Ruedas de vagón c-Si y c-SiGe reducidas para la visualización de la anisotropía y la selectividad de los agentes decapantes químicos húmedos

Resumen

El grabado en húmedo ofrece una ventaja como método suave y sin daños para eliminar el material de sacrificio con una precisión casi nanométrica que se ha vuelto fundamental para la fabricación de estructuras a nanoescala. Para desarrollar tales soluciones de grabado en húmedo, la detección de propiedades de grabado como la selectividad y (una) isotropía se ha vuelto vital. Dado que estos agentes de grabado suelen tener bajas tasas de grabado, se requieren estructuras de prueba sensibles para evaluar su comportamiento de grabado. Por lo tanto, se fabricaron ruedas de carro de Si (c-Si) y SiGe (c-SiGe) monocristalinos a escala reducida. Primero, la sensibilidad de las ruedas de los vagones de c-Si para detectar el comportamiento anisotrópico del silicio cristalino en los grabadores alcalinos TMAH y NH ₄ Se demostró OH. Se observaron patrones distintivos de rueda de carro, característicos de cada par de material / grabador, mediante microscopía electrónica de barrido (SEM) de arriba hacia abajo después del grabado en húmedo anisotrópico. Se obtuvieron tendencias similares en las velocidades de grabado dependientes del plano cristalográfico para los sustratos de Si (100) y Si (110). En segundo lugar, el grabado de c-Si y c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Se evaluaron ruedas de vagones en un grabador selectivo típico, ácido peracético (PAA). c-Si ₇₅ Ge ₂₅ el grabado en PAA resultó en un grabado isotrópico. Los valores de selectividad se calcularon sobre la base de dos métodos:el primero midiendo la pérdida de los radios de la rueda de carro en el flanco; el segundo, el método indirecto, mediante la medición de las longitudes de retracción de los radios. Ambos métodos dan valores comparables, pero el último método solo se puede usar después de un cierto tiempo crítico de grabado, después del cual las puntas de los radios han evolucionado hacia una punta afilada.

Introducción

Tradicionalmente, el aumento gradual de la densidad de transistores en los dispositivos semiconductores de circuitos integrados se lograba reduciendo el tamaño del nodo. Esto ya no es sostenible desde el punto de vista tecnológico y económico. Por lo tanto, se introducen nuevas arquitecturas de transistores de efecto de campo (FET) como Fin-FET y gate-all-around GAA-FET [1,2,3]. Este último ofrece una ventaja sobre el primero porque su puerta puede sintonizar el canal con mayor precisión [4]. Algunos procesos utilizados para la fabricación de estas complejas características 3D utilizadas en la mayoría de los transistores FET y celdas de memoria avanzados requieren grabadores extremadamente selectivos e isotrópicos [5, 6].

Para la fabricación de arquitecturas GAA que comprenden uno o más nanoalambres cristalinos horizontales apilados verticalmente, se necesita un grabado muy selectivo e isotrópico de las capas epitaxiales cristalinas de sacrificio. Para la liberación de nanocables de Si, por ejemplo, un Si _x Ge _1-x Se requiere un grabador que deje intactos los nanocables de Si.

Por lo tanto, la detección y comprensión de las propiedades del grabador se ha vuelto vital. El cribado de agentes decapantes en películas de manta no proporciona información fiable sobre la (an) isotropía del par material / agente de ataque. La visualización de la anisotropía es extremadamente importante ya que el grabado de las capas de sacrificio cristalinas puede retrasarse o incluso detenerse debido a la formación de un grabado lento o los llamados planos de "bloqueo" en las trincheras laterales. La anisotropía también se ha estudiado ampliamente para la fabricación de estructuras microelectromecánicas (MEMS) [7, 8] y para la texturización superficial de Si en aplicaciones solares [9,10,11].

Principalmente, se han utilizado dos métodos experimentales, ambos con tasas de grabado en función de las direcciones cristalográficas del Si. En el primero, se graba una esfera o hemisferio de silicio con un diámetro de algunos milímetros; la anisotropía da lugar a la formación de facetas que, una vez cuantificadas, produce las tasas de grabado de los diferentes planos cristalinos [12,13,14]. En el segundo y más extendido método, los radios o zanjas de silicio se modelan sobre una oblea de manera radial dando lugar a la denominada forma de rueda de carro [15, 16]. La fuerza de este último método radica en el hecho de que muchas caras cristalográficas se pueden probar en un solo experimento de grabado en húmedo y en su efecto de amplificación. Durante el grabado en húmedo anisotrópico, la punta de los radios se retraerá con una velocidad proporcional a la velocidad de grabado de la pared lateral del radio de rueda de carro, siendo esta última la tasa de interés de grabado. Debido a la geometría del radio, la velocidad de retracción de la punta del radio es significativamente mayor que la tasa de grabado real de las paredes laterales. Por tanto, esta longitud de retracción relativamente grande es más fácil de visualizar y cuantificar que el pequeño adelgazamiento de la pared lateral de los radios. El factor de amplificación depende de la disposición geométrica de los radios en una rueda de carro. Las ruedas de carro con más radios y, por lo tanto, ángulos más pequeños, tienen factores de amplificación más grandes. Las ruedas de carro descritas en la literatura [15,16,17,18] tienen diámetros de cm y normalmente acomodan 180 radios con un ancho angular y un espaciado de 1 °, lo que da como resultado factores de amplificación de 115. Para la mayoría de las aplicaciones, las tasas de grabado altas son deseado; por lo tanto, la mayoría de los autores han estudiado el grabado anisotrópico de silicio en soluciones de TMAH y KOH alcalinas relativamente calientes (~ 60–80 ° C) y relativamente concentradas (~ 12–25% en peso). Sin embargo, se sabe poco sobre el grabado anisotrópico en soluciones alcalinas de baja concentración e incluso menos a baja temperatura. Además, la mayoría de las veces, solo se requiere la eliminación nanométrica del material semiconductor durante el proceso de fabricación de estructuras de tamaño nm en la mayoría de las aplicaciones avanzadas de semiconductores de óxido metálico complementario (CMOS). Por lo tanto, se requieren velocidades de grabado en húmedo mucho más bajas, en el rango de unos pocos nanómetros / min, para la mayoría de los procesos de grabado en húmedo utilizados en la integración a muy gran escala (VLSI). Por tanto, proponemos la miniaturización de la generación anterior de ruedas de carro.

En este trabajo, no solo se fabricaron ruedas de carro c-Si a escala reducida, sino también c-SiGe. Como tal, los requisitos isotrópicos y de selectividad de los agentes decapantes se pueden evaluar simultáneamente con un alto nivel de precisión. Dado que el principal activo de la técnica de la rueda de carro sigue siendo la determinación del grado de anisotropía de los pares de material / atacantes, primero compararemos nuestros resultados con los obtenidos en las ruedas de carro de tamaño cm en estudios anteriores. A continuación, ilustraremos la utilidad de esta técnica para el desarrollo de grabadores selectivos e isotrópicos, específicamente para el grabado selectivo de c-Si ₇₅ Ge ₂₅ con respecto a c-Si.

Experimental / Métodos

Diseño de rueda de carro

Las dimensiones de las ruedas del carro fueron elegidas con la idea de observar nanómetros -Rango de pérdida de la pared lateral que resulta en sub - micras longitudes de retracción. Las dimensiones de la rueda del carro se basan en un equilibrio entre los siguientes tres límites:

1.
La técnica fotolitográfica establece una restricción en la dimensión crítica mínima (CD), que es el ancho del radio de la rueda del carro (interior).
2.
La técnica de imagen que define un campo de visión práctico (FoV) máximo y, por lo tanto, un diámetro máximo de rueda de carro.
3.
El número máximo de radios que se pueden disponer en el patrón circular de rueda de carro o, en consecuencia, el ángulo mínimo de cuña de los radios, que define el factor de amplificación máximo.

Teniendo en cuenta esto, el ancho de los radios internos se estableció en 90 nm (CD), el diámetro de la rueda del carro en 3,8 μm (FoV) y 32 radios se dispusieron en un patrón circular. Este diseño de rueda de carro da como resultado ángulos de radio de 5,6 ° y un factor de amplificación de aproximadamente 20. Se diseñó una máscara dedicada para este propósito (Fig. 1a). Las dimensiones se comparan con las de las ruedas de carro fabricadas previamente por Wind et al. (ver Tabla 1). Las ruedas de los vagones están alineadas en direcciones vertical y horizontal con un paso de 3,9 μm, dejando un espacio de 100 nm entre dos ruedas de los vagones (Fig. 1b). La fabricación de estas ruedas de carro se describirá en la siguiente sección.

Fabricación de ruedas de vagones

Se fabricaron ruedas de vagón de silicio cristalino (c-Si) en obleas de 300 mm Si (100) y Si (110) estándar de tipo p (dopado con B, 1-100 Ohmios). El proceso de modelado consistió en la deposición de una pila de máscara dura compuesta (de arriba a abajo) de nitruro de silicio de 30 nm, carbono amorfo (APF) de 160 nm, nitruro de silicio de 20 nm y Si amorfo de 30 nm. Se utilizó una litografía por inmersión de 193 nm para transferir el patrón al fotorresistente. Después de que se reveló el fotorresistente, se grabó el patrón de rueda de carro usando un grabado de plasma que incluía un fotorresistente y una tira de APF. La capa inferior de la pila de máscara dura, que es la capa de SiN, se eliminó usando ácido fosfórico caliente (6 min. 85% en peso de H ₃ PO ₄ a 160 ° C) o ácido fluorhídrico (5 min al 10% en peso de HF). La Figura 1c muestra una vista SEM inclinada de las ruedas del carro fabricadas.

Ruedas de carro de silicio cristalino-germanio (c-Si ₇₅ Ge ₂₅ ) también se fabricaron en obleas de 300 mm Si (100) o Si (110) estándar de tipo p (dopado con B, 1–100 Ohm cm). Antes de modelar, una capa de aproximadamente 600 nm sin dopar Si ₇₅ Ge ₂₅ fue depositado epitaxialmente. Después de esto, se siguieron los mismos pasos de modelado que para las ruedas de los vagones de Si, lo que resultó en c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Radios de rueda de carro.

(An) Experimentos de grabado húmedo isotrópico

Antes de las pruebas (an) isotrópicas de grabado en húmedo, una limpieza de SPM (5 min H ₂ SO ₄ :H ₂ O ₂ 3:1 a 60 ° C), destinado a la eliminación de residuos orgánicos y, a continuación, se eliminó la capa de óxido durante una inmersión de 2 min en una solución acuosa de HF al 1% en peso. Inmediatamente después de los procesos de limpieza de SPM y HF, se analiza la anisotropía del grabador colocando el patrón de prueba en una muestra sin agitar del grabador a temperatura ambiente (RT). TMAH y NH ₄ Las soluciones de grabador de OH se prepararon mediante dilución de TMAH al 25% en peso o NH ₄ al 29% en peso. OH. Las soluciones de ácido peracético (PAA) se prepararon mezclando 9,5 partes de H ₂ O ₂ (30% en peso), 11 partes de ácido acético (98% en peso) y 0,1 partes de HF (49% en peso). Esta solución de grabado es conocida por grabar selectivamente Si _x Ge _1-x aleaciones sobre Si puro [19, 20]. El PAA, que actúa como la especie oxidante para el grabado de SiGe, se forma por reacción del ácido acético con el peróxido con HF como catalizador. Sin embargo, se necesita cierto tiempo para alcanzar el equilibrio; por lo tanto, las soluciones se envejecieron durante 1 semana. La anisotropía y la selectividad del grabador se ensayaron colocando los patrones de prueba en una muestra sin agitar del grabador a TA. Inmediatamente después del grabado, las muestras se enjuagaron durante 30 s en agua desionizada y posteriormente se secaron con gas nitrógeno.

Resultados y discusión

Grabado anisotrópico de c-Si (100) y c-Si (110) Wagon-Wheels en TMAH

Cuando las ruedas de los vagones de silicio fabricadas en una oblea de Si (100) se graban en TMAH de baja concentración (5% en peso) a temperatura ambiente, se pueden hacer las siguientes observaciones (Fig.2):primero, la simetría cuádruple característica de un Si (100) la oblea se revela a través del grabado anisotrópico de la rueda del carro. En segundo lugar, la velocidad de grabado dependiente de la orientación de diferentes planos cristalográficos se puede deducir visualmente:los radios de grabado relativamente rápidos de las ruedas de los vagones son los definidos por los planos {110} y vecinales {110} de la pared lateral, mientras que los radios de grabado más lentos están definidos por los planos de la pared lateral {100} y vecina {100}. Además de esta observación principal de que el orden de velocidad de grabado de Si en baja concentración y RT TMAH sigue R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ , se podrían discernir otros efectos anisotrópicos:por ejemplo, los cuatro radios correspondientes a los cuatro planos {110} no son los radios de grabado más rápido, esos son, más precisamente, cada vez los dos radios vecinales de estos {110} planos. En consecuencia, la velocidad de grabado alrededor de {110} se divide en dos máximos equivalentes, y los planos {110} son mínimos locales. Esto corresponde a observaciones similares hechas por [21,22,23] donde la menor tasa de grabado de los planos {110} se atribuye a un efecto de bloqueo por el TMA ⁺ iones.

Otro resultado del grabado anisotrópico es la forma particular de los extremos de los radios exteriores de los cuatro {100} radios. Se sabe que el más rápido Se revelarán planos de grabado para superficies convexas. Inicialmente, los extremos de los radios son superficies convexas, por lo tanto, después de un cierto tiempo de grabado, se revelan los planos de grabado más rápidos {110}, formando facetas en los extremos exteriores de los radios. Esto es más obvio para los radios a lo largo de las direcciones <100> (acercamiento b de la Fig. 2).

Para un cóncavo superficie, sin embargo, el más lento Se revelarán planos de grabado. Durante el grabado de los radios de la rueda de carro, también se graba el sustrato de Si (100) que rodea los radios. Esta transición base-sustrato es una superficie cóncava; por lo tanto, deben revelarse los planos de grabado más lentos, que son los planos {111}. Estos planos {111} aparecen alineados con las direcciones <110> para sustratos de Si (100). De hecho, se puede ver en la Fig. 3b que los planos {111} se revelaron después del grabado en TMAH, formando una base con planos {111} inclinados para todos los radios a lo largo de las direcciones <110>.

De manera similar a las ruedas de los vagones de Si (100), las ruedas de los vagones de Si (110) se grabaron en TMAH de baja concentración (5% en peso) a temperatura ambiente. En lugar de la simetría cuádruple de una oblea de Si (100), se revela la simetría doble del Si (110). Las orientaciones cristalográficas de algunos de los planos {100}, {110}, {111} y {211} se asignan en la Fig. 4a. Uno de los beneficios de utilizar sustratos de Si (110) para la evaluación de la anisotropía es la presencia de planos verticales {111}, que están representados por las paredes laterales de los radios {111} de las ruedas del carro. Como se puede ver en la Fig. 4, estos son los planos de grabado más lentos. Los planos de grabado más rápidos parecen ser los planos {110} y {211}. Se encuentran tasas de grabado intermedias para los planos {100}. Por lo tanto, R ₍₁₁₀₎ ~ R ₍₂₁₁₎> R ₍₁₀₀₎> R ₍₁₁₁₎ , en línea con los resultados obtenidos en Si (100).

Puede verse en la Fig. 4b que los extremos de los radios {111} de grabado más lento evolucionan desde una forma redondeada hacia una forma de flecha, formando un paralelogramo asimétrico. La causa subyacente de la formación de estas facetas es el grabado más rápido de los planos {110} y {211}.

Las mezclas de TMAH y TMAH / IPA son grabadores bien estudiados y de uso común para la fabricación de estructuras MEMS para las que se requieren altas tasas de grabado y ajuste de anisotropía. En consecuencia, la mayoría de las investigaciones sobre el grabado de Si en TMAH se han realizado a temperaturas y concentraciones más altas. Las concentraciones típicas oscilan entre el 10 y el 25% en peso de TMAH ya temperaturas entre 60 y 90 ° C [12, 13, 14, 23]. Algunos grupos de investigación realizaron pruebas de grabado a bajas concentraciones de alrededor del 5% en peso, como en nuestro trabajo, pero aún utilizaron altas temperaturas entre 60 y 90 ° C [24,25,26]. La R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ Por lo general, la proporción se encuentra alrededor de 2 para altas concentraciones y altas temperaturas y parece aumentar con disminuir Temperatura TMAH (archivo adicional 1:S1). Dado que este estudio se centra en aplicaciones de grabado a nanoescala, no se persiguen altas tasas de grabado. Por lo tanto, se eligieron temperaturas bajas (RT) para tener una ventana de tiempo aceptable para la observación de los fenómenos de grabado y evitar la disolución completa de las estructuras. El mismo orden de velocidades, R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ , se observa en este estudio, realizado a TA y 5% en peso de TMAH, pero los valores calculados de la R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ la proporción está muy por encima de 2 (véase también la referencia [27]). Por lo tanto, esto confirma la tendencia de que esta proporción anisotrópica aumenta con decreciente Temperatura TMAH. Una explicación mecanicista detallada de esta observación, incluidos los aspectos cinéticos y atomísticos, está más allá del alcance de este trabajo. Sin embargo, sobre la base de las comparaciones anteriores para el grabado de silicio en TMAH, se puede concluir que las ruedas de los vagones reducidas proporcionan la sensibilidad necesaria para detectar y comparar el comportamiento anisotrópico de los grabadores.

Grabado anisotrópico de c-Si (100) y c-Si (110) Wagon-Wheels en NH ₄ OH

Las ruedas de los vagones de Si (100) y las ruedas de los vagones de Si (110) se grabaron en hidróxido de amonio (NH ₄) de baja concentración (0,4% en peso). OH) a TA. En el primero (Fig. 5, izquierda), se revela la simetría cuádruple de una oblea de Si (100). Está claro que los radios a lo largo de las direcciones <210> y <310>, que están teóricamente a 18,4 ° y 26,6 ° con respecto a las direcciones <110>, están mejor representados por el tercer radio (contando desde el radio 'norte' superior ) con paredes laterales a 19,7 ° y 25,3 °, son los radios de grabado más rápido. Los radios {110} tienen un grabado más lento en comparación con {100} y las facetas se desarrollan en los extremos exteriores de estos radios. Estas facetas son probablemente los planos de grabado rápido {210} y {310} y pueden contribuir a una tasa de grabado aparente más rápida general de los radios {110}, especialmente para tiempos de grabado más largos. Por lo tanto, la tasa de grabado observada sigue a R ₍₃₁₀₎ ~ R ₍₂₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ ~ R ₍₁₁₀₎ .

Para las ruedas de carro Si (110) (Fig.5, derecha), la simetría doble alrededor del plano (100) y (110) se revela a través del grabado anisotrópico en NH ₄ OH. Los radios a lo largo de las direcciones <111>, con {111} paredes laterales, aparecen como los radios o planos de grabado más lento. Los radios de grabado más rápido se definen por los planos de índice alto {211} y {311}. {110} y {100} tienen tasas de grabado intermedias. Por lo tanto, los resultados de Si (110) están en línea con los resultados de Si (100) en NH ₄ OH. También para las ruedas de carro Si (110), el facetado de los radios es notable, especialmente en los extremos exteriores de los radios {111} y {100}. Las facetas son probablemente el desarrollo de los planos {211} y {311} de grabado más rápido.

En la literatura, se dispone de información limitada sobre la anisotropía de la velocidad de grabado de NH ₄ OH. Sin embargo, las soluciones acuosas de NH ₄ Los OH también se han utilizado como agentes decapantes anisotrópicos [28], con propiedades similares a las de otros OH ^- que contienen agentes de grabado de Si. El beneficio es que no contiene metales (como K ⁺ , Na ⁺ , Cs ⁺ , ...). Por lo tanto, NH ₄ OH es un grabador compatible con IC que vale la pena investigar. Schnakenberg y col. mostró que la R ₍₁₁₁₎ / R ₍₁₀₀₎ Relación de tasa de grabado para un patrón de grabado tipo rueda de carro grabado en 3,7% en peso de NH ₄ OH a 75 ° C es aproximadamente 0.04 y el R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ Relación de tasa de grabado 0,3 [28]. El último resultado se compara bien con nuestra tasa de grabado estimada de 0.5 para R ₍₁₁₀₎ / R ₍₁₀₀₎ .

De nuestros resultados, está claro que el grabado de Si en NH ₄ OH proporciona patrones de grabado de ruedas de carro diferentes en comparación con TMAH. Aunque hay una pequeña diferencia en el [OH ^- ] para ambas soluciones de grabado (~ 0,12 M frente a ~ 0,55 M), tanto el grabado en TMAH como en NH ₄ Los OH se realizaron a la misma temperatura (TA). La única diferencia que queda es el contracatión:el más voluminoso (CH ₃ ) ₄ N ⁺ en comparación con el NH ₄ más pequeño ⁺ catión. Se ha señalado que los cationes en la solución de grabado podrían adherirse a la superficie, bloqueando así selectivamente diferentes sitios de superficie de Si terminados en hidroxilo asociados con los diferentes planos de grabado [29, 30]. Siempre que las tasas de grabado de diferentes planos se vean afectadas de manera diferente, la anisotropía cambiará.

Grabado selectivo de Si ₇₅ Ge ₂₅ Hacia Si

En esta sección, demostraremos y discutiremos el potencial de las ruedas de carro reducidas para la evaluación de la velocidad de grabado y la selectividad de los agentes de grabado. El Si / Si ₇₅ Ge ₂₅ par se seleccionó como un sistema modelo ya que es representativo de la formación de estructuras GAA por lo que el c-Si ₇₅ de sacrificio Ge ₂₅ las capas intermedias deben grabarse de forma isotrópica y selectiva hacia los nanocables de c-Si. El grabado se realiza en un grabador selectivo preparado con una mezcla de HF, H ₂ O ₂ y CH ₃ COOH. Se sabe que esta mezcla formará ácido peracético (CH ₃ CO ₃ H) debido a la reacción catalizada por ácido entre el peróxido y el ácido acético [31, 32]. Después de un cierto tiempo de envejecimiento, se alcanzan las concentraciones de equilibrio. El PAA así formado es un oxidante eficaz y selectivo de Si ₇₅ Ge ₂₅ . Después de la oxidación selectiva de SiGe, los óxidos de SiGe serán disueltos por HF en una segunda reacción de difusión limitada.

c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Las muestras de ruedas de vagones se sumergieron en la solución de PAA durante tiempos crecientes ( t ₀ + 30 s, + 60 s, ... + 180 s) y el grabado de los radios de la rueda del carro se controló mediante mediciones SEM descendentes posteriores. Los anchos de los radios pueden medirse de forma fiable con nuestro SEM convencional si no son inferiores a 10 nm. Los resultados se muestran en la serie de tiempo en la Fig. 6. Inicialmente, los radios de las ruedas del carro se adelgazan debido al grabado de sus paredes laterales. Todo Si ₇₅ Ge ₂₅ los radios se adelgazan por igual, lo que demuestra que el grabado es isotrópico. Después de aproximadamente 90 s, las puntas de los radios comienzan a retraerse, lo que sugiere el inicio del efecto de amplificación. Observamos que este efecto de amplificación comienza a manifestarse solo después de que las puntas de los radios hayan evolucionado hacia una punta afilada. En t ₀ , las puntas de los radios todavía están redondeadas. Debido a las paredes laterales que convergen gradualmente durante la etapa inicial de grabado de los radios ( t <90 s), la punta redondeada se transforma en una punta afilada y los radios comienzan a retraerse (ver también Archivo adicional 1:S2). Este hallazgo se ilustra claramente para la forma de los radios de rueda de carro en t =180 s:aproximadamente la mitad del radio se ha grabado debido a la retracción de la punta (∆l es aproximadamente 450 nm). Sin embargo, todavía queda algo de SiGe, al menos en el extremo más ancho de los radios, ya que las paredes laterales solo se retraen una cantidad ∆w ~ ∆l / 20 =22,5 nm en ambos lados. En consecuencia, después de un tiempo crítico ( t _crit ), la longitud de retracción (∆l) se puede utilizar para calcular indirectamente la tasa de grabado del Si ₇₅ Ge ₂₅ radios. Sin embargo, antes de este t _crit , la tasa de grabado solo se puede calcular mediante la medición directa de la pérdida de la pared lateral (∆w), que es difícil de medir. En la Tabla 2 se muestra una comparación de las tasas de grabado de Si y SiGe en PAA obtenidas mediante la medición directa de la pérdida de la pared lateral y la medición indirecta de la retracción de los radios. pendiente de las longitudes de retracción de los radios crecientes en función del tiempo. La última pendiente se calculó utilizando los puntos de datos después de t _crit como se muestra en la Fig. 7. Los anchos de las paredes laterales parecen disminuir linealmente, al menos hasta el límite de observación de nuestro SEM convencional, que es de aproximadamente 10 nm. Hasta estos tamaños de características, no observamos ningún cambio notable en la tasa de grabado durante el adelgazamiento gradual de los radios (Figs. 7 y 9).

Además de obtener tasas de grabado para el grabador SiGe, verificamos el comportamiento isotrópico del grabador. Está claro que todos los radios orientados de manera diferente se atacan a la misma velocidad de ataque, es decir, isotrópicamente. Esto apunta hacia un proceso cuya velocidad de reacción está controlada por la velocidad de disolución del óxido y no por el Si ₇₅ Ge ₂₅ tasa de oxidación. La disolución del óxido está limitada por difusión, con bajas energías de activación y no es propensa al comportamiento anisotrópico.

Resultados obtenidos en c-Si ₇₅ Ge ₂₅ (100) ruedas de carro fueron validadas con c-Si ₇₅ Ge ₂₅ (110) ruedas de carro. Como se explicó para las ruedas de los vagones de silicio, un beneficio de usar sustratos (110) es la presencia adicional de planos verticales {111}, representados por las paredes laterales de los radios {111} de las ruedas del vagón. Estos suelen ser los planos / radios de grabado más lentos; por lo tanto, es necesaria una observación cuidadosa de esos radios para obtener una imagen completa de la anisotropía del Si ₇₅ Ge ₂₅ -Par grabador PAA. Los resultados (ver archivo adicional 1:S3.1) están en línea con los resultados de grabado obtenidos con el Si ₇₅ Ge ₂₅ (100) ruedas de carro (Fig. 6). El grabado procedió gradualmente, primero por adelgazamiento seguido por la retracción de la punta de los radios. Se puede observar una ligera falta de uniformidad en las longitudes de retracción de los radios orientados de manera diferente en el tiempo de grabado más largo ( t =180 s). Sin embargo, dado que no hay una tendencia clara, es decir, una dependencia de ángulo específica de ∆l, esto no se atribuyó a la anisotropía. Atribuimos esto simplemente a una variación mayor (entre radios e intra-radios) de los anchos de los radios después de la fabricación. De hecho, ya se puede ver en la imagen de referencia ( t ₀ ) que las paredes laterales no están perfectamente rectas. Esta rugosidad de la pared lateral se debe probablemente a defectos de relajación del Si ₇₅ depositado epitaxialmente Ge ₂₅ capa sobre un sustrato (110). En resumen, tanto el c-Si ₇₅ Ge ₂₅ Las ruedas de los vagones (100) y (110) se graban isotrópicamente en la solución de PAA, lo que supone una ventaja para la eliminación rápida y completa de c-Si ₇₅ Ge ₂₅ , utilizado como material de sacrificio, ya que no tenderá a formar ningún plano de bloqueo.

Se repitió el grabado en húmedo en PAA para las ruedas de los vagones de c-Si. El propósito de estas pruebas es verificar la selectividad de la solución de grabado hacia el silicio. Las muestras se sumergieron en una solución de PAA idéntica durante tiempos crecientes ( t ₀ + 15 min, + 30 min, ... + 90 min). Tenga en cuenta que los tiempos de grabado son en minutos y no en segundos como para el Si ₇₅ Ge ₂₅ ruedas de carro. Estos tiempos de grabado extendidos están destinados a observar cualquier grabado de Si incluso si el propósito de este grabador es preservar el silicio.

Aunque los tiempos de grabado fueron diferentes, una observación similar a la del Si ₇₅ Ge ₂₅ Se hicieron radios de ruedas de carro:inicialmente, los radios de silicio se adelgazan gradualmente debido a su grabado lateral relativamente lento, luego, después de un tiempo, t _crit , en este caso después de aproximadamente 45 min, los radios comienzan a retraerse relativamente rápido debido al efecto de amplificación (Figs. 8 y 9). En todos los casos, el grabado parece isotrópico. Las series de tiempo obtenidas con c-Si (100) wagon-wheels (ver archivo adicional 1:S3.2) están en línea con las series de tiempo obtenidas con c-Si (110) wagon-wheels (Fig. 8).

Las tasas de grabado calculadas se muestran en la Tabla 2. Ambos métodos de medición dan tasas de grabado comparables con solo una diferencia de 7% y 4% en los valores de tasa de grabado de los planos {111} y {110}, respectivamente. Los valores de la velocidad de grabado de Si son todos <1 nm / min. Holländer y col. midió velocidades de grabado de Si (100) de ~ 10 nm / min con HF:H ₂ O ₂ :CH ₃ COOH 1:2:3 con una concentración de HF de 1,6% en peso y Wieser et al. midió velocidades de grabado de ~ 3 y 5 nm / min para Si (111) y Si (100) sin dopar, respectivamente con BHF:H ₂ O ₂ :CH ₃ Soluciones de COOH 1:2:3 con una concentración de HF del 1% en peso [33, 34]. Nuestros valores se comparan bien con los valores reportados, considerando que la concentración de HF en nuestras pruebas es menor ([HF] =0.25% en peso). Nuestros resultados también sugieren una tasa de grabado ligeramente más baja de los planos {111}, medidos en sustratos de Si (110), en comparación con los planos {110}, medidos en sustratos de Si (100). Estos resultados cuantitativos apuntan hacia una anisotropía de grabado muy baja de Si en PAA que es apenas observable por las imágenes SEM de arriba hacia abajo. En aras de la claridad, los {111} planos de la rueda del carro en t ₀ + 90 min en la Fig. 8 se indican y se puede observar que los radios {111} son un poco más anchos y más largos que los radios circundantes. Esto demuestra una vez más que estas ruedas de carro reducidas son sensibles para detectar diferencias muy débiles en las tasas de grabado dependientes del plano cristalográfico ("anisotropía") de los grabadores.

Las relaciones de selectividad del Si ₇₅ Ge ₂₅ / Par Si en PAA se extrajeron de las tasas de grabado en la Tabla 2. Las relaciones de selectividad de Si ₇₅ Ge ₂₅ (111) / Si (111) oscilan entre 11,0 y 12,6 mientras que el Si ₇₅ Ge ₂₅ Las relaciones (110) / Si (110) son ligeramente superiores, entre 14,2 y 16,8. Estos valores son ligeramente inferiores a los valores informados por Holländer et al. que afirman selectividades alrededor de ~ 20 [33]. Esto puede atribuirse a las velocidades de grabado de SiGe más altas (11-17 nm / min) debido a las condiciones dinámicas del proceso (rotación de la oblea) en contraste con nuestras condiciones de proceso estáticas (sin agitación), en cuyo caso las velocidades de grabado de SiGe oscilaron entre 7,8. y 12,3 nm / min. Curiosamente, esto confirma el grabado isotrópico observado de SiGe en PAA:dado que la velocidad de reacción está controlada cinéticamente (mediante agitación o rotación), el paso de determinación de la velocidad (RDS) es muy probablemente la disolución de óxido de SiGe controlada por difusión por HF.

Conclusiones

Sobre obleas de 300 mm de diámetro se fabricaron ruedas de carro a escala con un diámetro de 4 μm y 32 radios que exponen los diferentes planos cristalográficos. Las estructuras se modelaron en Si (100), Si (110), Si ₇₅ Ge ₂₅ (100) y Si ₇₅ Ge ₂₅ (110) sustratos que permiten la observación del grabado de las tres principales orientaciones cristalográficas de c-Si y c-Si ₇₅ Ge ₂₅ ({111}, {110} y {100}) así como planos de índice más altos. Las estructuras demostraron ser valiosas para la evaluación del comportamiento isotrópico o anisotrópico de los atacantes mediante una simple inspección por TD SEM. Se evaluaron varios grabadores alcalinos y ácidos mediante el análisis de imágenes de su patrón característico de grabado en rueda de carro. Las tendencias en las proporciones de grabado coincidieron con las de trabajos anteriores. En TMAH, la tasa de grabado del silicio dependiente del plano sigue el orden: R ₍₁₁₀₎ ~ R ₍₂₁₁₎> R ₍₁₀₀₎> R ₍₁₁₁₎ . En NH ₄ OH, por otro lado, la velocidad de grabado sigue el orden: R ₍₃₁₀₎ ~ R ₍₂₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ ~ R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₁₁₎ . Además de las velocidades relativas de grabado de los planos cristalográficos principales, se observaron otras características anisotrópicas, como facetas, lo que indica que las estructuras son muy sensibles a los cambios en las propiedades anisotrópicas del grabador.

Además de su capacidad para revelar la (an) isotropía de los grabadores, estas estructuras de ruedas de carro también demuestran su beneficio para la evaluación de la selectividad de los grabadores. Para ello, el sistema PAA / Si / Si ₇₅ Ge ₂₅ se evaluó en términos de Si ₇₅ Ge ₂₅ grabado, selectivo hacia Si. Los valores de selectividad se obtuvieron mediante dos métodos:el primero mediante la medición de la pérdida de los radios en la pared lateral; el segundo método, indirecto, mediante la medición de las longitudes de retracción de los radios. Se demostró que este último método solo podía usarse después de un cierto tiempo crítico de grabado, después del cual las puntas de los radios han evolucionado hacia una punta aparentemente afilada.

En conclusión, las ruedas de carro reducidas se pueden utilizar como vehículos a escala de laboratorio para la evaluación rápida de la anisotropía y la selectividad de los pares material / grabador. Las estructuras también tienen el potencial de ser utilizadas como estructuras de prueba de bucle corto de alto rendimiento para el cribado de grabadores en herramientas de procesamiento húmedo de obleas de 300 mm. Además, debido a su pequeño tamaño, estas ruedas de carro podrían usarse para futuros estudios de grabado in situ, utilizando microscopía de transmisión de electrones ambientales de células líquidas ETEM.