Si в солнечных приложениях [9–11].

Принципиально использовались два экспериментальных метода, оба дающие скорости травления как функцию кристаллических направлений Si. Первый — травление кремниевой сферы или полусферы диаметром несколько мм; анизотропия порождает фасеты, которые, будучи измеренными, дают скорости травления разных кристаллических плоскостей [12–14]. Второй и наиболее распространенный — наносильные спицы или траншеи на вафле в радиальном порядке, образуя форму «колеса-вагонки» [15, 16]. Сила последнего метода в том, что многие кристаллические грани можно про sondировать в одном эксперименте и в его эффекте усиления. При анизотропном мокром травлении кончик спицы ретрактирует со скоростью, пропорциональной скорости травления боковой стенки спицы, последняя и есть интересующая скорость. Благодаря геометрии спицы скорость ретракции кончика значительно выше реальной скорости травления боковых стенок. Эта относительно большая длина ретракции легче визуализировать и kvantифицировать, чем малое утончение боковых стенок. Коэффициент усиления зависит от геометрического расположения спиц. Колеса-вагонки с большим числом спиц и меньшими углами имеют большие коэффициенты усиления. В литературе [15–18] описываются колеса-вагонки диаметром в см с 180 спицами, угловой шириной и шагом 1°, дающими коэффициенты усиления ~115. Для большинства применений желательны высокие скорости травления; поэтому большинство авторов изучали анизотропное травление Si в относительно горячих (~60–80 °C) и концентрированных (~12–25 масс.%) щелочных TMAH и KOH. Однако мало известно об анизотропном травлении в низкоконцентрированных щелочных растворах и еще меньше при низкой температуре. Также, чаще всего при фабрикации нм-структур в передовых CMOS требуется только нанометровое удаление полупроводникового материала. Поэтому нужны гораздо более низкие скорости мокрого травления, в диапазоне нескольких нм/мин, для процессов в VLSI. Поэтому мы предлагаем миниатюризацию предыдущего поколения колес-вагонок.

В этой работе изготовлены не только масштабированные c-Si, но и c-SiGe колеса-вагонки. Таким образом, изотропные требования и селективность травляющих веществ могут оцениваться одновременно с высокой точностью. Поскольку главный актив техники колеса-вагонки — определение степени анизотропии пар материал/травленчик, мы сначала сравним наши результаты с полученными на см-колесах-вагонках в предыдущих работах. Затем проиллюстрируем пользу техники для разработки селективных и изотропных травляющих веществ, конкретно для селективного травления c-Si₇₅Ge₂₅ по отношению к c-Si.

Экспериментальные методы

Дизайн колеса-вагонки

Размеры колеса-вагонки выбраны для наблюдения нанометровых потерь боковой стенки, приводящих к субмикронным длинам ретракции. Дизайн основан на балансе трех границ:

1. Фотолитографическая техника, задающая ограничение на минимальный критический размер (CD) — ширину внутренней спицы.
2. Метод визуализации, определяющий максимальное практическое поле зрения (FoV), и thus максимальный диаметр колеса-вагонки.
3. Максимальное число спиц, размещаемых в круговом узоре, или минимальный угол клина спицы, определяющий максимальный коэффициент усиления.

Учитывая это, внутренняя ширина спицы установлена в 90 нм (CD), диаметр колеса-вагонки — 3.8 мкм (FoV), 32 спицы расположены по кругу. Это дает углы спиц 5.6° и коэффициент усиления ~20. Специальная маска разработана для этого (Рис. 1a). Размеры сравнены с ранее изготовленными колесами-вагонками Wind et al. (Таблица 1). Колеса-вагонки выровнены вертикально и горизонтально с шагом 3.9 мкм, оставляя 100 нм между соседними (Рис. 1b). Фабрикация описана ниже.

Колеса-вагонки как спроектированы на маске (a) и после нанофабрикации: топ-даун SEM (b), наклонный SEM (c)

Фабрикация колес-вагонок

Кристаллические Si (c-Si) колеса-вагонки изготавливались на стандартных p-типе (B-дропированные, 1–100 Ом·см) 300-мм Si(100) и Si(110) вафлях. Процесс паттернинга включал осаждение жесткой маски: (сверху вниз) 30 нм нитрида кремния, 160 нм аморфного углерода (APF), 20 нм нитрида кремния, 30 нм аморфного Si. 193-нм иммерсионная литография переносила узор в фотoresist. После проявки фотoresist узор травляли плазменным травлением с включением стриппа фотoreсиста и APF. Нижний слой жесткой маски — SiN — удаляли горячей фосфорной кислотой (6 мин, 85 масс.% H₃PO₄ при 160 °C) или фторводородной кислотой (5 мин, 10 масс.% HF). Рис. 1c показывает наклонный SEM изготовленных колес-вагонок.

Кристаллические кремний-германий колеса-вагонки (c-Si₇₅Ge₂₅) также изготавливались на стандартных p-типе 300-мм Si(100) или Si(110) вафлях. Перед паттернингом эпитаксиально осаждали ~600 нм недропированного Si₇₅Ge₂₅. Затем следовали те же шаги паттернинга, что и для Si колес-вагонок, давая спицы c-Si₇₅Ge₂₅.

(Ани)изотропные эксперименты по мокрому травлению

Перед тестами (ани)изотропного мокрого травления выполняли SPM-очистку (5 мин H₂SO₄:H₂O₂ 3:1 при 60 °C) для удаления органических остатков, затем оксидный слой удаляли 2-минутным погружением в 1 масс.% водный HF. Сразу после SPM и HF очистки анизотропия травленчика анализировалась помещением тестового узора в неразмешанную пробу травленчика при комнатной температуре (RT). TMAH и NH₄OH растворы готовили разбавлением 25 масс.% TMAH или 29 масс.% NH₄OH. Растворы перуксусной кислоты (PAA) готовили смешиванием 9.5 частей H₂O₂ (30 масс.%), 11 частей уксусной кислоты (98 масс.%) и 0.1 частей HF (49 масс.%). Этот состав известен селективно травляющим SiₓGe₁₋ₓ сплавы над чистым Si [19, 20]. PAA, действующая как окислитель для SiGe травления, образуется реакцией уксусной кислоты с перекисью с HF как катализатором. Однако требуется время для достижения равновесия; поэтому растворы выдерживали 1 неделю. Анизотропия и селективность проверялись помещением тестовых узоров в неразмешанную пробу травленчика при RT. Сразу после травления образцы промывали 30 с дистилированной водой и сушили азотистою газ.

Результаты и обсуждение

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

Когда Si колеса-вагонки на Si(100) вафле травляют в низкоконцентрированном TMAH (5 масс.%) при RT, наблюдается (Рис. 2): во-первых, характерная четырехлучевая симметрия Si(100) раскрывается через анизотропное травление колеса-вагонки. Во-вторых, ориентационно-зависимая скорость травления разных кристаллических плоскостей может быть визуально выведена: относительно быстрые спицы — те, что определены {110} и вицинными {110} боковыми плоскостями, в то время как более медленные — {100} и вицинными {100}. Помимо основного наблюдения, что порядок скоростей травления Si в низкоконцентрированном RT TMAH следует R_(110) > R_(100), другие анизотропные эффекты заметны: четыре спицы, соответствующие четырем {110} плоскостям, не являются самыми быстрыми; теми являются два вицинных спицы каждой {110} плоскости. Соответственно, скорость травления вокруг {110} расщепляется на два эквивалентных максимума, а {110} плоскости — локальные минимумы. Это соответствует наблюдениям [21–23], где более низкая скорость {110} атрибутируется блокирующему эффекту TMA⁺ ионов.

a TD SEM Si(100) колеса-вагонки в низкоконцентрированном TMAH (5 масс.%) при RT и зум (b) с развитием быстрее травляющихся {110} плоскостей/фасетов, пунктирными линиями

Другой результат анизотропного травления — особенная форма внешних концов четырех {100} спиц. Известно, что самые быстрые травляющиеся плоскости раскрываются для выпуклых поверхностей. Изначально концы спиц выпуклые; после определенного времени травления быстрее травляющиеся {110} плоскости раскрываются, формируя фасеты на внешних кончиках. Это наиболее очевидно для спиц вдоль <100> направлений (зум b Рис. 2).

Для вогнутой поверхности, однако, раскрываются самые медленные травляющиеся плоскости. При травлении спиц колеса-вагонки Si(100) подложка вокруг спиц также травляется. Этот переход подложка-спица — вогнутая поверхность; поэтому должны раскрыться самые медленные {111} плоскости. Эти {111} плоскости появляются выровненными вдоль <110> направлений для Si(100). На Рис. 3b видно, что {111} плоскости раскрылись после травления в TMAH, формируя основание с наклонными {111} плоскостями для всех спиц вдоль <110>.

a Наклонный SEM Si(100) колеса-вагонки в низкоконцентрированном TMAH (5 масс.%) при RT и зум (b) с наклонными {111} плоскостями

Аналогично, Si(110) колеса-вагонки травляли в 5 масс.% TMAH при RT. Вместо четырехлучевой симметрии Si(100) раскрывается двухлучевая симметрия Si(110). Кристаллические ориентации некоторых {100}, {110}, {111}, {211} плоскостей назначены на Рис. 4a. Преимущество Si(110) подложек для оценки анизотропии — наличие вертикальных {111} плоскостей, представленных боковыми стенками {111} спиц. Как видно на Рис. 4, это самые медленные травляющиеся плоскости. Самые быстрые — {110} и {211}. Промежуточные скорости для {100}. Следовательно, R_(110) ~ R_(211) > R_(100) > R_(111), в соответствии с результатами на Si(100).

a TD-SEM Si(110) колеса-вагонки в 5 масс.% TMAH при RT и зум (b) с фасетами на <111> спицах. Основные кристаллические направления (или эквивалентные плоскости) — сплошные линии, высшие индексы — пунктирные

На Рис. 4b видно, что концы самых медленных {111} спиц эволюционируют из округлой формы в стрелообразную, формируя асимметричный параллелограмм. Причина — более быстрое травление {110} и {211} плоскостей.

TMAH и TMAH/IPA смеси хорошо изучены и обычно используются для MEMS, где нужны высокие скорости и настройка анизотропии. Большинство исследований Si в TMAH при высоких температурах и концентрациях: 10–25 масс.% TMAH, 60–90 °C [12–14, 23]. Некоторые группы делали тесты при ~5 масс.%, но все равно при 60–90 °C [24–26]. Отношение R_(110)/R_(100) типично ~2 для высоких концентраций и температур и, кажется, растет с понижением температуры TMAH (Доп. файл 1: S1). Поскольку мы фокусируемся на наношкалибровке, высокие скорости не преследуются. Поэтому выбрали низкие (RT) температуры для приемлемого временного окна наблюдения и избежания полного растворения структур. Тот же порядок скоростей, R_(110) > R_(100), наблюдается в нашем исследовании при RT и 5 масс.% TMAH, но рассчитанные значения отношения R_(110)/R_(100) значительно выше 2 (см. также [27]). Это подтверждает тренд увеличения анизотропного отношения с понижением температуры TMAH. Детальное механистическое объяснение выходит за рамки работы. Однако, основываясь на сравнении травления Si в TMAH, можно заключить, что масштабированные колеса-вагонки обеспечивают требуемую чувствительность для обнаружения и сравнения анизотропного поведения травляющих веществ.

Анизотропное травление c-Si(100) и c-Si(110) колес-вагонок в NH₄OH

Si(100) и Si(110) колеса-вагонки травляли в 0.4 масс.% NH₄OH при RT. Для Si(100) (Рис. 5, слева) раскрывается четырехлучевая симметрия. Ясно, что спицы вдоль <210> и <310> (теоретически 18.4° и 26.6° от <110>), лучше представленные третьей спицей (считая от верхней «северной») с боковыми стенками 19.7° и 25.3°, — самые быстрые. {110} спицы медленнее по сравнению с {100}, фасеты развиваются на внешних концах этих спиц. Эти фасеты, вероятно, быстрые {210} и {310} плоскости, могут способствовать более высокой видимой скорости {110} спиц, особенно при длительном травлении. Наблюдаемый порядок: R_(310) ~ R_(210) > R_(100) ~ R_(110).

TD SEM Si(100) (слева) и Si(110) (справа) колес-вагонок в 0.4 масс.% NH₄OH при RT. Конкретные кристаллические направления — [ ], семейства — < >. Основные направления — сплошные линии, высшие индексы — пунктирные

Для Si(110) (Рис. 5, справа) раскрывается двухлучевая симметрия вокруг (100) и (110) через анизотропное травление в NH₄OH. Спицы вдоль <111> с {111} боковыми стенками — самые медленные. Самые быстрые — высокоиндексные {211} и {311}. {110} и {100} — промежуточные. Результаты Si(110) в линии с Si(100) в NH₄OH. Также для Si(110) заметно фасетирование, особенно на внешних концах {111} и {100} спиц. Фасеты, вероятно, развитие более быстрых {211} и {311}.

В литературе ограниченная информация об анизотропии скоростей травления NH₄OH. Однако водные растворы NH₄OH использовались как анизотропные травленчики [28] со схожими свойствами, как другие OH⁻-содержащие травленчики Si. Преимущество — отсутствие металлов (K⁺, Na⁺, Cs⁺...). NH₄OH — IC-совместимый травленчик, заслуживающий изучения. Schnakenberg et al. показали, что R_(111)/R_(100) для типа колеса-вагонки в 3.7 масс.% NH₄OH при 75 °C ~0.04, а R_(110)/R_(100) ~0.3 [28]. Последний результат хорошо сравнивается с нашей оценкой 0.5 для R_(110)/R_(100).

Из наших результатов ясно, что травление Si в NH₄OH дает отличные от TMAH узоры колес-вагонок. Хотя небольшая разница в [OH⁻] (~0.12 М vs ~0.55 М), оба травления проводились при RT. Единственная разница — контр-ион: более объемный (CH₃)₄N⁺ по сравнению с меньшим NH₄⁺. Указывалось, что ионы в травленчике могут адсорбироваться на поверхность, селективно блокируя разные гидроксил-терминированные Si-сайты, ассоциированные с разными травляющимися плоскостями [29, 30]. Всякий раз, когда скорости травления разных плоскостей влияют по-разному, анизотропия меняется.

Селективное травление Si₇₅Ge₂₅ по отношению к Si

Здесь продемонстрируем и обсудим потенциал масштабированных колес-вагонок для оценки скорости травления и селективности. Пара Si/Si₇₅Ge₂₅ выбрана как модель, так как представима для GAA структур, где жертвенные c-Si₇₅Ge₂₅ промежслои должны травляться изотропно и селективно по отношению к c-Si нанопроволокам. Травление выполняется в селективном травленчике из смеси HF, H₂O₂, CH₃COOH. Известно, что эта смесь образует перуксусную кислоту (CH₃CO₃H) из-за кислотокатализированной реакции между перекисью и уксусной кислотой [31, 32]. После определенного времени выдержки достигаются равновесные концентрации. Образующаяся PAA — эффективный и селективный окислитель Si₇₅Ge₂₅. После селективного окисления SiGe, оксиды SiGe растворяются HF во второй, диффузионно-ограниченной реакции.

Образцы c-Si₇₅Ge₂₅ колес-вагонок погружали в PAA на возрастающие времена (t₀+30 с, +60 с, ...+180 с) и травление спиц мониторили последующими топ-даун SEM измерениями. Ширины спиц надежно измеряются нашим обычным SEM, если не меньше 10 нм. Результаты показаны в временном ряде на Рис. 6. Изначально спицы утончаются из-за травления боковых стенок. Все Si₇₅Ge₂₅ спицы утончаются одинаково, доказывая изотропное травление. После ~90 с кончики спиц начинают ретрактироваться, указывая на начало эффекта усиления. Мы наблюдаем, что этот эффект проявляется только после того, как кончики эволюционировали в острые наконечники. В t₀ кончики еще округлые. Благодаря постепенно сходящимся боковым стенкам на начальной стадии (t < 90 с) округлый кончик превращается в острый и спицы начинают ретрактироваться (см. Доп. файл 1: S2). Это четко проиллюстрировано формой спицы при t = 180 с: примерно половина спицы травлена из-за ретракции кончика (Δl ~450 нм). Однако остается некоторое SiGe, по крайней мере на самом широком конце спиц, так как боковые стенки ретрактировались только на Δw~Δl/20 = 22.5 нм с каждой стороны. Следовательно, после критического времени (t_crit) длина ретракции (Δl) может использоваться для косвенного расчета скорости травления Si₇₅Ge₂₅ спиц. Однако до t_crit скорость можно рассчитать только прямым измерением потери боковой стенки (Δw), что трудно измерить. Сравнение скоростей травления Si и SiGe в PAA, полученных прямым измерением потери боковой стенки и косвенным измерением ретракции, показано в Таблице 2. Скорости получены по наклону убывающих ширин боковых стенок во времени и наклону растущих длин ретракций во времени. Последний наклон рассчитан с точек после t_crit как показано на Рис. 7. Ширины боковых стенок уменьшаются линейно, по крайней мере до предела наблюдения нашего обычного SEM (~10 нм). До этих размеров мы не наблюдали существенных изменений в скорости травления при постепенном утончении спиц (Рис. 7 и 9).

Временной ряд травления Si75Ge25(100) колес-вагонок в PAA-растворе

Травление Si75Ge25 спиц: ширина спицы постепенно уменьшается, но только после определенного t_crit кончики начинают ретрактироваться, и измеренные длины ретракции Si75Ge25 можно линейно аппроксимировать по времени травления (серая зона)

Помимо получения скоростей травления для SiGe травленчика, мы проверили изотропное поведение. Все по-разному ориентированные спицы травляются с одинаковой скоростью — изотропно. Это указывает на процесс, скорость реакции которого контролируется скоростью растворения оксида, а не скоростью окисления Si₇₅Ge₂₅. Растворение оксида диффузионно ограничено, с низкими энергиями активации, и не склонно к анизотропному поведению.

Результаты на c-Si₇₅Ge₂₅(100) колесах-вагонках подтверждены c-Si₇₅Ge₂₅(110). Как объяснялось для Si колес-вагонок, преимущество (110) подложек — наличие вертикальных {111} плоскостей, представленных боковыми стенками {111} спиц. Обычно это самые медленные плоскости/спицы; поэтому тщательное наблюдение за ними необходимо для полной картины анизотропии пары Si₇₅Ge₂₅-PAA. Результаты (Доп. файл 1: S3.1) в линии с результатами Si₇₅Ge₂₅(100) (Рис. 6). Травление шло постепенно, сначала утончение, потом ретракция кончиков. Небольшая неравномерность длин ретракции по-разному ориентированных спиц наблюдается при самом длительном травлении (t = 180 с). Однако, так как нет четкого тренда, то есть конкретной угловой зависимости Δl, это не атрибутировалось анизотропии. Приписываем лишь большей вариации (меж- и внутриспицевой) ширин спиц после фабрикации. Уже в референсном снимке (t₀) видно, что боковые стенки не идеально прямые. Эта шероховатость, вероятно, из-за дефектов релаксации эпитаксиально осажденного Si₇₅Ge₂₅ слоя на (110) подложке. Итак, и c-Si₇₅Ge₂₅(100), и (110) колеса-вагонки травляются изотропно в PAA, что полезно для быстрого и полного удаления c-Si₇₅Ge₂₅ как жертвенного материала, так как не будет тенденции формировать блокирующие плоскости.

Мокрое травление в PAA повторяли для c-Si колес-вагонок. Цель — верификация селективности травленчика по отношению к кремнию. Образцы погружали в идентичный PAA на возрастающие времена (t₀+15 мин, +30 мин, ...+90 мин). Обратите внимание: времена в минутах, а не секундах как для Si₇₅Ge₂₅. Эти увеличенные времена предназначены для наблюдения любого Si травления даже если цель — сохранение кремния.

Хотя времена травления отличались, наблюдение аналогично Si₇₅Ge₂₅: изначально Si спицы постепенно утончают из-за медленного травления боковых стенок, затем после времени t_crit, в этом случае ~45 мин, спицы начинают ретрактироваться относительно быстро из-за эффекта усиления (Рис. 8 и 9). Во всех случаях травление кажется изотропным. Временные ряды для c-Si(100) (Доп. файл 1: S3.2) в линии с c-Si(110) (Рис. 8).

Временной ряд травления Si(110) колес-вагонок в PAA. Обратите внимание на слегка более медленную скорость <111> спиц по сравнению с другими направлениями, наиболее заметно в t₀+90 мин, пунктирными линиями

Травление Si спиц: ширина постепенно уменьшается, но только после определенного t_crit кончики начинают ретрактироваться, и измеренные длины ретракции можно линейно аппроксимировать по времени травления (серая зона)

Рассчитанные скорости травления в Таблице 2. Оба метода дают сопоставимые скорости с разницей всего 7% и 4% в значениях для {111} и {110} плоскостей соответственно. Значения скоростей травления Si все < 1 нм/мин. Holländer et al. измеряли Si(100) скорости ~10 нм/мин с HF:H₂O₂:CH₃COOH 1:2:3 при 1.6 масс.% HF, Wieser et al. — ~3 и 5 нм/мин для недропированного Si(111) и Si(100) с BHF:H₂O₂:CH₃COOH 1:2:3 при 1 масс.% HF [33, 34]. Наши значения хорошо сравниваются, учитывая, что HF концентрация в наших тестах ниже ([HF] = 0.25 масс.%). Результаты также указывают на слегка более низкую скорость травления {111} плоскостей, измеренных на Si(110), по сравнению с {110} на Si(100). Эти количественные результаты указывают на очень низкую анизотропию травления Si в PAA, едва заметную на топ-даун SEM. Для ясности {111} плоскости колеса-вагонки в t₀+90 мин на Рис. 8 обозначены — {111} спицы слегка шире и длиннее окружающих. Это снова демонстрирует, что масштабированные колеса-вагонки чувствительны к детектированию очень слабых различий в скоростях травления кристаллических плоскостей («анизотропии») травляющих веществ.

Селективность пары Si₇₅Ge₂₅/Si в PAA извлечена из скоростей травления в Таблице 2. Селективность Si₇₅Ge₂₅(111)/Si(111) между 11.0 и 12.6, а Si₇₅Ge₂₅(110)/Si(110) чуть выше — 14.2–16.8. Эти значения немного ниже заявленных Holländer et al. ~20 [33]. Это можно атрибутировать более высоким скоростям травления SiGe (11–17 нм/мин) из-за динамических условий (вращение вафли) в противовес нашим статическим (без перемешивания), где SiGe скорости 7.8–12.3 нм/мин. Интересно, это подтверждает наблюдаемое изотропное травление SiGe в PAA: так как скорость реакции кинетически контролируется (перемешиванием/вращением), определительный этап (RDS), скорее всего, диффузионно контролируемое растворение SiGe-оксида HF.

Заключение

Масштабированные колеса-вагонки диаметром 4 мкм с 32 спицами, экспонирующими разные кристаллические плоскости, изготовлены на 300-мм вафлях. Структуры паттернированы на Si(100), Si(110), Si₇₅Ge₂₅(100), Si₇₅Ge₂₅(110), позволяя наблюдать травление трех основных кристаллических ориентаций c-Si и c-Si₇₅Ge₂₅ ({111}, {110}, {100}) и высших индексов. Структуры оказались ценными для оценки изотропного или анизотропного поведения травляющих веществ простой инспекцией топ-даун SEM. Различные щелочные и кислотные травленчики оценивались анализом их характерных узоров травления колес-вагонок. Тренды в отношениях скоростей травления в хорошем согласии с предыдущими работами. В TMAH порядок скоростей: R_(110) ~ R_(211) > R_(100) > R_(111). В NH₄OH: R_(310) ~ R_(210) > R_(100) ~ R_(110) > R_(111). Помимо относительных скоростей основных плоскостей, наблюдались другие анизотропные особенности, как фасеты, указывая на высокую чувствительность структур к изменениям анизотропных свойств травленчиков.

Помимо способности раскрывать (анизотропию травляющих веществ, эти структуры также демонстрируют пользу для оценки селективности. Для этого система PAA/Si/Si₇₅Ge₂₅ оценивалась по Si₇₅Ge₂₅ травлению, селективному по отношению к Si. Селективность получена двумя методами: первым — измерением потери боковой стенки спиц; вторым, косвенным — через измерение длин ретракции спиц. Показано, что второй метод применим только после определенного критического времени травления, после которого кончики спиц эволюционировали в казавшиеся острые наконечники.

В заключение, масштабированные колеса-вагонки могут использоваться как лабораторные средства для быстрой оценки анизотропии и селективности пар материал/травленчик. Структуры также имеют потенциал для использования как высокопроизводительные короткие петлевые тестовые структуры для скрининга травляющих веществ на 300-мм инструментах мокрой обработки вафлей. Кроме того, благодаря малому размеру эти колеса-вагонки могут использоваться для будущих in-situ исследований травления с жидкостной ячейкой экологической электронной передаточной микроскопии ETEM.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Аббревиатуры

AA:

Уксусная кислота

BHF:

Буферизированная фторводородная кислота

CD:

Критический размер

CMOS:

Комплементарная металл-оксид-полупроводник

c-Si:

Одно кристаллический кремний

c-SiGe:

Одно кристаллический кремний-германий

ETEM:

Экологическая электронная передаточная микроскопия

FinFET:

Fin полевой транзистор

FoV:

Поле зрения

GAA:

Ворота вокруг

HF:

Фторводородная кислота

MEMS:

Микроэлектромеханические системы

PAA:

Перуксусная кислота

R_(xyz):

Скорость травления (xyz) плоскости

RDS:

Определяющий этап скорости

SEM:

Растровый электронный микроскоп

TMAH:

Тетраметиламмоний гидроксид

VLSI:

Очень большая степень интеграции