Struktur Uji Roda Canggih c‑Si/c‑SiGe untuk Evaluasi Anisotropi dan Selektivitas Etzan Basah
Abstrak
Pengerjaan basah menawarkan keuntungan sebagai metode lemah dan tanpa kerusakan untuk menghapus material sederhana dengan presisi hampir nanometer yang telah menjadi kritis untuk fabrikasi struktur skala nanometer. Untuk mengembangkan solusi pengerjaan basah, penyaringan properti etzan seperti selektivitas dan (an)isotropi telah menjadi vital. Karena etzan ini biasanya memiliki laju pengerjaan yang rendah, struktur uji sensitif diperlukan untuk mengevaluasi perilaku pengerjaan mereka. Oleh karena itu, roda gigi tunggal kristal tunggal Si (c-Si) dan SiGe (c-SiGe) yang diperkecil skala telah dibuat. Pertama, sensitivitas roda gigi tunggal c-Si untuk mendeteksi perilaku anisotropi kristal silicon dalam etzan alkaline TMAH dan NH4OH telah divalidasi. Pola roda gigi tunggal yang khas, karakteristik untuk setiap pasangan material/etzan, diamati melalui mikroskop elektron pencabutan (SEM) dari atas setelah pengerjaan basah anisotropi. Tren yang serupa dalam laju pengerjaan bergantung pada bidang kristalografi diperoleh untuk substrat Si(100) dan Si(110). Kedua, pengerjaan baik c-Si maupun c-Si75Ge25 roda gigi tunggal dalam etzan selektif khas, asam perasetik (PAA), dievaluasi. Pengerjaan c-Si75Ge25 dalam PAA menghasilkan pengerjaan isotropi. Nilai selektivitas dihitung berdasarkan dua metode: pertama dengan pengukuran kerugian sisi radiasi roda gigi tunggal, dan kedua, metode tidak langsung, melalui pengukuran panjang retraksi radiasi. Kedua metode memberikan nilai yang dapat dibandingkan, tetapi metode terakhir hanya dapat digunakan setelah waktu pengerjaan kritis tertentu, setelahnya ujung radiasi telah berevolusi menjadi ujung tajam.
Pendahuluan
Secara tradisional, peningkatan bertahap densitas transistor pada perangkat semiconductor sirkuit terpadu dicapai dengan menyusutkan ukuran node. Ini tidak lagi berkelanjutan secara teknologis dan ekonomis. Oleh karena itu, arsitektur transistor efek lapangan (FET) baru seperti Fin-FET dan gate-all-around GAA-FET diperkenalkan [1,2,3]. Yang terakhir menawarkan keuntungan dibandingkan yang pertama karena gate-nya dapat menyesalurkan saluran dengan lebih akurat [4]. Beberapa proses yang digunakan untuk fabrikasi fitur 3D kompleks ini yang digunakan dalam transistor FET paling canggih dan sel memori memerlukan etzan yang sangat selektif dan isotropi [5, 6].
Untuk fabrikasi arsitektur GAA yang terdiri dari satu atau lebih nanowire kristal horizontal yang ditumpuk vertikal, pengerjaan isotropi yang sangat selektif dari lapis epitaksial kristal sederhana diperlukan. Untuk melepaskan nanowire Si misalnya, etzan SixGe1-x yang membiarkan nanowire Si utuh diperlukan.
Oleh karena itu, penyaringan dan pemahaman properti etzan telah menjadi vital. Penyaringan etzan pada film samar tidak memberikan informasi yang andal tentang (an)isotropi pasangan material/etzan. Memvisualisasikan anisotropi sangat penting karena pengerjaan lapis kristal sederhana dapat tertunda atau bahkan terhenti akibat terbentuknya bidang pengerjaan lambat atau yang disebut bidang ‘pemblokir’ dalam terowongan lateral. Anisotropi juga telah banyak diteliti untuk pembuatan struktur mikroelektromekanis (MEMS) [7, 8] dan untuk tekstur permukaan Si dalam aplikasi surya [9,10,11].
Secara prinsip, dua metode eksperimental telah digunakan, keduanya memberikan laju pengerjaan sebagai fungsi arah kristalografi Si. Dalam yang pertama, bola silicon atau setengah bola dengan diameter beberapa milimeter dipengerjakan; anisotropi mengakibatkan pembentukan faceta yang, setelah dikuantifikasi, menghasilkan laju pengerjaan dari bidang kristal yang berbeda [12,13,14]. Dalam yang kedua dan metode yang paling umum, radiasi silicon atau terowongan dipola pada wafer secara radial yang mengakibatkan bentuk yang disebut roda gigi tunggal [15, 16]. Kelebihan metode terakhir terletak pada fakta bahwa banyak bidang kristal dapat dijiplak dalam satu eksperimen pengerjaan basah dan pada efek amplifikasi-nya. Selama pengerjaan basah anisotropi, ujung radiasi akan menarik diri dengan laju yang proporsional terhadap laju pengerjaan sisi radiasi roda gigi tunggal, yang terakhir adalah laju pengerjaan yang diinginkan. Karena geometri radiasi, kecepatan retraksi ujung radiasi secara signifikan lebih tinggi daripada laju pengerjaan aktual sisi. Panjang retraksi yang cukup besar ini lebih mudah divisualisasikan dan dikuantifikasi dibandingkan dengan penipisan sisi yang kecil dari radiasi. Faktor amplifikasi tergantung pada susunan geometri radiasi dalam roda gigi tunggal. Roda gigi tunggal dengan lebih banyak radiasi, dan oleh karena itu sudut yang lebih kecil, memiliki faktor amplifikasi yang lebih besar. Roda gigi tunggal yang dijelaskan dalam literatur [15,16,17,18] memiliki diameter berukuran cm dan biasanya menampung 180 radiasi dengan lebar sudut dan jarak 1° yang menghasilkan faktor amplifikasi 115. Untuk sebagian besar aplikasi, laju pengerjaan tinggi diinginkan; oleh karena itu, sebagian besar penulis telah mempelajari pengerjaan anisotropi silicon dalam larutan alkaline TMAH dan KOH yang relatif panas (~ 60–80 °C) dan relatif terconsentrasi (~ 12–25 wt.%). Namun, sedikit yang diketahui tentang pengerjaan anisotropi dalam larutan alkaline konsentrasi rendah dan bahkan lebih sedikit pada suhu rendah. Selain itu, sebagian besar waktu, hanya penghapusan nanometer dari materi semiconductor yang diperlukan selama proses fabrikasi struktur berukuran nm dalam aplikasi CMOS paling canggih. Oleh karena itu, laju pengerjaan basah yang jauh lebih rendah, dalam rentang beberapa nanometer/menit, diperlukan untuk sebagian besar proses pengerjaan basah yang digunakan dalam integrasi skala sangat besar (VLSI). Oleh karena itu, kami mengusulkan miniaturisasi generasi sebelumnya roda gigi tunggal.
Dalam karya ini, tidak hanya c-Si yang diperkecil skala tetapi juga roda gigi tunggal c-SiGe telah dibuat. Seperti itu, persyaratan isotropi serta selektivitas etzan dapat dievaluasi secara bersamaan dengan tingkat akurasi yang tinggi. Karena aset utama teknik roda gigi tunggal masih adalah penentuan tingkat anisotropi pasangan material/etzan, kami akan pertama kali membandingkan hasil kami dengan yang diperoleh pada roda gigi tunggal ukuran cm dalam studi sebelumnya. Kemudian, kami akan menggambarkan kegunaan teknik ini untuk pengembangan etzan selektif dan isotropi, khususnya untuk pengerjaan selektif c-Si75Ge25 terhadap c-Si.
Eksperimen/Metode
Desain Roda Gigi Tunggal
Dimensi roda gigi tunggal dipilih dengan ide untuk mengamati penurunan sisi dalam rentang nanometer yang menghasilkan panjang retraksi sub-mikron. Dimensi roda gigi tunggal didasarkan pada keseimbangan antara tiga batas berikut:
Teknik litografi optik yang menetapkan batasan pada dimensi kritis minimal (CD), yaitu lebar radiasi (dalam) roda gigi tunggal.
Teknik citra yang menetapkan batas tampilan praktis maksimum (FoV), dan oleh karena itu diameter roda gigi tunggal maksimum.
Jumlah maksimum radiasi yang dapat diatur dalam pola roda gigi tunggal lingkaran, atau sesuai, sudut wedge radiasi minimum, yang menentukan faktor amplifikasi maksimum.
Mempertimbangkan ini, lebar radiasi dalam diatur pada 90 nm (CD), diameter roda gigi tunggal pada 3,8 μm (FoV), dan 32 radiasi diatur dalam pola lingkaran. Desain roda gigi tunggal ini menghasilkan sudut radiasi 5,6° dan faktor amplifikasi sekitar 20. Masker khusus dirancang untuk tujuan ini (Gambar 1a). Dimensi dibandingkan dengan yang dari roda gigi tunggal yang sebelumnya dibuat oleh Wind et al. (lihat Tabel 1). Roda gigi tunggal diselaraskan dalam arah vertikal dan horizontal dengan pitch 3,9 μm, menyisakan ruang 100 nm di antara dua roda gigi tunggal (Gambar 1b). Pembuatan roda gigi tunggal ini akan dijelaskan dalam bagian selanjutnya.
Roda gigi tunggal seperti dirancang pada masker (a) dan setelah proses nanofabrikasi: tampilan atas SEM (b), tampilan miring SEM (c)
Pembuatan Roda Gigi Tunggal
Silicon kristal (c-Si) roda gigi tunggal dibuat pada wafer Si(100) dan Si(110) standar p-tipe (doped B, 1–100 Ohm cm) berukuran 300 mm. Proses pola terdiri dari depo tumpukan masker keras yang terdiri dari (dari atas ke bawah) 30 nm nitride silicon, 160 nm karbon amorf (APF), 20 nm nitride silicon, dan 30 nm Si amorf. Litografi imersi 193 nm digunakan untuk mentransfer pola ke dalam fotoresist. Setelah fotoresist dikembangkan, pola roda gigi tunggal dipengerjakan menggunakan etch plasma yang termasuk strip fotoresist dan APF. Lapisan bawah tumpukan masker keras, yaitu lapis SiN, dihapus menggunakan asam fosforik panas (6 menit, 85 wt.% H3PO4 pada 160 °C) atau asam fluorida hidrogen (5 menit, 10 wt.% HF). Gambar 1c menunjukkan tampilan miring SEM dari roda gigi tunggal yang dibuat.
Roda gigi tunggal silikon-germanium kristal (c-Si75Ge25) juga dibuat pada wafer Si(100) atau Si(110) standar p-tipe (doped B, 1–100 Ohm cm) berukuran 300 mm. Sebelum pola, lapis Si75Ge25 tanpa dop ± 600 nm ditapkan epitaksial. Setelah ini, langkah pola yang sama seperti untuk roda gigi tunggal Si diikuti menghasilkan radiasi roda gigi tunggal c-Si75Ge25.
Eksperimen Pengerjaan Basah (An)Isotropi
Sebelum tes pengerjaan basah (an)isotropi, pembersihan SPM (5 menit H2SO4:H2O2 3:1 pada 60 °C) dilakukan untuk menghapus residu organik, dan setelahnya lapis oksida dihapus selama 2 menit rendaman dalam larutan HF 1 wt.%. Segera setelah proses pembersihan SPM dan HF, anisotropi etzan dianalisis dengan menempatkan pola uji dalam sampel etzan yang tidak diaduk pada suhu kamar (RT). Larutan etzan TMAH dan NH4OH disiapkan dengan pengenceran 25 wt.% TMAH atau 29 wt.% NH4OH. Larutan asam perasetik (PAA) disiapkan dengan mencampur 9,5 bagian H2O2 (30 wt.%), 11 bagian asam asetik (98 wt.%), dan 0,1 bagian HF (49 wt.%). Larutan pengerjaan ini diketahui secara selektif pengerjakan paduan SixGe1-x atas Si murni [19, 20]. PAA, yang bertindak sebagai spesies pengoksida untuk pengerjaan SiGe, terbentuk dari reaksi asam asetik dengan peroksida dengan HF sebagai katalis. Namun, waktu tertentu diperlukan untuk mencapai keseimbangan; oleh karena itu, larutan diperlakukan selama 1 minggu. Anisotropi dan selektivitas etzan dianalisis dengan menempatkan pola uji dalam sampel etzan yang tidak diaduk pada RT. Segera setelah pengerjaan, sampel dicuci selama 30 s dalam air deion dan kemudian dikeringkan dengan gas nitrogen.
Hasil dan Pembahasan
Pengerjaan Anisotropi Roda Gigi Tunggal c-Si(100) dan c-Si(110) dalam TMAH
Saat roda gigi tunggal silicon yang dibuat pada wafer Si(100) dipengerjakan dalam TMAH konsentrasi rendah (5 wt.%) pada RT, pengamatan berikut dapat dilakukan (Gambar 2): pertama, simetri empat lipat khas wafer Si(100) terungkap melalui pengerjaan anisotropi roda gigi tunggal. Kedua, laju pengerjaan yang bergantung pada orientasi dari bidang kristalografi yang berbeda dapat secara visual disimpulkan: radiasi roda gigi tunggal yang pengerjaannya relatif cepat adalah yang ditentukan oleh bidang sisi {110} dan {110} dekat, sementara radiasi yang pengerjaannya lambat ditentukan oleh bidang sisi {100} dan {100} dekat. Selain pengamatan utama bahwa urutan laju pengerjaan Si dalam TMAH konsentrasi rendah dan RT mengikuti R(110) > R(100), efek anisotropi lain dapat dicerna: misalnya, empat radiasi yang sesuai dengan empat bidang {110} bukanlah radiasi pengerjaan tercepat, yang lebih tepatnya adalah dua radiasi dekat dari bidang {110} ini masing-masing. Oleh karena itu, laju pengerjaan di sekitar {110} terpecah menjadi dua maksimum yang setara, dan bidang {110} adalah minimum lokal. Ini sesuai dengan pengamatan serupa yang dilakukan oleh [21,22,23] di mana laju pengerjaan yang lebih rendah dari bidang {110} disebabkan oleh efek pemblokir oleh ion TMA+.
a TD SEM dari roda gigi tunggal Si(100) yang dipengerjakan dalam TMAH konsentrasi rendah (5 wt.%) pada RT dan zoom-in (b) yang menunjukkan perkembangan bidang/faceta {110} yang pengerjaannya lebih cepat, seperti yang ditunjukkan oleh garis putus
Hasil lain dari pengerjaan anisotropi adalah bentuk khusus ujung radiasi luar dari empat radiasi {100}. Diketahui bahwa bidang pengerjaan tercepat akan terungkap untuk permukaan konveks. Awalnya, ujung radiasi adalah permukaan konveks, akibatnya setelah waktu pengerjaan tertentu, bidang {110} yang pengerjaannya lebih cepat terungkap, membentuk faceta di ujung radiasi luar. Ini paling jelas untuk radiasi sepanjang arah <100> (zoom-in b dari Gambar 2).
Untuk permukaan konkav, bagaimanapun, bidang pengerjaan terlambat yang akan terungkap. Selama pengerjaan radiasi roda gigi tunggal, substrat Si(100) di sekitar radiasi juga dipengerjakan. Transisi substrat dasar ini adalah permukaan konkav; oleh karena itu, bidang pengerjaan terlambat, yaitu bidang {111}, harus terungkap. Bidang {111} ini muncul selaras dengan arah <110> untuk substrat Si(100). Faktanya, dapat dilihat pada Gambar 3b bahwa bidang {111} terungkap setelah pengerjaan dalam TMAH, membentuk dasar dengan bidang {111} miring untuk semua radiasi sepanjang arah <110>.
a Citra SEM miring dari roda gigi tunggal Si(100) yang dipengerjakan dalam TMAH konsentrasi rendah (5 wt.%) pada RT dan zoom-in (b) yang menunjukkan bidang {111} miring
Mirip dengan roda gigi tunggal Si(100), roda gigi tunggal Si(110) dipengerjakan dalam TMAH konsentrasi rendah (5 wt.%) pada RT. Alih-alih simetri empat lipat wafer Si(100), simetri dua lipat Si(110) terungkap. Orientasi bidang kristalografi beberapa bidang {100}, {110}, {111}, dan {211} ditugaskan pada Gambar 4a. Salah satu manfaat menggunakan substrat Si(110) untuk evaluasi anisotropi adalah kehadiran bidang {111} vertikal, yang direpresentasikan oleh sisi radiasi {111} dari roda gigi tunggal. Seperti yang dapat dilihat pada Gambar 4, ini adalah bidang pengerjaan terlambat. Bidang pengerjaan tercepat tampaknya adalah bidang {110} dan {211}. Laju pengerjaan menengah ditemukan untuk bidang {100}. Dengan demikian, R(110) ~ R(211) > R(100) > R(111), sesuai dengan hasil yang diperoleh pada Si(100).
a TD-SEM dari roda gigi tunggal Si(110) yang dipengerjakan dalam TMAH konsentrasi rendah (5 wt.%) pada RT dan zoom-in (b) yang menunjukkan pembentukan faceta pada radiasi yang berorientasi <111>. Arah kristalografi utama (atau bidang setara) direpresentasikan oleh garis padat, bidang indeks lebih tinggi oleh garis putus
Dapat dilihat pada Gambar 4b bahwa ujung radiasi {111} yang pengerjaannya paling lambat berevolusi dari bentuk bulat menjadi bentuk panah, membentuk paralelogram asimetris. Penyebab utama pembentukan faceta ini adalah pengerjaan yang lebih cepat dari bidang {110} dan {211}.
TMAH dan campuran TMAH/IPA adalah etzan yang telah banyak diteliti dan sering digunakan untuk pembuatan struktur MEMS yang membutuhkan laju pengerjaan tinggi dan penyesuaian anisotropi. Oleh karena itu, sebagian besar penelitian tentang pengerjaan Si dalam TMAH dilakukan pada suhu dan konsentrasi yang lebih tinggi. Konsentrasi biasanya berkisar dari 10 hingga 25 wt.% TMAH dan pada suhu 60 hingga 90 °C [12,13,14, 23]. Beberapa kelompok penelitian melakukan tes pengerjaan pada konsentasi rendah sekitar 5 wt.%, seperti dalam karya kami, tetapi mereka masih menggunakan suhu tinggi 60–90 °C [24,25,26]. Rasio R(110)/R(100) biasanya sekitar 2 untuk konsentrasi dan suhu tinggi dan tampaknya meningkat dengan menurunnya suhu TMAH (Berkas Tambahan 1: S1). Karena studi ini berfokus pada aplikasi pengerjaan skala nanometer, laju pengerjaan tinggi tidak diusulkan. Oleh karena itu, suhu rendah (RT) dipilih untuk memiliki jendela waktu yang dapat diterima untuk pengamatan fenomena pengerjaan dan untuk menghindari pelarutan lengkap struktur. Urutan laju yang sama, R(110) > R(100), diamati dalam studi ini, yang dilakukan pada RT dan 5 wt.% TMAH, tetapi nilai yang dihitung dari rasio R(110)/R(100) sangat di atas 2 (lihat juga referensi [27]). Dengan demikian, ini mengonfirmasi tren bahwa rasio anisotropi ini meningkat dengan menurunnya suhu TMAH. Penjelasan mekanisme terperinci dari pengamatan ini, termasuk aspek kinetik dan atomistik, berada di luar cakupan karya ini. Namun, berdasarkan perbandingan di atas untuk pengerjaan silicon dalam TMAH, dapat disimpulkan bahwa roda gigi tunggal yang diperkecil skala menyediakan sensitivitas yang diperlukan untuk mendeteksi dan membandingkan perilaku anisotropi etzan.
Pengerjaan Anisotropi Roda Gigi Tunggal c-Si(100) dan c-Si(110) dalam NH4OH
Roda gigi tunggal Si(100) serta Si(110) dipengerjakan dalam NH4OH konsentrasi rendah (0,4 wt.%) pada RT. Dalam yang pertama (Gambar 5, kiri), simetri empat lipat wafer Si(100) terungkap. Jelas bahwa radiasi sepanjang arah <210> dan <310>, yang secara teoritis pada 18,4° dan 26,6° terhadap arah <110>, paling baik direpresentasikan oleh radiasi ketiga (menghitung dari radiasi ‘utara’ teratas) dengan sisi pada 19,7° dan 25,3°, adalah radiasi pengerjaan tercepat. Radiasi {110} pengerjaannya lebih lambat dibandingkan {100} dan faceta berkembang di ujung luar radiasi ini. Faceta ini kemungkinan adalah bidang {210} dan {310} yang pengerjaannya cepat dan dapat berkontribusi pada laju pengerjaan yang lebih cepat secara terlihat dari radiasi {110}, terutama untuk waktu pengerjaan yang lebih lama. Dengan demikian, laju pengerjaan yang diamati mengikuti R(310) ~ R(210) > R(100) ~ R(110).
Citra TD SEM dari roda gigi tunggal Si(100) (kiri) dan Si(110) (kanan) yang dipengerjakan dalam NH4OH konsentrasi rendah (0,4 wt.%) pada RT. Arah kristalografi tertentu direpresentasikan oleh [ ], keluarga arah setara oleh < >. Arah kristalografi utama (atau bidang setara) direpresentasikan oleh garis padat, bidang indeks lebih tinggi oleh garis putus
Untuk roda gigi tunggal Si(110) (Gambar 5, kanan), simetri dua lipat sekitar bidang (100) dan (110) terungkap melalui pengerjaan anisotropi dalam NH4OH. Radiasi sepanjang arah <111>, dengan sisi {111}, muncul sebagai radiasi pengerjaan terlambat atau bidang. Radiasi pengerjaan tercepat ditentukan oleh bidang indeks tinggi {211} dan {311}. {110} dan {100} memiliki laju pengerjaan menengah. Oleh karena itu, hasil Si(110) sesuai dengan hasil Si(100) dalam NH4OH. Juga untuk roda gigi tunggal Si(110), faceting radiasi terlihat, terutama di ujung luar radiasi {111} dan {100}. Faceta ini kemungkinan adalah perkembangan bidang {211} dan {311} yang pengerjaannya lebih cepat.
Dalam literatur, informasi terbatas tersedia untuk anisotropi laju pengerjaan NH4OH. Namun, larutan air NH4OH juga telah digunakan sebagai etzan anisotropi [28], dengan properti yang serupa dengan etzan Si lainnya yang mengandung OH-. Manfaatnya adalah bahwa ia tidak mengandung logam (seperti K+, Na+, Cs+, ...). Oleh karena itu, NH4OH adalah etzan yang kompatibel IC yang layak untuk diteliti. Schnakenberg et al. menunjukkan bahwa rasio laju pengerjaan R(111)/R(100) untuk pola etzan jenis roda gigi tunggal yang dipengerjakan dalam NH4OH 3,7 wt.% pada 75 °C adalah sekitar 0,04 dan rasio laju pengerjaan R(110)/R(100) adalah 0,3 [28]. Hasil terakhir banding baik dengan estimasi rasio laju pengerjaan kami sebesar 0,5 untuk R(110)/R(100).
Dari hasil kami, jelas bahwa pengerjaan Si dalam NH4OH menghasilkan pola etzan roda gigi tunggal yang berbeda dibandingkan TMAH. Meskipun ada perbedaan kecil dalam [OH−] untuk kedua larutan pengerjaan (~ 0,12 M vs. ~ 0,55 M), baik pengerjaan dalam TMAH maupun dalam NH4OH dilakukan pada suhu yang sama (RT). Perbedaan yang tersisa adalah kontra-kation: kation (CH3)4N+ yang lebih besar dibandingkan kation NH4+ yang lebih kecil. Telah disebutkan bahwa kation dalam larutan etzan dapat menempel pada permukaan, sehingga secara selektif memblokir situs permukaan Si yang diakhiri hidroksil yang terkait dengan bidang pengerjaan yang berbeda [29, 30]. Kapan pun laju pengerjaan bidang yang berbeda terpengaruh secara berbeda, anisotropi akan berubah.
Pengerjaan Selektif Si75Ge25 terhadap Si
Dalam bagian ini, kami akan mendemonstrasikan dan membahas potensi roda gigi tunggal yang diperkecil skala untuk evaluasi laju pengerjaan dan selektivitas etzan. Pasangan Si/Si75Ge25 dipilih sebagai sistem model karena ini mewakili pembentukan struktur GAA di mana lapis antar c-Si75Ge25 sederhana harus dipengerjakan secara isotropi dan selektif terhadap nanowire c-Si. Pengerjaan dilakukan dalam etzan selektif yang disiapkan dengan campuran HF, H2O2, dan CH3COOH. Diketahui bahwa campuran ini akan membentuk asam perasetik (CH3CO3H) karena reaksi yang dikatalisis asam antara peroksida dan asam asetik [31, 32]. Setelah waktu perlakuan tertentu, konsentrasi keseimbangan tercapai. PAA yang terbentuk adalah pengoksida yang efektif dan selektif untuk Si75Ge25. Setelah oksidasi selektif SiGe, oksida SiGe akan dilarutkan oleh HF dalam reaksi kedua yang terbatas difusi.
Sampel roda gigi tunggal c-Si75Ge25 direndam dalam larutan PAA untuk waktu yang meningkat (t0+ 30 s, + 60 s, ...+ 180 s) dan pengerjaan radiasi roda gigi tunggal dipantau dengan pengukuran SEM dari atas selanjutnya. Lebar radiasi dapat diukur dengan andal oleh SEM konvensional kami jika tidak lebih kecil dari 10 nm. Hasilnya ditunjukkan dalam deret waktu pada Gambar 6. Awalnya, radiasi roda gigi tunggal tipis karena pengerjaan sisinya. Semua radiasi Si75Ge25 tipis sama, yang membuktikan pengerjaan adalah isotropi. Setelah sekitar 90 s, ujung radiasi mulai menarik diri, yang menunjukkan iniciasi efek amplifikasi. Kami mengamati bahwa efek amplifikasi ini mulai menunjukkan dirinya hanya setelah ujung radiasi telah berevolusi menjadi ujung tajam. Pada t0, ujung radiasi masih bulat. Karena sisinya yang perlahan menyelarap selama tahap pengerjaan awal radiasi (t < 90 s), ujung bulat berubah menjadi ujung tajam dan radiasi mulai menarik diri (lihat juga Berkas Tambahan 1: S2). Temuan ini secara jelas diilustrasikan untuk bentuk radiasi roda gigi tunggal pada t = 180 s: setengah dari radiasi telah dipengerjakan karena retraksi ujung (∆l sekitar 450 nm). Namun, masih ada sedikit SiGe yang tersisa, setidaknya di ujung terlebar dari radiasi, karena sisinya hanya menarik diri sejumlah ∆w~∆l/20 = 22,5 nm di kedua sisi. Akibatnya, setelah waktu kritis (tcrit), panjang retraksi (∆l) dapat digunakan untuk secara tidak langsung menghitung laju pengerjaan radiasi Si75Ge25. Namun, sebelum tcrit ini, laju pengerjaan hanya dapat dihitung dengan pengukuran langsung kerugian sisi (∆w) yang sulit diukur. Perbandingan laju pengerjaan Si dan SiGe dalam PAA yang diperoleh dengan pengukuran langsung kerugian sisi dan pengukuran tidak langsung panjang retraksi radiasi ditunjukkan pada Tabel 2. Laju pengerjaan diperoleh dari kemiringan penurunan lebar sisi terhadap waktu dan kemiringan peningkatan panjang retraksi radiasi terhadap waktu. Kemiringan terakhir dihitung menggunakan titik data setelah tcrit seperti ditunjukkan pada Gambar 7. Lebar sisi tampaknya menurun secara linier, setidaknya hingga batas pengamatan SEM konvensional kami, yaitu hingga sekitar 10 nm. Hingga ukuran fitur ini, kami tidak mengamati perubahan yang mencolok dalam laju pengerjaan selama penipisan bertahap radiasi (Gambar 7 dan 9).
Deret waktu pengerjaan roda gigi tunggal Si75Ge25(100) dalam larutan PAA
Pengerjaan radiasi Si75Ge25: lebar radiasi berkurang secara bertahap, tetapi hanya setelah tcrit tertentu, ujung radiasi mulai menarik diri dan panjang retraksi yang diukur Si75Ge25 dapat difit linier terhadap waktu pengerjaan (area diabuhi abu-abu)
Selain memperoleh laju pengerjaan untuk etzan SiGe, kami memverifikasi perilaku isotropi etzan. Jelas bahwa semua radiasi dengan orientasi yang berbeda dipengerjakan dengan laju pengerjaan yang sama, yaitu isotropi. Ini menunjukkan proses yang laju reaksinya dikontrol oleh laju pelarutan oksida dan bukan oleh laju oksidasi Si75Ge25. Pelarutan oksida terbatas difusi, dengan energi aktivasi rendah, dan tidak rentan terhadap perilaku anisotropi.
Hasil yang diperoleh pada roda gigi tunggal c-Si75Ge25(100) divalidasi dengan roda gigi tunggal c-Si75Ge25(110). Seperti dijelaskan untuk roda gigi tunggal silicon, satu manfaat menggunakan substrat (110) adalah kehadiran tambahan bidang {111} vertikal, direpresentasikan oleh sisi radiasi {111} dari roda gigi tunggal. Biasanya ini adalah bidang/radiasi pengerjaan terlambat; oleh karena itu, pengamatan yang hati-hati terhadap radiasi ini diperlukan untuk gambar lengkap anisotropi pasangan etzan Si75Ge25-PAA. Hasilnya (lihat Berkas Tambahan 1: S3.1) sesuai dengan hasil pengerjaan yang diperoleh dengan roda gigi tunggal Si75Ge25 (100) (Gambar 6). Pengerjaan berjalan secara bertahap, pertama dengan penipisan diikuti oleh retraksi ujung radiasi. Ketidakteraturan ringan dalam panjang retraksi radiasi dengan orientasi yang berbeda dapat diamati pada waktu pengerjaan terpanjang (t = 180 s). Namun, karena tidak ada tren yang jelas, yaitu ketergantungan sudut tertentu dari ∆l, ini tidak dianggap sebagai anisotropi. Kami menyebutkan ini hanya karena variasi yang lebih besar (inter- dan intra-radiasi) dari lebar radiasi setelah pembuatan. Faktanya, sudah terlihat pada citra referensi (t0) bahwa sisinya tidak sepenuhnya lurus. Kekasaran sisi ini mungkin disebabkan oleh defek relaksasi dari lapis Si75Ge25 yang ditapkan epitaksial pada substrat (110). Secara keseluruhan, baik roda gigi tunggal c-Si75Ge25 (100) maupun (110) dipengerjakan secara isotropi dalam larutan PAA, yang merupakan manfaat untuk penghapusan cepat dan lengkap dari c-Si75Ge25, yang digunakan sebagai material sederhana, karena ia tidak akan cenderung membentuk bidang pemblokir apa pun.
Pengerjaan basah dalam PAA diulang untuk roda gigi tunggal c-Si. Tujuan dari tes ini adalah untuk memverifikasi selektivitas larutan etzan terhadap silicon. Sampel direndam dalam larutan PAA yang identik untuk waktu yang meningkat (t0+ 15 menit, + 30 menit, ...+ 90 menit). Perhatikan bahwa waktu pengerjaan dalam menit dan bukan dalam detik seperti untuk roda gigi tunggal Si75Ge25. Waktu pengerjaan yang diperpanjang ini dimaksudkan untuk mengamati pengerjaan Si meskipun tujuan dari etzan ini adalah untuk melestarikan silicon.
Meskipun waktu pengerjaan berbeda, pengamatan yang serupa seperti untuk radiasi roda gigi tunggal Si75Ge25 dilakukan: awalnya, radiasi silicon bertipis secara bertahap karena pengerjaan sisi yang relatif lambat, kemudian setelah waktu, tcrit, dalam kasus ini setelah sekitar 45 menit, radiasi mulai menarik diri relatif cepat karena efek amplifikasi (Gambar 8 dan 9). Dalam semua kasus, pengerjaan tampaknya isotropi. Deret waktu yang diperoleh dengan roda gigi tunggal c-Si(100) (lihat Berkas Tambahan 1: S3.2) sesuai dengan deret waktu yang diperoleh dengan roda gigi tunggal c-Si(110) (Gambar 8).
Deret waktu pengerjaan roda gigi tunggal Si(110) dalam larutan PAA. Perhatikan laju pengerjaan yang sedikit lebih lambat dari radiasi <111> dibandingkan arah lain, paling terlihat pada citra t0+ 90 menit, dan ditunjukkan oleh garis putus
Pengerjaan radiasi Si: lebar radiasi berkurang secara bertasap, tetapi hanya setelah tcrit tertentu, ujung radiasi mulai menarik diri, dan panjang retraksi yang diukur dapat difit linier terhadap waktu pengerjaan (area diabuhi abu-abu)
Laju pengerjaan yang dihitung ditunjukkan pada Tabel 2. Kedua metode pengukuran memberikan laju pengerjaan yang dapat dibandingkan dengan hanya 7% dan 4% perbedaan dalam nilai laju pengerjaan bidang {111} dan {110}, masing-masing. Nilai laju pengerjaan Si semuanya < 1 nm/menit. Holländer et al. mengukur laju pengerjaan Si(100) ~ 10 nm/menit dengan HF:H2O2:CH3COOH 1:2:3 dengan konsentrasi HF 1,6 wt.% dan Wieser et al. mengukur laju pengerjaan ~ 3 dan 5 nm/menit untuk Si(111) dan Si(100) tanpa dop, masing-masing dengan larutan BHF:H2O2:CH3COOH 1:2:3 dengan konsentrasi HF 1 wt.% [33, 34]. Nilai kami banding baik dengan nilai yang dilaporkan, mengingat bahwa konsentrasi HF dalam tes kami lebih rendah ([HF] = 0,25 wt.%). Hasil kami juga menunjukkan laju pengerjaan sedikit lebih rendah dari bidang {111}, yang diukur pada substrat Si(110), dibandingkan bidang {110}, yang diukur pada substrat Si(100). Hasil kuantitatif ini menunjukkan anisotropi pengerjaan Si yang sangat rendah dalam PAA yang hampir tidak terlihat dari citra SEM dari atas. Untuk kejelasan, bidang {111} dari roda gigi tunggal pada t0+ 90 menit pada Gambar 8 ditunjukkan dan dapat diperhatikan bahwa radiasi {111} sedikit lebih lebar dan lebih panjang dari radiasi di sekitarnya. Ini lagi menunjukkan bahwa roda gigi tunggal yang diperkecil skala ini sensitif untuk mendeteksi perbedaan yang sangat halus dalam laju pengerjaan bergantung pada bidang kristalografi ('anisotropi') etzan.
Rasio selektivitas pasangan Si75Ge25/Si dalam PAA diekstraksi dari laju pengerjaan pada Tabel 2. Rasio selektivitas Si75Ge25(111)/Si(111) berkisar antara 11,0 dan 12,6 sementara rasio Si75Ge25(110)/Si(110) sedikit lebih tinggi, antara 14,2 dan 16,8. Nilai ini sedikit lebih rendah dari nilai yang dilaporkan oleh Holländer et al. yang klaim selektivitas sekitar ~ 20 [33]. Ini dapat dikaitkan dengan laju pengerjaan SiGe yang lebih tinggi (11–17 nm/menit) karena kondisi proses dinamis (putaran wafer) dibandingkan dengan kondisi proses statis kami (tidak diaduk) di mana laju pengerjaan SiGe berkisar antara 7,8 dan 12,3 nm/menit. Menariknya, ini mengonfirmasi pengerjaan isotropi SiGe yang diamati dalam PAA: karena laju reaksi dikontrol secara kinetik (dengan diaduk atau diputar), langkah penentu laju (RDS) paling mungkin adalah pelarutan oksida SiGe yang dikontrol difusi oleh HF.
Kesimpulan
Roda gigi tunggal yang diperkecil skala dengan diameter 4 μm dan 32 radiasi yang mengekspos bidang kristalografi yang berbeda dibuat pada wafer berukuran 300 mm. Struktur ini dipola pada substrat Si(100), Si(110), Si75Ge25(100), dan Si75Ge25(110) yang memungkinkan pengamatan pengerjaan dari tiga orientasi kristal utama dari c-Si dan c-Si75Ge25 ({111}, {110}, dan {100}) serta bidang indeks lebih tinggi. Struktur ini terbukti berharga untuk evaluasi perilaku isotropi atau anisotropi etzan dengan pemeriksaan sederhana melalui TD SEM. Berbagai etzan alkaline dan asam dievaluasi dengan analisis citra dari pola etzan roda gigi tunggal karakteristik mereka. Tren dalam rasio pengerjaan sesuai baik dengan karya sebelumnya. Dalam TMAH, laju pengerjaan bergantung pada bidang dari silicon mengikuti urutan: R(110) ~ R(211) > R(100) > R(111). Dalam NH4OH, di sisi lain, laju pengerjaan mengikuti urutan: R(310) ~ R(210) > R(100) ~ R(110) > R(111). Selain laju pengerjaan relatif dari bidang kristal utama, fitur anisotropi lain, seperti faceta, diamati, yang menunjukkan bahwa struktur ini sangat sensitif terhadap perubahan dalam properti anisotropi etzan.
Selain kapasitas mereka untuk mengungkapkan (an)isotropi etzan, struktur roda gigi tunggal ini juga menunjukkan manfaatnya untuk penilaian selektivitas etzan. Untuk tujuan ini, sistem PAA/Si/Si75Ge25 dievaluasi dalam hal pengerjaan Si75Ge25, selektif terhadap Si. Nilai selektivitas diperoleh dengan dua metode: pertama dengan pengukuran kerugian sisi radiasi; kedua, metode tidak langsung, melalui pengukuran panjang retraksi radiasi. Ditunjukkan bahwa metode terakhir hanya dapat digunakan setelah waktu pengerjaan kritis tertentu, setelahnya ujung radiasi telah berevolusi menjadi ujung tajam.
Dalam kesimpulan, roda gigi tunggal yang diperkecil skala dapat digunakan sebagai kendaraan skala laboratorium untuk evaluasi cepat anisotropi dan selektivitas pasangan material/etzan. Struktur ini juga berpotensi digunakan sebagai struktur uji loop pendek throughput tinggi untuk penyaringan etzan pada alat pengerjaan basah wafer 300 mm. Selain itu, karena ukurannya kecil, roda gigi tunggal ini dapat digunakan untuk studi pengerjaan in-situ di masa depan, menggunakan mikroskop transmisi elektron lingkungan sel cair ETEM.
