Wagon-Wheels c-Si et c-SiGe à échelle réduite pour la visualisation de l'anisotropie et de la sélectivité des agents de gravure par voie humide

Introduction

Traditionnellement, l'augmentation progressive de la densité des transistors sur les dispositifs à semi-conducteurs des circuits intégrés était obtenue en réduisant la taille des nœuds. Ceci n'est plus durable sur le plan technologique et économique. Par conséquent, de nouvelles architectures de transistors à effet de champ (FET) telles que Fin-FET et GAA-FET à grille complète sont introduites [1,2,3]. Ce dernier offre un avantage par rapport au premier car sa porte peut syntoniser le canal avec plus de précision [4]. Certains processus utilisés pour la fabrication de ces caractéristiques 3D complexes utilisées dans la plupart des transistors FET et des cellules de mémoire avancés nécessitent des agents de gravure extrêmement sélectifs et isotropes [5, 6].

Pour la fabrication d'architectures GAA comprenant un ou plusieurs nanofils cristallins horizontaux empilés verticalement, une gravure très sélective et isotrope des couches épitaxiales cristallines sacrificielles est nécessaire. Pour la libération de nanofils de Si par exemple, un Si_x Ge_1-x gravure qui laisse les nanofils de Si intacts, est nécessaire.

Par conséquent, le criblage et la compréhension des propriétés de l'agent de gravure sont devenus essentiels. Le criblage d'agents de gravure sur des films de couverture ne donne aucune information fiable sur l'(an)isotropie du couple matériau/agent de gravure. La visualisation de l'anisotropie est extrêmement importante car la gravure des couches sacrificielles cristallines peut être retardée voire arrêtée du fait de la formation de plans de gravure lente ou dits « bloquants » dans les tranchées latérales. L'anisotropie a également été largement étudiée pour la fabrication de structures microélectromécaniques (MEMS) [7, 8] et pour la texturation de surface du Si dans les applications solaires [9,10,11].

Principalement, deux méthodes expérimentales ont été utilisées, donnant toutes deux des vitesses de gravure en fonction des directions cristallographiques du Si. Dans le premier, une sphère ou hémisphère de silicium de quelques millimètres de diamètre est gravée; l'anisotropie donne lieu à la formation de facettes qui, une fois quantifiées, donnent les vitesses de gravure des différents plans cristallins [12,13,14]. Dans la deuxième méthode, la plus répandue, des rayons ou des tranchées en silicium sont modelés sur une plaquette de manière radiale, donnant naissance à la forme dite de roue de wagon [15, 16]. La force de cette dernière méthode réside dans le fait que de nombreuses faces cristallographiques peuvent être sondées en une seule expérience de gravure humide et dans son effet d'amplification. Lors d'une gravure humide anisotrope, la pointe des rayons va se rétracter avec un taux proportionnel au taux de gravure du flanc du rayon de roue de wagon, ce dernier étant le taux de gravure d'intérêt. En raison de la géométrie du rayon, la vitesse de rétraction de la pointe du rayon est nettement plus élevée que le taux de gravure réel des flancs. Cette longueur de rétraction relativement importante est ainsi plus facile à visualiser et à quantifier que le petit amincissement des flancs des rayons. Le facteur d'amplification dépend de la disposition géométrique des rayons dans une roue de wagon. Les roues de wagon avec plus de rayons, et donc des angles plus petits, ont des facteurs d'amplification plus importants. Les roues de wagon décrites dans la littérature [15,16,17,18] ont des diamètres de cm et accueillent généralement 180 rayons avec une largeur angulaire et un espacement de 1°, ce qui donne des facteurs d'amplification de 115. Pour la plupart des applications, des taux de gravure élevés sont voulu; par conséquent, la plupart des auteurs ont étudié la gravure anisotrope du silicium dans des solutions alcalines de TMAH et de KOH relativement chaudes (~ 60–80 °C) et relativement concentrées (~ 12–25 % en poids). Cependant, la gravure anisotrope dans les solutions alcalines à faible concentration est mal connue et encore moins à basse température. De plus, la plupart du temps, seul le retrait nanométrique du matériau semi-conducteur est requis pendant le processus de fabrication de structures de taille nm dans les applications les plus avancées des semi-conducteurs à oxyde métallique complémentaire (CMOS). Par conséquent, des vitesses de gravure humide beaucoup plus faibles, de l'ordre de quelques nanomètres/min, sont nécessaires pour la plupart des processus de gravure humide utilisés dans l'intégration à très grande échelle (VLSI). Ainsi, nous proposons la miniaturisation de la génération précédente de roues de wagon.

Dans ce travail, non seulement des roues de wagon c-Si à échelle réduite mais aussi c-SiGe ont été fabriquées. Ainsi, les exigences isotropes ainsi que les exigences de sélectivité des agents de gravure peuvent être évaluées simultanément avec un haut niveau de précision. L'atout principal de la technique des wagons-roues demeurant la détermination du degré d'anisotropie des couples matériau/graveurs, nous comparerons d'abord nos résultats avec ceux obtenus sur des wagons-roues de taille cm dans les études précédentes. Ensuite, nous illustrerons l'utilité de cette technique pour le développement de gravures sélectives et isotropes, en particulier pour la gravure sélective de c-Si₇₅ Ge₂₅ par rapport à c-Si.

Expérimental/Méthodes

Conception de Wagon-Wheel

Les dimensions des roues du chariot ont été choisies dans l'idée d'observer nanomètre -perte de la paroi latérale de la plage résultant en sub -micron longueurs de rétraction. Les dimensions des roues du wagon reposent sur un équilibre entre les trois limites suivantes :

1. 1.

   La technique photolithographique fixant une contrainte sur la dimension critique minimale (CD), qui est la largeur des rayons (intérieurs) de la roue du wagon.

2. 2.

   La technique d'imagerie définissant un champ de vision pratique (FoV) maximal, et donc un diamètre maximal de roue de wagon.

3. 3.

   Le nombre maximum de rayons qui peuvent être disposés dans le modèle de roue de wagon circulaire, ou en conséquence, l'angle de coin de rayon minimum, définissant le facteur d'amplification maximum.

Compte tenu de cela, la largeur des rayons intérieurs a été fixée à 90 nm (CD), le diamètre de la roue du wagon à 3,8 m (FoV) et 32 ​​rayons ont été disposés en cercle. Cette conception de wagon-roue donne des angles de rayons de 5,6° et un facteur d'amplification d'environ 20. Un masque dédié a été conçu à cet effet (Fig. 1a). Les dimensions sont comparées à celles des roues de chariot précédemment fabriquées par Wind et al. (voir tableau 1). Les roues du wagon sont alignées dans les directions verticale et horizontale avec un pas de 3,9 m, laissant un espace de 100 nm entre deux roues de wagon (Fig. 1b). La fabrication de ces roues de wagon sera décrite dans la section suivante.

Roues de chariot telles que conçues sur le masque (a ) et après le processus de nanofabrication :vue de dessus SEM (b ), vue inclinée SEM (c )

Fabrication de Wagon-Wheel

Des roues de wagon en silicium cristallin (c-Si) ont été fabriquées sur des plaquettes de type p standard (dopé B, 1-100 Ohm cm) de 300 mm Si (100) et Si (110). Le processus de structuration consistait en le dépôt d'un empilement de masques durs composé (de haut en bas) de 30 nm de nitrure de silicium, 160 nm de carbone amorphe (APF), 20 nm de nitrure de silicium et 30 nm de Si amorphe. Une lithographie par immersion à 193 nm a été utilisée pour transférer le motif dans la résine photosensible. Après le développement de la résine photosensible, le motif de la roue de wagon a été gravé à l'aide d'une gravure au plasma qui comprenait une résine photosensible et une bande APF. La couche inférieure de la pile de masques durs, étant la couche de SiN, a été retirée à l'aide d'acide phosphorique chaud (6 min. 85 % en poids H₃ Bon de commande₄ à 160 °C) ou de l'acide fluorhydrique (5 min 10 % en poids de HF). La figure 1c montre une vue SEM inclinée des roues de wagon fabriquées.

Roues de wagons en silicium-germanium cristallin (c-Si₇₅ Ge₂₅ ) ont également été fabriqués sur des plaquettes standard de type p (dopé B, 1-100 Ohm cm) de 300 mm Si (100) ou Si (110). Avant la structuration, une couche d'environ 600 nm non dopé Si₇₅ Ge₂₅ a été déposé par épitaxie. Après cela, les mêmes étapes de modelage que pour les roues de wagon Si ont été suivies, ce qui a donné c-Si₇₅ Ge₂₅ rayons de roue de chariot.

(An)Expériences de gravure humide isotrope

Avant les tests de gravure humide (an)isotrope, un nettoyage SPM (5 min H₂ SO₄ :H₂ O₂ 3:1 à 60 °C), visant à éliminer les résidus organiques a été effectuée et, après cela, la couche d'oxyde a été éliminée au cours d'une immersion de 2 minutes dans une solution aqueuse à 1 % en poids de HF. Immédiatement après les processus de nettoyage SPM et HF, l'anisotropie de l'agent de gravure est analysée en plaçant le motif de test dans un échantillon non agité de l'agent de gravure à température ambiante (RT). TMAH et NH₄ Les solutions de gravure OH ont été préparées par dilution de 25 % en poids de TMAH ou de 29 % en poids de NH₄ OH. Les solutions d'acide peracétique (PAA) ont été préparées en mélangeant 9,5 parties de H₂ O₂ (30 % en poids), 11 parties d'acide acétique (98 % en poids) et 0,1 partie de HF (49 % en poids). Cette solution de gravure est connue pour graver sélectivement Si_x Ge_1-x alliages sur Si pur [19, 20]. Le PAA, qui joue le rôle d'espèce oxydante pour la gravure du SiGe, est formé par réaction de l'acide acétique avec le peroxyde avec HF comme catalyseur. Cependant, un certain temps est nécessaire pour atteindre l'équilibre; par conséquent, les solutions ont été vieillies pendant 1 semaine. L'anisotropie et la sélectivité de l'agent de gravure ont été testées en plaçant les motifs de test dans un échantillon non agité de l'agent de gravure à température ambiante. Immédiatement après la gravure, les échantillons ont été rincés pendant 30 s dans de l'eau déminéralisée puis séchés avec de l'azote gazeux.

Résultats et discussion

Gravure anisotrope de wagons-roues c-Si(100) et c-Si(110) en TMAH

Lorsque des roues de wagon en silicium fabriquées sur une plaquette de Si (100) sont gravées dans du TMAH à faible concentration (5 % en poids) à température ambiante, les observations suivantes peuvent être faites (Fig. 2) :tout d'abord, la symétrie quadruple caractéristique d'un Si (100) la plaquette est révélée par la gravure anisotrope de la roue de wagon. Deuxièmement, la vitesse de gravure dépendant de l'orientation de différents plans cristallographiques peut être déduite visuellement :les rayons de gravure relativement rapides des roues de wagon sont ceux définis par les plans de flanc {110} et vicinaux {110}, tandis que les rayons de gravure plus lents sont définis par les plans de flanc {100} et vicinal {100}. Outre cette observation principale que l'ordre de vitesse de gravure de Si en faible concentration et RT TMAH suit R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ , d'autres effets anisotropes ont pu être discernés :par exemple, les quatre rayons correspondant aux quatre plans {110} ne sont pas les rayons de gravure les plus rapides, ce sont, plus précisément, à chaque fois les deux rayons voisins de ces plans {110}. En conséquence, le taux de gravure autour de {110} est divisé en deux maxima équivalents, et les plans {110} sont des minima locaux. Cela correspond à des observations similaires faites par [21,22,23] dans lesquelles le taux de gravure inférieur des plans {110} est attribué à un effet de blocage par le TMA ⁺ ions.

un TD SEM d'une roue de wagon Si(100) gravée dans du TMAH à faible concentration (5 % en poids) à RT et zoom avant (b ) montrant le développement de la gravure plus rapide {110} plans/facettes, comme indiqué par les lignes pointillées

Un autre résultat de la gravure anisotrope est la forme particulière des extrémités extérieures des quatre rayons {100}. On sait que le le plus rapide des plans de gravure seront révélés pour les surfaces convexes. Initialement, les extrémités des rayons sont des surfaces convexes, par conséquent après un certain temps de gravure, les plans de gravure {110} les plus rapides sont révélés, formant des facettes aux extrémités extérieures des rayons. Ceci est le plus évident pour les rayons le long des directions <100> (zoom avant b de la Fig. 2).

Pour un concave surface, cependant, la la plus lente des plans de gravure seront révélés. Lors de la gravure des rayons des roues de wagon, le substrat Si (100) entourant les rayons est également gravé. Cette transition base-substrat est une surface concave; par conséquent, les plans de gravure les plus lents, étant les plans {111}, devraient être révélés. Ces plans {111} apparaissent alignés avec les directions <110> pour les substrats Si (100). En fait, on peut voir sur la figure 3b que les plans {111} ont été révélés après gravure dans TMAH, formant une base avec des plans {111} inclinés pour tous les rayons le long des directions <110>.

un Image SEM inclinée d'une roue de wagon Si (100) gravée dans du TMAH à faible concentration (5 % en poids) à température ambiante et zoom avant (b ) montrant les {111} plans inclinés

Semblable aux roues de wagon Si(100), les roues de wagon Si(110) ont été gravées dans du TMAH à faible concentration (5 % en poids) à température ambiante. Au lieu de la symétrie quadruple d'une plaquette de Si(100), la symétrie double du Si(110) est révélée. Les orientations cristallographiques de certains des plans {100}, {110}, {111} et {211} sont attribuées sur la figure 4a. L'un des avantages de l'utilisation de substrats Si(110) pour l'évaluation de l'anisotropie est la présence de plans verticaux {111}, qui sont représentés par les parois latérales des rayons {111} des roues de wagon. Comme on peut le voir sur la figure 4, ce sont les plans de gravure les plus lents. Les plans de gravure les plus rapides semblent être les plans {110} et {211}. Des taux de gravure intermédiaires sont trouvés pour les plans {100}. Par conséquent, R ₍₁₁₀₎ ~ R ₍₂₁₁₎> R ₍₁₀₀₎> R ₍₁₁₁₎ , en accord avec les résultats obtenus sur Si(100).

un TD-SEM d'une roue de wagon Si(110) gravée dans du TMAH à faible concentration (5 % en poids) à RT et zoom avant (b ) montrant la formation des facettes sur les rayons orientés <111>. Les principales directions cristallographiques (ou plans équivalents) sont représentées par des traits pleins, les plans d'indice supérieur par des traits pointillés

On peut voir sur la figure 4b que les extrémités des rayons {111} de gravure les plus lents évoluent d'une forme arrondie vers une forme en flèche, formant un parallélogramme asymétrique. La cause sous-jacente de la formation de ces facettes est la gravure plus rapide des plans {110} et {211}.

Les mélanges TMAH et TMAH/IPA sont des agents de gravure bien étudiés et couramment utilisés pour la fabrication de structures MEMS pour lesquelles des vitesses de gravure élevées et un réglage de l'anisotropie sont requis. En conséquence, la plupart des recherches sur la gravure de Si dans le TMAH ont été effectuées à des températures et des concentrations plus élevées. Les concentrations typiques vont de 10 à 25 % en poids de TMAH et à des températures allant de 60 à 90 °C [12,13,14, 23]. Quelques groupes de recherche ont effectué des tests de gravure à de faibles concentrations autour de 5 % en poids, comme dans notre travail, mais ils ont toujours utilisé des températures élevées de 60 à 90 °C [24,25,26]. Le R ₍₁₁₀₎ /R ₍₁₀₀₎ le rapport se situe généralement autour de 2 pour les concentrations élevées et les températures élevées et semble augmenter avec la diminution Température TMAH (Fichier supplémentaire 1 :S1). Étant donné que cette étude se concentre sur les applications de gravure à l'échelle nanométrique, les taux de gravure élevés ne sont pas recherchés. Par conséquent, des températures (RT) basses ont été choisies afin d'avoir une fenêtre temporelle acceptable pour l'observation des phénomènes de gravure et d'éviter la dissolution complète des structures. Le même ordre de vitesses, R ₍₁₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ , est observé dans cette étude, réalisée à la température ambiante et à 5 % en poids de TMAH, mais les valeurs calculées du R ₍₁₁₀₎ /R ₍₁₀₀₎ ratio sont bien supérieurs à 2 (voir également la référence [27]). Ainsi, cela confirme la tendance selon laquelle ce rapport anisotrope augmente avec diminution Température TMAH. Une explication mécaniste détaillée de cette observation, y compris les aspects cinétiques et atomistiques, dépasse le cadre de ce travail. Cependant, sur la base des comparaisons ci-dessus pour la gravure du silicium dans le TMAH, on peut conclure que les roues de wagon réduites offrent la sensibilité requise pour détecter et comparer le comportement anisotrope des agents de gravure.

Gravure anisotrope de wagons-roues c-Si(100) et c-Si(110) dans NH₄ OH

Les roues de wagon Si(100) ainsi que les roues de wagon Si(110) ont été gravées dans de l'hydroxyde d'ammonium à faible concentration (0,4 % en poids) (NH₄ OH) à RT. Dans le premier (Fig. 5, à gauche), la symétrie quadruple d'une plaquette de Si (100) est révélée. Il est clair que les rayons le long des directions <210> et <310>, qui sont théoriquement à 18,4° et 26,6° par rapport aux directions <110>, mieux représentés par le troisième rayon (en comptant à partir du rayon « nord » supérieur ) avec des flancs à 19,7° et 25,3°, sont les rayons de gravure les plus rapides. Les rayons {110} ont une gravure plus lente par rapport à {100} et des facettes se développent aux extrémités extérieures de ces rayons. Ces facettes sont probablement les plans de gravure rapide {210} et {310} et peuvent contribuer à une vitesse de gravure apparente globale plus rapide des rayons {110}, en particulier pour des temps de gravure plus longs. Ainsi, le taux de gravure observé suit R ₍₃₁₀₎ ~ R ₍₂₁₀₎> R ₍₁₀₀₎ ~ R ₍₁₁₀₎ .

Image TD SEM d'un Si (100) (à gauche) et d'une roue de wagon en Si (110) (à droite) gravés dans du NH4OH à faible concentration (0,4 % en poids) à température ambiante. Des directions cristallographiques spécifiques sont représentées par [ ], une famille de directions équivalentes par <>. Les principales directions cristallographiques (ou plans équivalents) sont représentées par des traits pleins, les plans d'indice supérieur par des traits pointillés

Pour les roues de wagon Si(110) (Fig. 5, à droite), la double symétrie autour des plans (100) et (110) est révélée par gravure anisotrope en NH₄ OH. Les rayons le long des directions <111>, avec des parois latérales {111}, apparaissent comme les rayons ou les plans de gravure les plus lents. Les rayons de gravure les plus rapides sont définis par les plans d'indice élevé {211} et {311}. Les {110} et {100} ont des taux de gravure intermédiaires. Par conséquent, les résultats Si(110) sont en ligne avec les résultats Si(100) dans NH₄ OH. Également pour les roues de wagon Si(110), le facettage des rayons est perceptible, en particulier aux extrémités extérieures des rayons {111} et {100}. Les facettes sont probablement le développement des plans de gravure plus rapides {211} et {311}.

Dans la littérature, des informations limitées sont disponibles pour l'anisotropie de la vitesse de gravure de NH₄ OH. Cependant, les solutions aqueuses de NH₄ Les OH ont également été utilisés comme agents de gravure anisotropes [28], avec des propriétés similaires à celles des autres OH ^- contenant des mordants Si. L'avantage est qu'il ne contient pas de métaux (comme le K ⁺ , Na ⁺ , Cs ⁺ , ...). Par conséquent, NH₄ OH est un graveur compatible IC qui mérite d'être étudié. Schnakenberg et al. a montré que le R ₍₁₁₁₎ /R ₍₁₀₀₎ taux de taux de gravure pour un motif de gravure de type wagon-roue gravé dans 3,7 % en poids NH₄ OH à 75 °C est d'environ 0,04 et le R ₍₁₁₀₎ /R ₍₁₀₀₎ taux de gravure 0,3 [28]. Le dernier résultat se compare bien avec notre rapport de taux de gravure estimé de 0,5 pour R ₍₁₁₀₎ /R ₍₁₀₀₎ .

D'après nos résultats, il est clair que la gravure de Si dans NH₄ OH donne des motifs de gravure de roue de wagon différents par rapport à TMAH. Bien qu'il y ait une petite différence dans le [OH ⁻ ] pour les deux solutions de gravure (~ 0,12 M vs ~ 0,55 M), à la fois la gravure en TMAH et en NH₄ OH ont été effectués à la même température (RT). La seule différence restante est le contre-cation :le plus volumineux (CH₃ )₄ N ⁺ par rapport au plus petit NH₄ ⁺ cation. Il a été souligné que les cations dans la solution de gravure pourraient adhérer à la surface, bloquant ainsi sélectivement différents sites de surface Si à terminaison hydroxyle associés aux différents plans de gravure [29, 30]. Chaque fois que les taux de gravure de différents plans sont affectés différemment, l'anisotropie changera.

Gravure sélective de Si₇₅ Ge₂₅ Vers Si

Dans cette section, nous démontrerons et discuterons du potentiel des roues de wagon à échelle réduite pour l'évaluation de la vitesse de gravure et de la sélectivité des agents de gravure. Le Si/Si₇₅ Ge₂₅ paire a été sélectionnée comme système modèle car elle est représentative de la formation de structures GAA dans lesquelles le c-Si₇₅ sacrificiel Ge₂₅ les intercalaires doivent être gravés de manière isotrope et sélective vers les nanofils c-Si. La gravure est réalisée dans un graveur sélectif préparé par un mélange de HF, H₂ O₂ , et CH₃ COOH. Il est connu que ce mélange formera de l'acide peracétique (CH₃ CO₃ H) en raison de la réaction catalysée par un acide entre le peroxyde et l'acide acétique [31, 32]. Après un certain temps de vieillissement, les concentrations d'équilibre sont atteintes. Le PAA ainsi formé est un oxydant efficace et sélectif de Si₇₅ Ge₂₅ . Après l'oxydation sélective du SiGe, les oxydes de SiGe seront dissous par HF dans une seconde réaction à diffusion limitée.

c-Si₇₅ Ge₂₅ des échantillons de roues de wagons ont été plongés dans la solution PAA pour des durées croissantes (t ₀ + 30 s, + 60 s, ...+ 180 s) et la gravure des rayons de roue de wagon a été surveillée par des mesures SEM descendantes ultérieures. Les largeurs des rayons peuvent être mesurées de manière fiable par notre SEM conventionnel si elles ne sont pas inférieures à 10 nm. Les résultats sont présentés dans la série chronologique de la Fig. 6. Initialement, les rayons des roues de wagon sont amincis en raison de la gravure de leurs flancs. Tous les Si₇₅ Ge₂₅ les rayons sont également amincis, ce qui prouve que la gravure est isotrope. Après environ 90 s, les pointes des rayons commencent à se rétracter, suggérant le déclenchement de l'effet d'amplification. Nous observons que cet effet d'amplification ne commence à se manifester qu'après que les pointes des rayons ont évolué vers une pointe acérée. À t ₀ , les extrémités des rayons sont encore arrondies. En raison des flancs progressivement convergents lors de la phase initiale de gravure des rayons (t <90 s), la pointe arrondie se transforme en une pointe simplement acérée et les rayons commencent à se rétracter (voir aussi Fiche complémentaire 1 :S2). Ce résultat est clairement illustré pour la forme des rayons de la roue de chariot à t =180 s :environ la moitié du rayon a été gravée en raison de la rétraction de la pointe (∆l est d'environ 450 nm). Cependant, il reste encore du SiGe, au moins à l'extrémité la plus large des rayons, car les flancs ne se sont rétractés que d'une quantité ∆w~∆l/20 =22,5 nm des deux côtés. Par conséquent, après un temps critique (t _critique ), la longueur de rétraction (∆l) peut être utilisée pour calculer indirectement le taux de gravure du Si₇₅ Ge₂₅ rayons. Cependant, avant ce t _critique , le taux de gravure ne peut être calculé que par mesure directe de la perte de paroi latérale (∆w) qui est difficile à mesurer. Une comparaison des taux de gravure du Si et du SiGe dans le PAA obtenus par mesure directe de la perte de flanc et mesure indirecte de la rétraction du rayon est présentée dans le tableau 2. Les taux de gravure ont été obtenus par la pente des largeurs de flanc décroissantes en fonction du temps et de la pente des longueurs de rétraction des rayons croissantes en fonction du temps. Cette dernière pente a été calculée en utilisant les points de données après t _critique comme le montre la figure 7. Les largeurs de paroi latérale semblent diminuer linéairement, au moins jusqu'à la limite d'observation de notre SEM conventionnel, qui est d'environ 10 nm. Jusqu'à ces tailles de caractéristiques, nous n'avons observé aucun changement frappant de la vitesse de gravure lors de l'amincissement progressif des rayons (Figs. 7 et 9).

Gravure de séries temporelles de roues de wagon Si75Ge25(100) dans une solution PAA

Gravure des rayons Si75Ge25 :la largeur des rayons diminue progressivement, mais seulement après un certain tcrit., les extrémités des rayons commencent à se rétracter et les longueurs de rétraction mesurées Si75Ge25 peuvent être ajustées linéairement a.f.o. temps de gravure (zone grisée)

Outre l'obtention de taux de gravure pour le graveur SiGe, nous avons vérifié le comportement isotrope du graveur. Il est clair que tous les rayons orientés différemment gravent à la même vitesse de gravure, c'est-à-dire de manière isotrope. Ceci pointe donc vers un processus dont la vitesse de réaction est contrôlée par la vitesse de dissolution des oxydes et non par le Si₇₅ Ge₂₅ taux d'oxydation. La dissolution des oxydes est limitée par la diffusion, avec de faibles énergies d'activation, et n'est pas sujette à un comportement anisotrope.

Résultats obtenus sur c-Si₇₅ Ge₂₅ (100) roues de wagon ont été validées avec c-Si₇₅ Ge₂₅ (110) roues de chariot. Comme expliqué pour les roues de wagon en silicium, un avantage de l'utilisation de substrats (110) est la présence supplémentaire de plans verticaux {111}, représentés par les flancs des rayons {111} des roues de wagon. Ce sont généralement les plans/rayons de gravure les plus lents; ainsi, une observation attentive de ces rayons est nécessaire pour une image complète de l'anisotropie du Si₇₅ Ge₂₅ -Paire de gravure PAA. Les résultats (voir Fiche complémentaire 1 :S3.1) sont en accord avec les résultats de gravure obtenus avec le Si₇₅ Ge₂₅ (100) roues de chariot (Fig. 6). La gravure s'est déroulée progressivement, d'abord par un amincissement suivi d'une rétraction en bout de rayon. Une légère non-uniformité dans les longueurs de rétraction des rayons orientés différemment peut être observée au temps de gravure le plus long (t =180s). Cependant, comme il n'y a pas de tendance claire, c'est-à-dire une dépendance angulaire spécifique de l, cela n'a pas été attribué à l'anisotropie. Nous attribuons cela simplement à une plus grande variation (inter et intra-rayons) des largeurs de rayons après fabrication. En effet, on le voit déjà sur l'image de référence (t ₀ ) que les flancs ne sont pas parfaitement droits. Cette rugosité des flancs est probablement due à des défauts de relaxation du Si₇₅ déposé par épitaxie Ge₂₅ couche sur un substrat (110). En résumé, tant le c-Si₇₅ Ge₂₅ Les roues de wagon (100) et (110) sont gravées de manière isotrope dans la solution PAA, ce qui représente un avantage pour l'élimination rapide et complète du c-Si₇₅ Ge₂₅ , utilisé comme matériau sacrificiel, car il n'aura pas tendance à former des plans de blocage.

La gravure humide dans PAA a été répétée pour les roues de wagon c-Si. Ces tests ont pour but de vérifier la sélectivité de la solution de gravure vis-à-vis du silicium. Les échantillons ont été plongés dans une solution PAA identique pour des temps croissants (t ₀ + 15 min, + 30 min, ...+ 90 min). A noter que les temps de gravure sont en minutes et non en secondes comme pour le Si₇₅ Ge₂₅ roues de wagon. Ces temps de gravure prolongés sont destinés à observer toute gravure de Si même si le but de cette gravure est de conserver le silicium.

Bien que les temps de gravure aient été différents, un constat similaire à celui du Si₇₅ Ge₂₅ rayons wagon-roues a été réalisé :dans un premier temps, les rayons en silicium s'amincissent progressivement en raison de leur gravure des flancs relativement lente, puis au bout d'un certain temps, t _critique , dans ce cas après environ 45 min, les rayons commencent à se rétracter relativement rapidement en raison de l'effet d'amplification (Figs. 8 et 9). Dans tous les cas, la gravure semble isotrope. Les séries temporelles obtenues avec les roues de wagon c-Si(100) (voir Fiche complémentaire 1 :S3.2) sont en ligne avec les séries temporelles obtenues avec les roues de wagon c-Si(110) (Fig. 8).

Gravure de séries temporelles de roues de wagon Si(110) dans une solution PAA. Notez le taux de gravure légèrement plus lent des rayons <111> par rapport aux autres directions, le plus perceptible sur l'image t ₀ + 90 min, et indiqué par les pointillés

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 O₂ :CH₃ 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 O₂ :CH₃ 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.

Conclusions

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.

Disponibilité des données et des matériaux

Toutes les données sont entièrement disponibles sans restriction.

Abréviations

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