Fortgeschrittene c-Si/c-SiGe Wagon-Wheel Teststrukturen für präzise Evaluation von Nassätzer-Anisotropie und Selektivität

Zusammenfassung

Nassätzen bietet Vorteil als schonende, schadenfreie Methode zum Entfernen von Opferschichten mit nahe nanometergenauer Präzision, kritisch für Nanostrukturfertigung. Zur Entwicklung solcher Nassätzlösungen ist Screening von Ätzereigenschaften wie Selektivität und (An)Isotropie essenziell. Da diese Ätzer typischerweise niedrige Ätzraten aufweisen, sind empfindliche Teststrukturen erforderlich, um ihr Ätzverhalten zu evaluieren. Daher wurden skalierte Einzelkristall-Si (c-Si) und SiGe (c-SiGe) Wagon-Wheels gefertigt. Erstens wurde Empfindlichkeit der c-Si Wagon-Wheels zur Detektion anisotropen Verhaltens von kristallinem Silizium in alkalischen Ätzern TMAH und NH₄OH demonstriert. Charakteristische Wagon-Wheel-Muster, spezifisch für jedes Material/Ätzer-Paar, wurden nach anisotropem Nassätzen per Top-Down SEM beobachtet. Ähnliche Trends in kristallographischen Ebenen-abhängigen Ätzraten erhielten sich für Si(100) und Si(110) Substrate. Zweitens wurde Ätzen sowohl von c-Si als auch c-Si₇₅Ge₂₅ Wagon-Wheels in typischem selektivem Ätzer, Peressigsäure (PAA), evaluiert. c-Si₇₅Ge₂₅ Ätzen in PAA resultierte in isotropem Ätzen. Selektivitätswerte wurden via zwei Methoden berechnet: erstens Messung Seitenwandverlust der Wagon-Wheel-Speichen, zweitens indirekt über Speichen-Rückzugslängen. Beide Methoden liefern vergleichbare Werte, letztere nur nach kritischer Ätzzeit nutzbar, wenn Spitzen sich zu scharfen Spitzen entwickelt haben.

Einleitung

Traditionell wurde Transistordichte auf ICs durch Schrumpfen der Knotengröße gesteigert. Dies ist technologisch und ökonomisch nicht mehr nachhaltig. Daher neue FET-Architekturen wie FinFET und Gate-All-Around GAA-FET [1–3]. Letzterer bietet Vorteil präziserer Kanalsteuerung [4]. Prozesse für diese komplexen 3D-Features in modernen FETs und Speicherzellen erfordern extrem selektive und isotrope Ätzer [5, 6].

Für GAA-Architekturen mit vertikal gestapelten horizontalen kristallinen Nanodrähten wird sehr selektives, isotropes Ätzen kristalliner epitaktischer Opferschichten benötigt. Für Freisetzung von Si-Nanodrähten z.B. Ätzer für SiₓGe₁₋ₓ, der Si-Nanodrähte intakt lässt.

Daher ist Screening und Verständnis Ätzereigenschaften vital. Screening auf Blanket-Filmen liefert keine verlässlichen Infos zur (An)Isotropie von Material/Ätzer-Paaren. Visualisierung Anisotropie extrem wichtig, da Ätzen kristalliner Opferschichten verzögert oder gestoppt werden kann durch Bildung langsamer Ätz- oder „blockierender“ Ebenen in lateralen Gräben. Anisotropie auch intensiv für MEMS-Fertigung [7, 8] und Si-Oberflächentexturierung für Solaranwendungen [9–11] untersucht.

Prinzipiell zwei experimentelle Methoden, beide liefern Ätzraten als Funktion kristallographischer Richtungen Si. Erste: Siliziumsphäre/hemisphäre (mm-Durchmesser) geätzt; Anisotropie erzeugt Facettenbildung, quantifiziert ergibt Ätzraten verschiedener Kristallebenen [12–14]. Zweite, verbreitetste Methode: Siliziumspeichen/gräben radial auf Wafer patterning, Wagon-Wheel-Form [15, 16]. Stärke: viele kristallographische Flächen in einem Experiment prüfbar, Verstärkungseffekt. Beim anisotropen Nassätzen retractet Spitzenspitze mit Rate proportional zur Seitenwandätzrate der Speiche – letztere die interessierende Ätzrate. Durch Speichengeometrie ist Rückzugsgeschwindigkeit der Spitze signifikant höher als reale Seitenwandätzrate. Diese größere Rückzugslänge leichter visualisierbar/quantifizierbar als kleine Seitenwanddünnung. Verstärkungsfaktor hängt von geometrischer Anordnung Speichen ab. Mehr Speichen, kleinere Winkel, größere Verstärkung. Literatur-Wagon-Wheels [15–18] cm-Durchmesser, typisch 180 Speichen, 1° Winkel/Abstand, Verstärkung ~115. Meist hohe Ätzraten erwünscht; daher meisten Studien anisotropes Ätzen Si in heißen (60–80 °C), konzentrierten (12–25 Gew.-%) alkalischen TMAH/KOH. Wenig bekannt über anisotropes Ätzen in niedrigkonzentrierten alkalischen Lösungen, noch weniger bei niedriger Temperatur. Auch meist nur Nanometer-Entfernung Halbleitermaterial in CMOS/VLSI Prozessen nötig. Daher viel niedrigere Nassätzraten (paar nm/min) erforderlich. Deshalb Miniaturisierung vorheriger Wagon-Wheel-Generation.

In dieser Arbeit nicht nur skalierte c-Si sondern auch c-SiGe Wagon-Wheels gefertigt. So können isotrope und Selektivitätsanforderungen an Ätzer simultan mit hoher Genauigkeit evaluiert werden. Da Hauptvorteil Wagon-Wheel-Technik Bestimmung Anisotropiegrad Material/Ätzer-Paare ist, benchmarken wir zuerst Ergebnisse mit cm-Wagon-Wheels vorheriger Studien. Dann illustrieren wir Nutzen für Entwicklung selektiver/isotroper Ätzer, speziell selektives Ätzen c-Si₇₅Ge₂₅ gegenüber c-Si.

Experimentell/Methoden

Wagon-Wheel-Design

Dimensionen gewählt, um Nanometer-Seitenwandverlust in Submikrometer-Rückzugslängen zu beobachten. Basierend auf Balance dreier Grenzen:

1. Photolithografie limitiert minimalen Critical Dimension (CD), innere Speichenbreite.
2. Imaging-Technik definiert maximales praktisches Field of View (FoV), somit maximalen Wagon-Wheel-Durchmesser.
3. Maximale Speichenzahl in kreisförmigem Muster, bzw. minimaler Speichenkeilwinkel, definiert maximalen Verstärkungsfaktor.

Daraus: innere Speichenbreite 90 nm (CD), Wagon-Wheel-Durchmesser 3,8 µm (FoV), 32 Speichen kreisförmig angeordnet. Speichenwinkel 5,6°, Verstärkungsfaktor ~20. Dedizierte Maske entworfen (Abb. 1a). Dimensionen verglichen mit Wind et al. (Tabelle 1). Wagon-Wheels vertikal/horizontal ausgerichtet, Pitch 3,9 µm, 100 nm Abstand (Abb. 1b). Fertigung nächste Sektion.

Wagon-Wheels auf Maske designed (a) und nach Nanofabrikation: Top-Down SEM (b), Tilted View SEM (c)

Wagon-Wheel-Fertigung

Kristallines Silizium (c-Si) Wagon-Wheels auf Standard p-Typ (B-dotiert, 1–100 Ohm cm) 300 mm Si(100) und Si(110) Wafern. Patterning: Hardmask-Stack (top-down) 30 nm SiN, 160 nm amorphes Carbon (APF), 20 nm SiN, 30 nm amorphes Si. 193-nm Immersion Lithografie übertrug Pattern in Photoresist. Nach Entwicklung Pattern in Hardmask via Plasma-Ätzen inkl. Photoresist/APF-Strip. Unterste Hardmask-Schicht (SiN) entfernt via heiße Phosphorsäure (6 min, 85 Gew.-% H₃PO₄, 160 °C) oder Fluorwasserstoffsäure (5 min, 10 Gew.-% HF). Abb. 1c zeigt geneigten SEM der gefertigten Wagon-Wheels.

Kristallines Silizium-Germanium Wagon-Wheels (c-Si₇₅Ge₂₅) auf gleichen Wafern. Vor Patterning ~600 nm undotiertes Si₇₅Ge₂₅ epitaktisch abgeschieden. Dann gleiche Patterning-Schritte wie Si Wagon-Wheels, ergab c-Si₇₅Ge₂₅ Wagon-Wheel-Speichen.

(An)Isotrope Nassätz-Experimente

Vor (An)Isotropie-Tests: SPM-Reinigung (5 min H₂SO₄:H₂O₂ 3:1, 60 °C) zur Organik-Entfernung, dann 2 min 1 Gew.-% HF zur Oxid-Entfernung. Unmittelbar nach SPM/HF-Reinigung Anisotropie-Test: Testpattern in ungerührtem Ätzer bei Raumtemperatur (RT). TMAH und NH₄OH Lösungen durch Verdünnung 25 Gew.-% TMAH bzw. 29 Gew.-% NH₄OH. Peressigsäure (PAA) durch Mischen 9,5 Teile H₂O₂ (30 Gew.-%), 11 Teile Essigsäure (98 Gew.-%), 0,1 Teile HF (49 Gew.-%). Diese Lösung ätzt SiₓGe₁₋ₓ Legierungen selektiv über reinem Si [19, 20]. PAA als Oxidationsmittel für SiGe-Ätzen bildet sich durch Säure-katalysierte Reaktion Peroxid/Essigsäure mit HF als Katalysator. Gleichgewichtskonzentrationen benötigen Zeit; Lösungen 1 Woche gealtert. Anisotropie/Selektivität: Testpatterns in ungerührtem Ätzer bei RT. Nach Ätzen 30 s DI-Wasser spülen, N₂ trocknen.

Ergebnisse und Diskussion

Anisotropes Ätzen c-Si(100) und c-Si(110) Wagon-Wheels in TMAH

Si(100) Wagon-Wheels in niedrigkonzentriertem TMAH (5 Gew.-%) bei RT geätzt (Abb. 2): Erstens, charakteristische Vierfachsymmetrie Si(100) Wafer durch anisotropes Ätzen enthüllt. Zweitens, orientierungsabhängige Ätzrate verschiedener Kristallebenen visuell ableitbar: schneller ätzende Speichen durch {110} und vizinelle {110} Seitenwändebenen, langsamere durch {100} und vizinelle {100}. Hauptbeobachtung: Ätzraten-Reihenfolge Si in niedrigkonzentriertem RT TMAH folgt R_(110) > R_(100). Weitere anisotrope Effekte: vier Speichen zu vier {110} Ebenen nicht schnellste; präziser je zwei vizinelle Speichen dieser {110} Ebenen. Ätzrate um {110} split in zwei äquivalente Maxima, {110} Ebenen lokale Minima. Entspricht Beobachtungen [21–23], niedrigere Ätzrate {110} durch Blockiereffekt TMA⁺ Ionen.

a TD SEM Si(100) Wagon-Wheel in niedrigkonzentriertem TMAH (5 Gew.-%) RT, Zoom (b) zeigt Entwicklung schnellerer {110} Ebenen/Facetten, gestrichelte Linien.

Weitere Folge anisotropen Ätzens: spezielle Form äußerer Speichenenden der vier {100} Speichen. Bekannt: schnellste Ätzebenen werden für konvexe Oberflächen enthüllt. Initial konvexe Speichenenden; nach Ätzzeit schnellere {110} Ebenen bilden Facetten an äußeren Enden. Offensichtlich für Speichen entlang <100> Richtungen (Zoom b Abb. 2).

Für konkave Oberflächen jedoch langsamste Ätzebenen enthüllt. Während Speichenätzen wird Si(100) Substrat um Speichen auch geätzt. Basis-Substrat-Übergang konkav; langsamste Ebenen {111} sollten erscheinen. Diese {111} Ebenen ausgerichtet entlang <110> Richtungen für Si(100). Abb. 3b zeigt {111} Ebenen nach TMAH-Ätzen, bilden Basis mit geneigten {111} Ebenen für alle Speichen entlang <110>.

a Geneigter SEM Si(100) Wagon-Wheel TMAH (5 Gew.-%) RT, Zoom (b) zeigt geneigte {111} Ebenen.

Ähnlich Si(110) Wagon-Wheels in niedrigkonzentriertem TMAH (5 Gew.-%) RT. Statt Vierfachsymmetrie Si(100) zeigt sich Zweifachsymmetrie Si(110). Kristallographische Orientierungen einiger {100}, {110}, {111}, {211} Ebenen in Abb. 4a zugewiesen. Vorteil Si(110) Substrate: vertikale {111} Ebenen, repräsentiert durch Seitenwände {111} Speichen. Wie Abb. 4: diese langsamste Ätzebenen. Schnellste scheinen {110} und {211}. Intermediäre Raten {100}. Also R_(110) ~ R_(211) > R_(100) > R_(111), konsistent mit Si(100) Ergebnissen.

a TD-SEM Si(110) Wagon-Wheel TMAH (5 Gew.-%) RT, Zoom (b) Facettenbildung an <111> orientierten Speichen. Hauptkristallographische Richtungen (äquivalente Ebenen) durchgezogene Linien, höherindizierte Ebenen gestrichelt.

Abb. 4b: Enden langsamster {111} Speichen evolvieren von rund zu pfeilförmig, asymmetrisches Parallelogramm. Ursache: schnelleres Ätzen {110} und {211} Ebenen.

TMAH und TMAH/IPA Mischungen gut untersucht, üblich für MEMS wo hohe Ätzraten und Anisotropie-Tuning nötig. Meiste Forschung Si-Ätzen TMAH bei höheren Temperaturen/Konzentrationen. Typisch 10–25 Gew.-% TMAH, 60–90 °C [12–14, 23]. Wenige Gruppen Tests bei ~5 Gew.-%, aber hohe Temperaturen 60–90 °C [24–26]. R_(110)/R_(100) Ratio typisch ~2 bei hohen Konzentrationen/Temperaturen, steigt mit sinkender TMAH-Temperatur (Additional file 1: S1). Da diese Arbeit Nanoscale-Ätzapplikationen fokussiert, hohe Ätzraten nicht angestrebt. Niedrige (RT) Temperaturen gewählt für akzeptables Zeitfenster Beobachtung Ätzphänomene und Vermeidung vollständiger Strukturlösung. Gleiche Geschwindigkeitsreihenfolge R_(110) > R_(100) in dieser Studie (RT, 5 Gew.-% TMAH), aber berechnete R_(110)/R_(100) Werte weit über 2 (siehe Ref. [27]). Bestätigt Trend: anisotrope Ratio steigt mit sinkender TMAH-Temperatur. Detaillierte mechanistische Erklärung (kinetisch/atomistisch) außerhalb Scope. Basierend Vergleichen Si-Ätzen TMAH: skalierte Wagon-Wheels liefern nötige Sensitivität Detektion/Vergleich anisotropen Verhaltens Ätzern.

Anisotropes Ätzen c-Si(100) und c-Si(110) Wagon-Wheels in NH₄OH

Si(100) und Si(110) Wagon-Wheels in niedrigkonzentriertem (0,4 Gew.-%) Ammoniumhydroxid (NH₄OH) RT geätzt. Erstere (Abb. 5 links): Vierfachsymmetrie Si(100) enthüllt. Speichen entlang <210> und <310> (theoretisch 18,4° und 26,6° zu <110>), am besten repräsentiert durch dritte Speiche (von oberer „nördlicher“ Speiche gezählt) mit Seitenwänden 19,7° und 25,3°, sind schnellste. {110} Speichen langsamer vs {100}, Facetten an äußeren Enden entwickeln. Diese Facetten wahrscheinlich schnelle {210} und {310} Ebenen, können zu schnellerer scheinbarer Ätzrate {110} Speichen beitragen, besonders längerer Ätzzeiten. Beobachtete Ätzrate: R_(310) ~ R_(210) > R_(100) ~ R_(110).

TD SEM Si(100) (links) und Si(110) Wagon-Wheel (rechts) in niedrigkonzentriertem NH₄OH (0,4 Gew.-%) RT. Spezifische kristallographische Richtungen [ ], Familien äquivalenter Richtungen < >. Hauptrichtungen (äquivalente Ebenen) durchgezogen, höherindizierte gestrichelt.

Si(110) Wagon-Wheels (Abb. 5 rechts): Zweifachsymmetrie um (100) und (110) Ebene durch anisotropes Ätzen NH₄OH enthüllt. Speichen entlang <111> mit {111} Seitenwänden langsamste. Schnellste durch hochindizierte {211} und {311}. {110} und {100} intermediär. Also R_(211) ~ R_(311) > R_(110) ~ R_(100) > R_(111), konsistent mit Si(100) NH₄OH. Auch Si(110) Facettierung sichtbar, besonders äußere Enden {111} und {100} Speichen. Facetten wahrscheinlich Entwicklung schnellerer {211} und {311}.

Literatur begrenzt zu Ätzraten-Anisotropie NH₄OH. Aber wässrige NH₄OH auch als anisotroper Ätzer genutzt [28], ähnliche Eigenschaften wie andere OH⁻-haltige Si-Ätzer. Vorteil: keine Metalle (K⁺, Na⁺, Cs⁺...). NH₄OH IC-kompatibler Ätzer lohnenswert. Schnakenberg et al. zeigten R_(111)/R_(100) ~0,04 für Wagon-Wheel-Typ in 3,7 Gew.-% NH₄OH, 75 °C und R_(110)/R_(100) ~0,3 [28]. Letzteres vergleicht gut mit unserem geschätzten Ratio 0,5 für R_(110)/R_(100).

Aus unseren Ergebnissen: Si-Ätzen NH₄OH gibt unterschiedliche Wagon-Wheel-Muster vs TMAH. Trotz kleiner [OH⁻] Differenz (~0,12 M vs ~0,55 M), beide Ätzungen RT. Einziger Unterschied Gegenkation: voluminöseres (CH₃)₄N⁺ vs kleineres NH₄⁺. Kationen in Ätzerlösung können an Oberfläche haften, selektiv verschiedene hydroxyl-terminierte Si-Oberflächenstellen verschiedener Ätzebenen blockieren [29, 30]. Wenn Ätzraten verschiedener Ebenen unterschiedlich beeinflusst, ändert sich Anisotropie.

Selektives Ätzen Si₇₅Ge₂₅ gegenüber Si

Hier demonstrieren wir Potenzial skalierter Wagon-Wheels für Ätzraten- und Selektivitäts-Evaluation. Si/Si₇₅Ge₂₅ Paar als Modellsystem, repräsentativ für GAA-Strukturen wo opfer c-Si₇₅Ge₂₅ Zwischenschichten isotrop/selektiv gegenüber c-Si Nanodrähten geätzt werden sollen. Ätzen in selektivem Ätzer: HF, H₂O₂, CH₃COOH Mischung. Bekannt: bildet Peressigsäure (CH₃CO₃H) durch säurekatalysierte Reaktion Peroxid/Essigsäure [31, 32]. Nach Alterungszeit Gleichgewichtskonzentrationen. Gebildete PAA effektiver, selektiver Oxidator Si₇₅Ge₂₅. Nach selektiver Oxidation SiGe, SiGe-Oxide durch HF in zweiter, diffusionslimitierter Reaktion gelöst.

c-Si₇₅Ge₂₅(100) Wagon-Wheel Samples in PAA für steigende Zeiten (t₀+30s, +60s, ...+180s) getaucht, Ätzen Speichen via Top-Down SEM Zeitreihe überwacht. Speichenbreiten zuverlässig messbar per konventionellem SEM wenn ≥10 nm. Ergebnisse Zeitreihe Abb. 6. Initial Speichen verdünnt durch Seitenwandätzen. Alle Si₇₅Ge₂₅ Speichen gleichmäßig verdünnt, beweisend isotropes Ätzen. Nach ~90 s beginnen Spitzen zu retractieren, Amplifikationseffekt initiiert. Wir beobachten: Amplifikationseffekt manifestiert erst nach Entwicklung Spitzen zu scharfen Spitzen. Bei t₀ Spitzen noch rund. Durch konvergierende Seitenwände initialer Ätzphase (t < 90 s) transformiert runde Spitze zu scharfer Spitze, Speichen beginnen zu retractieren (Additional file 1: S2). Deutlich illustriert für Wagon-Wheel-Speichenform t=180s: ~Hälfte Speiche geätzt durch Spitzenrückzug (Δl ~450 nm). Doch noch SiGe vorhanden, zumindest breitesten Ende Speichen, da Seitenwände nur Δw~Δl/20 = 22,5 nm je Seite retractierten. Folglich nach kritischer Zeit (t_crit) kann Rückzugslänge (Δl) indirekt Ätzrate Si₇₅Ge₂₅ Speichen berechnen. Vor t_crit nur direkte Messung Seitenwandverlust (Δw) möglich, schwierig zu messen. Vergleich Ätzraten Si und SiGe in PAA via direkter Seitenwandverlust-Messung und indirekter Speichenrückzug-Messung in Tabelle 2. Ätzraten via Steigung abnehmender Speichenbreiten vs Zeit und Steigung steigender Speichenrückzugslängen vs Zeit. Letztere Steigung mit Datenpunkten nach t_crit (Abb. 7 Graubereich). Speichenbreiten scheinen linear abzunehmen, mindestens bis Beobachtungslimit konventionelles SEM (~10 nm). Bis diese Featuregrößen keine auffälligen Ätzratenänderungen bei gradueller Speichendünnung (Abb. 7, 9).

Ätz-Zeitreihe Si75Ge25(100) Wagon-Wheels in PAA-Lösung

Ätzen Si75Ge25 Speichen: Speichenbreite nimmt graduell ab, aber erst nach t_crit. beginnen Spitzen zu retractieren, gemessene Rückzugslängen Si75Ge25 linear anpassbar a.f.o. Ätzzeit (grau schattiert)

Neben Ätzraten für SiGe-Ätzer verifizierten wir isotropes Verhalten. Alle unterschiedlich orientierten Speichen ätzen mit gleicher Rate, also isotrop. Dies deutet auf Prozess, dessen Reaktionsrate durch Oxid-Lösungsrate kontrolliert, nicht Si₇₅Ge₂₅ Oxidationsrate. Oxid-Lösung diffusionslimitiert, niedrige Aktivierungsenergien, nicht anfällig für anisotropes Verhalten.

Ergebnisse c-Si₇₅Ge₂₅(100) validiert mit c-Si₇₅Ge₂₅(110) Wagon-Wheels. Wie für Si Wagon-Wheels erklärt, Vorteil (110) Substrate: zusätzliche vertikale {111} Ebenen, Seitenwände {111} Speichen. Typisch langsamste Ätzebenen/Speichen; sorgfältige Beobachtung nötig für komplettes Anisotropiebild Si₇₅Ge₂₅-PAA Paar. Ergebnisse (Additional file 1: S3.1) konsistent mit Si₇₅Ge₂₅(100) (Abb. 6). Ätzen graduell, erst Verdünnung dann Spitzenrückzug. Leichte Nichtuniformität Rückzugslängen unterschiedlich orientierter Speichen bei längster Ätzzeit (t=180s). Kein klarer Trend, keine spezifische Winkelabhängigkeit Δl, nicht Anisotropie zugeschrieben. Lediglich größere Variation (inter-/intra-Speiche) Speichenbreiten nach Fertigung. Bereits Referenzbild (t₀) zeigt Seitenwände nicht perfekt gerade. Seitenwandrauheit wahrscheinlich Relaxationsdefekte epitaktisch abgeschiedenem Si₇₅Ge₂₅ Layer auf (110) Substrat. Zusammenfassend: sowohl c-Si₇₅Ge₂₅ (100) als auch (110) Wagon-Wheels isotrop in PAA geätzt, Vorteil für schnelle, vollständige Entfernung c-Si₇₅Ge₂₅ als Opferschicht, da keine blockierenden Ebenen gebildet.

Nassätzen PAA wiederholt für c-Si Wagon-Wheels. Zweck: Verifizierung Selektivität Ätzerlösung gegenüber Silizium. Samples in identischer PAA für steigende Zeiten (t₀+15 min, +30 min, ...+90 min). Beachte: Ätzzeiten in Minuten, nicht Sekunden wie Si₇₅Ge₂₅. Erweiterte Zeiten beobachten Si-Ätzen selbst bei Erhaltungszweck.

Obwohl Ätzzeiten unterschiedlich, ähnliche Beobachtung wie Si₇₅Ge₂₅ Speichen: initial Siliziumspeichen graduell verdünnt durch langsame Seitenwandätzung, dann nach t_crit (~45 min) Speichen relativ schnell retractieren durch Amplifikationseffekt (Abb. 8, 9). In allen Fällen Ätzen isotrop. Zeitreihen c-Si(100) (Additional file 1: S3.2) konsistent mit c-Si(110) (Abb. 8).

Ätz-Zeitreihe Si(110) Wagon-Wheels PAA-Lösung. Beachte leicht langsamere Ätzrate <111> Speichen vs andere Richtungen, am deutlichsten t₀+90 min, gestrichelte Linien.

Ätzen Si Speichen: Speichenbreite graduell abnehmend, aber erst nach t_crit. Spitzen retractieren, gemessene Rückzugslängen linear anpassbar a.f.o. Ätzzeit (grau schattiert)

Berechnete Ätzraten Tabelle 2. Beide Messmethoden geben vergleichbare Raten mit nur 7% und 4% Differenz Ätzratenwerte {111} und {110} Ebenen. Si-Ätzraten alle <1 nm/min. Holländer et al. maßen Si(100) ~10 nm/min HF:H₂O₂:CH₃COOH 1:2:3, HF 1,6 Gew.-% [33]. Wieser et al. ~3 und 5 nm/min undotiert Si(111) und Si(100) mit BHF:H₂O₂:CH₃COOH 1:2:3, HF 1 Gew.-% [34]. Unsere Werte vergleichen gut, bedacht niedrigere HF-Konzentration (0,25 Gew.-%). Ergebnisse deuten auch leicht niedrigere Ätzrate {111} Ebenen (gemessen Si(110)) vs {110} (gemessen Si(100)). Quantitative Ergebnisse zeigen sehr geringe Ätz-Anisotropie Si in PAA, kaum sichtbar Top-Down SEM. Zur Klarheit: {111} Ebenen Wagon-Wheel t₀+90 min Abb. 8 markiert, {111} Speichen leicht breiter/länger als umgebende. Zeigt erneut: skalierte Wagon-Wheels sensibel für feinste Unterschiede kristallographischen Ebenen-abhängigen Ätzraten („Anisotropie“).

Selektivitätsverhältnisse Si₇₅Ge₂₅/Si Paar in PAA extrahiert aus Ätzraten Tabelle 2. Selektivität Si₇₅Ge₂₅(111)/Si(111) 11,0–12,6, Si₇₅Ge₂₅(110)/Si(110) etwas höher 14,2–16,8. Werte etwas niedriger als Holländer et al. ~20 [33]. Erklärbar durch höhere SiGe-Ätzraten (11–17 nm/min) durch dynamische Prozessbedingungen (Wafer-Rotation) vs unsere statische Bedingungen (kein Rühren) mit SiGe-Raten 7,8–12,3 nm/min. Interessant: bestätigt beobachtetes isotropes SiGe-Ätzen PAA: da Reaktionsrate kinetisch kontrolliert (Rühren/Rotation), Rate-determinierender Schritt (RDS) wahrscheinlich diffusionskontrollierte SiGe-Oxid-Lösung durch HF.

Schlussfolgerungen

Skalierte Wagon-Wheels (4 µm Durchmesser, 32 Speichen, verschiedene Kristallebenen) auf 300-mm-Wafern gefertigt. Strukturen auf Si(100), Si(110), Si₇₅Ge₂₅(100), Si₇₅Ge₂₅(110) Substraten erlaubt Beobachtung Ätzen drei Hauptkristallorientierungen c-Si und c-Si₇₅Ge₂₅ ({111}, {110}, {100}) sowie höherindizierte Ebenen. Strukturen wertvoll für Evaluation iso-/anisotropes Verhalten Ätzern via simpler TD SEM Inspektion. Verschiedene alkalische und saure Ätzer evaluiert via Bildanalyse charakteristischer Wagon-Wheel-Ätzmuster. Ätzratentrends in guter Übereinstimmung mit Vorarbeiten. In TMAH: R_(110) ~ R_(211) > R_(100) > R_(111). In NH₄OH: R_(310) ~ R_(210) > R_(100) ~ R_(110) > R_(111). Neben relativen Ätzraten Hauptebenen auch andere anisotrope Features (Facetten) beobachtet, zeigt Strukturen sehr sensibel für Änderungen anisotroper Eigenschaften Ätzern.

Zusätzlich Kapazität Enthüllung (An)Isotropie Ätzern demonstrieren Wagon-Wheels Nutzen für Selektivitätsbewertung. System PAA/Si/Si₇₅Ge₂₅ evaluiert bzgl. Si₇₅Ge₂₅ Ätzen, selektiv gegenüber Si. Selektivitätswerte zwei Methoden: erstens Seitenwandverlust Speichen, zweitens indirekt Speichenrückzugslängen. Gezeigt: letztere nur nach kritischer Ätzzeit nutzbar, nachdem Spitzen sich zu scharfen Spitzen entwickelt haben.

Fazit: Skalierte Wagon-Wheels als Lab-Fahrzeuge für schnelle Evaluation Anisotropie/Selektivität Material/Ätzer-Paare. Potenzial High-Throughput Short-Loop Teststrukturen für Ätzer-Screening auf 300mm Wafer Nassprozess-Tools. Zusätzlich durch kleine Größe zukünftig In-situ Ätzstudien via Liquid-Cell Environmental Electron Transmission Microscopy (ETEM).

Verfügbarkeit von Daten und Materialien

Alle Daten uneingeschränkt verfügbar.

Abkürzungen

AA:

Essigsäure

BHF:

Gepufferte Fluorwasserstoffsäure

CD:

Critical Dimension

CMOS:

Complementary Metal Oxide Semiconductor

c-Si:

Einkristallines Silizium

c-SiGe:

Einkristallines Silizium-Germanium

ETEM:

Environmental Electron Transmission Microscopy

FinFET:

Fin Field Effect Transistor

FoV:

Field of View

GAA:

Gate All Around

HF:

Fluorwasserstoffsäure

MEMS:

Microelectromechanical Systems

PAA:

Peressigsäure

R_(xyz):

Ätzrate einer (xyz) Ebene

RDS:

Rate Determining Step

SEM:

Scanning Electron Microscopy

TMAH:

Tetramethylammoniumhydroxid

VLSI:

Very Large-Scale Integration