高精度ウェットエッチャント異方性・選択性評価のための先進的c-Si/c-SiGeワゴンホイールテスト構造

概要

ウェットエッチングは、ナノメートル精度に近い精度で犠牲層を除去できるソフトでダメージフリーな手法として優位性があり、ナノスケール構造の製造において極めて重要になっています。このようなウェットエッチング溶液を開発するため、選択性や（非）異方性といったエッチャント特性のスクリーニングが不可欠です。これらのエッチャントは典型的に低エッチレートであるため、そのエッチング挙動を評価するには高感度テスト構造が必要です。そこで、スケールダウンされた単結晶Si（c-Si）とSiGe（c-SiGe）ワゴンホイールを作製しました。まず、アルカリ性エッチャントのTMAHとNH₄OHにおける結晶性シリコンの異方的挙動を検出するc-Siワゴンホイールの感度を実証しました。異方性ウェットエッチング後、各材料/エッチャント組み合わせに特徴的なワゴンホイールパターンが、真上からの走査電子顕微鏡（SEM）観察で確認されました。Si(100)とSi(110)基板の両方で、結晶面依存エッチレートの類似傾向が得られました。次に、典型的な選択性エッチャントである過酢酸（PAA）でのc-Siとc-Si₇₅Ge₂₅ワゴンホイールのエッチングを評価しました。PAA中のc-Si₇₅Ge₂₅エッチングは等方的でした。選択性値は2つの方法で計算：第1にワゴンホイールスポークの側壁損失測定、第2に間接法としてスポーク後退長測定。両法で比較可能な値が得られましたが、後者はスポーク先端が鋭利な形状へ進化した一定の臨界エッチング時間以降でのみ使用可能です。

はじめに

従来、集積回路半導体デバイスのトランジスタ密度の漸増はノードサイズ縮小によって達成されてきました。しかしこれは技術的・経済的にもはや持続可能ではありません。したがって、Fin-FETやゲートオールアラウンド（GAA）FETなどの新しい電界効果トランジスタ（FET）アーキテクチャが導入されています[1-3]。後者はゲートがチャネルをより正確に制御できる利点があります[4]。最先端FETトランジスタとメモリセルに用いられるこれらの複雑な3D構造の製造プロセスには、極めて選択的で等方的なエッチャントが必要です[5,6]。

垂直積層水平結晶ナノワイヤで構成されるGAAアーキテクチャの製造には、犠牲的結晶エピタキシャル層の非常に選択的かつ等方的なエッチングが必要です。例えばSiナノワイヤのリリースには、Siナノワイヤをそのまま残しながらSiₓGe₁₋ₓをエッチングするエッチャントが必要です。

したがって、エッチャント特性のスクリーニングと理解が不可欠になりました。ブランケット膜でのエッチャントスクリーニングでは、材料/エッチャント組み合わせの（非）異方性について信頼できる情報が得られません。異方性の可視化は極めて重要で、結晶性犠牲層のエッチングが、横方向トレンチでの低速エッチングまたはいわゆる「ブロッキング」面の形成により遅延・停止される可能性があるためです。異方性は、マイクロ電気機械システム（MEMS）製造[7,8]や太陽電池用Si表面テクスチャリング[9-11]でも広く研究されてきました。

原則的に2つの実験手法が用いられ、どちらもSiの結晶学的方向の関数としてエッチレートを与えます。第1に、数mm径のシリコン球または半球をエッチングし、異方性によりファセット形成が生じ、定量化すれば各結晶面のエッチレートが得られます[12-14]。第2に最も広く用いられる手法では、ウェハー上に放射状にシリコンスポークまたはトレンチをパターニングし、いわゆるワゴンホイール形状を形成します[15,16]。後者の手法の強みは、単一ウェットエッチング実験で多くの結晶面をプローブできることと、増幅効果にあります。異方性ウェットエッチングでは、スポーク先端の後退速度がワゴンホイールスポーク側壁のエッチレートに比例し、後者が関心のあるエッチレートです。スポークの幾何学により、スポーク先端の後退速度は側壁の実際のエッチレートより著しく大きくなります。この比較的大きな後退長は、スポークの小さな側壁薄化より可視化・定量化が容易です。増幅係数はワゴンホイール内のスポーク幾何配置に依存します。スポーク数が多く角度が小さいワゴンホイールほど大きな増幅係数を持ちます。文献[15-18]のワゴンホイールはcmサイズ径で、典型的に180本のスポークを1°の角度幅と間隔で配置し、増幅係数115を実現します。ほとんどの応用では高エッチレートが望まれるため、多くの研究者が比較的高温（約60-80℃）かつ高濃度（約12-25 wt.%）のアルカリ性TMAHとKOH溶液でのシリコン異方性エッチングを研究してきました。しかし、低濃度アルカリ溶液での異方性エッチング、さらに低温での知見はほとんどありません。また、最先端CMOS応用でnmサイズ構造を製造するプロセスでは、半導体材料のナノメートルオーダー除去のみが必要なことが多く、VLSIで用いられるほとんどのウェットエッチプロセスでは、数nm/minオーダーの mucho 低いウェットエッチレートが必要です。したがって、前世代ワゴンホイールの小型化を提案します。

本研究では、スケールダウンされたc-Siだけでなくc-SiGeワゴンホイールも作製しました。これにより、エッチャントの等方性と選択性要件を高精度で同時に評価できます。ワゴンホイール手法の主たる資産は依然として材料/エッチャント組み合わせの異方性度決定にあるため、まずcmサイズワゴンホイールでの先行研究結果とベンチマークします。次に、この手法の選択的・等方的エッチャント開発への有用性を、特にc-Siに対するc-Si₇₅Ge₂₅の選択的エッチングで実証します。

実験/方法

ワゴンホイール設計

ワゴンホイール寸法は、ナノメートルオーダーの側壁損失がサブミクロンの後退長をもたらすよう観察できるように選択しました。寸法は以下の3つの境界のバランスに基づきます：

1. フォトリソグラフィ技術による最小クリティカルディメンション（CD）、すなわちワゴンホイール（内側）スポーク幅への制約。
2. イメージング技術による最大実用視野（FoV）、したがって最大ワゴンホイール径。
3. 円形ワゴンホイールパターンに配置可能な最大スポーク数、またはそれに対応する最小スポーク楔角、最大増幅係数を定義。

これを考慮し、内側スポーク幅を90 nm（CD）、ワゴンホイール径を3.8 µm（FoV）、32本のスポークを円形パターンに配置しました。この設計ではスポーク角度5.6°、増幅係数約20となります。専用マスクを設計（図1a）。寸法をWindらによる前世代ワゴンホイールと比較（表1）。ワゴンホイールは垂直・水平方向に3.9 µmピッチで整列し、隣接ワゴンホイール間に100 nmスペースを確保（図1b）。作製プロセスを次節で説明します。

ワゴンホイール作製

結晶性シリコン（c-Si）ワゴンホイールを、標準的なp型（Bドープ、1-100 Ω·cm）300 mm Si(100)およびSi(110)ウェハー上に作製しました。パターニングプロセスは、ハードマスクスタックの堆積から始まります（上面から順に）：30 nm窒化シリコン、160 nmアモルファスカーボン（APF）、20 nm窒化シリコン、30 nmアモルファスSi。193 nm浸漬リソグラフィでフォトレジストにパターン転写。フォトレジスト現像後、フォトレジストとAPFストリップを含むプラズマエッチでワゴンホイールパターンをエッチング。ハードマスクスタックの最下層であるSiN層を、熱リン酸（6分、85 wt.% H₃PO₄、160℃）またはフッ酸（5分、10 wt.% HF）で除去。図1cに作製ワゴンホイールの傾斜SEM像を示します。

結晶性シリコンゲルマニウムワゴンホイール（c-Si₇₅Ge₂₅）も、標準的なp型（Bドープ、1-100 Ω·cm）300 mm Si(100)またはSi(110)ウェハー上に作製しました。パターニング前に、約600 nmの無ドープSi₇₅Ge₂₅をエピタキシャル成長させました。その後、Siワゴンホイールと同じパターニング手順を実施し、c-Si₇₅Ge₂₅ワゴンホイールスポークを得ました。

（非）等方性ウェットエッチング実験

（非）等方性ウェットエッチング試験前に、有機残留物除去を目的としたSPM洗浄（5分、H₂SO₄:H₂O₂＝3:1、60℃）を実施し、その後1 wt.% HF水溶液に2分浸漬して酸化層を除去しました。SPMとHF洗浄直後に、室温（RT）で無撹拌エッチャントサンプルにテストパターンを浸漬し、エッチャント異方性を測定しました。TMAHとNH₄OHエッチャント溶液は、25 wt.% TMAHまたは29 wt.% NH₄OHを希釈して調製。過酢酸（PAA）溶液は、H₂O₂（30 wt.%）9.5部、酢酸（98 wt.%）11部、HF（49 wt.%）0.1部を混合して調製。このエッチング溶液は、純粋Siに対してSiₓGe₁₋ₓ合金を選択的にエッチングすることが知られています[19,20]。SiGeエッチングの酸化種として働くPAAは、酢酸と過酸化物の反応でHF触媒により生成されます。しかし平衡到達に一定時間が必要なため、溶液を1週間エージングしました。エッチャント異方性と選択性は、RTで無撹拌エッチャントサンプルにテストパターンを浸漬して測定。エッチング直後に脱イオン水で30秒すすぎ、窒素ガスで乾燥しました。

結果と考察

TMAHにおけるc-Si(100)およびc-Si(110)ワゴンホイールの異方性エッチング

Si(100)ウェハー上に作製したシリコンワゴンホイールを、低濃度TMAH（5 wt.%）RTでエッチングすると、以下の観察が得られます（図2）：第一に、Si(100)ウェハーの特徴的な四重対称性が、ワゴンホイールの異方性エッチングにより明らかになります。第二に、異なる結晶面の方位依存エッチレートが視覚的に推測できます：ワゴンホイールの比較的速いエッチングスポークは{110}とビシナル{110}側壁面で定義されるもの、遅いスポークは{100}とビシナル{100}側壁面で定義されるものです。この主要な観察、すなわち低濃度RT TMAH中のSiエッチレート順序がR_(110)＞R_(100)に従うことに加え、他の異方性効果も識別できました：例えば、4つの{110}面に対応する4本のスポークが最速エッチングスポークではなく、より正確にはこれら{110}面のそれぞれ2本のビシナルスポークが最速です。したがって、{110}周辺のエッチレートは2つの等価な最大値に分裂し、{110}面は局所的最小値となります。これは[21-23]での類似観測と対応し、{110}面の低エッチレートはTMA⁺イオンによるブロッキング効果に起因するとされています。

異方性エッチングの別の結果は、4本の{100}スポークの外側スポーク端の特定の形状です。凸面では最速エッチング面が露出することが知られています。初期状態ではスポーク端は凸面であるため、一定エッチング時間後、より速いエッチング{110}面が露出し、外側スポーク端にファセットを形成します。これは<100>方向のスポークで最も明確です（図2のズームインb）。

一方、凹面では最遅エッチング面が露出します。ワゴンホイールスポークエッチング中、スポーク周囲のSi(100)基板もエッチングされます。この基板-スポーク遷移は凹面であり、したがって最遅エッチング面である{111}面が露出するはずです。これら{111}面はSi(100)基板で<110>方向に整列して現れます。実際、図3bに見られる通り、TMAHエッチング後{111}面が露出し、<110>方向のすべてのスポークに対して傾斜した{111}面ベースを形成します。

Si(100)ワゴンホイールと同様に、Si(110)ワゴンホイールを低濃度TMAH（5 wt.%）RTでエッチングしました。Si(100)ウェハーの四重対称性ではなく、Si(110)の二重対称性が露出します。図4aに{100}、{110}、{111}、{211}面の結晶方位を割り当てました。Si(110)基板を異方性評価に用いる利点の一つは、垂直{111}面が存在し、ワゴンホイールの{111}スポーク側壁で表されることです。図4で見られる通り、これらは最遅エッチング面/スポークです。最速エッチング面は{110}と{211}面のようです。中間的エッチレートは{100}面で見られます。したがって、R_(110)～R_(211)＞R_(100)＞R_(111)となり、Si(100)での結果と整合します。

図4bで見られる通り、最遅エッチング{111}スポークの端部は丸みを帯びた形状から矢印状へ進化し、非対称平行四辺形を形成します。このファセット形成の根本原因は、{110}と{211}面のより速いエッチングです。

TMAHとTMAH/IPA混合物は、高エッチレートと異方性調整が必要なMEMS構造製造でよく研究され、一般的に用いられるエッチャントです。したがって、SiのTMAHエッチング研究はほとんどが高温・高濃度で行われてきました。典型的濃度は10-25 wt.% TMAH、温度60-90℃[12-14,23]。一部グループは約5 wt.%の低濃度でエッチング試験を行いましたが、依然として高温60-90℃を使用[24-26]。R_(110)/R_(100)比は典型的に高濃度・高温で2前後で、TMAH温度が「低下」するにつれて増加する傾向があります（追加ファイル1：S1）。本研究はナノスケールエッチング応用に焦点を当てるため、高エッチレートは追求しません。したがって、エッチング現象観測に許容可能な時間窓を確保し、構造の完全溶解を避けるため、低温（RT）を選択しました。同じ速度順序R_(110)＞R_(100)が、RT・5 wt.% TMAHでの本研究でも観測されますが、計算されたR_(110)/R_(100)比は2を大きく上回ります（参考文献[27]も参照）。したがって、この異方性比がTMAH温度「低下」とともに増加する傾向が確認されました。この観測の詳細なメカニスム説明（運動論的・原子論的側面を含む）は本研究の範囲外です。しかし、TMAH中のシリコンエッチングについて上記比較に基づけば、スケールダウンワゴンホイールがエッチャントの異方的挙動を検出・比較するために必要な感度を提供することを結論づけられます。

NH₄OHにおけるc-Si(100)およびc-Si(110)ワゴンホイールの異方性エッチング

Si(100)ワゴンホイールとSi(110)ワゴンホイールを、低濃度（0.4 wt.%）アンモニウム水酸化物（NH₄OH）RTでエッチングしました。前者（図5左）では、Si(100)ウェハーの四重対称性が露出します。<210>と<310>方向のスポーク（理論上<110>方向から18.4°と26.6°）、上から数えて3番目のスポーク（側壁角度19.7°と25.3°）で最もよく表されるものが、最速エッチングスポークです。{110}スポークは{100}より遅くエッチングされ、これらスポークの外側端にファセットが発達します。これらファセットはおそらく高速エッチング{210}と{310}面で、特に長いエッチング時間では{110}スポークの見かけ上の全体エッチレートを速める可能性があります。したがって観測されたエッチレートはR_(310)～R_(210)＞R_(100)～R_(110)に従います。

Si(110)ワゴンホイール（図5右）では、NH₄OH中の異方性エッチングにより(100)と(110)面周りの二重対称性が露出します。<111>方向のスポーク（{111}側壁）が最遅エッチングスポーク/面として現れます。最速エッチングスポークは高指数{211}と{311}面で定義されます。{110}と{100}は中間的エッチレートです。したがって、NH₄OHでのSi(110)結果はSi(100)結果と整合します。またSi(110)ワゴンホイールでもスポークのファセット形成が顕著で、特に{111}と{100}スポークの外側端で見られます。ファセットはおそらくより速いエッチング{211}と{311}面の発達です。

文献にはNH₄OHのエッチレート異方性について限られた情報しかありません。しかし、NH₄OH水溶液も異方性エッチャントとして使用されてきました[28]、他のOH⁻含有Siエッチャントと類似の特性を持ちます。利点は金属（K⁺、Na⁺、Cs⁺等）を含まないことです。したがってNH₄OHはIC互換エッチャントとして調査価値があります。Schnakenbergらは、ワゴンホイール型エッチパターンを3.7 wt.% NH₄OH、75℃でエッチングした場合のR_(111)/R_(100)エッチレート比が約0.04、R_(110)/R_(100)比が0.3であることを示しました[28]。後者は本研究の推定値0.5（R_(110)/R_(100)）とよく比較できます。

我々の結果から明らかなように、NH₄OH中のSiエッチングはTMAHとは異なるワゴンホイールエッチパターンを与えます。両エッチング溶液の[OH⁻]にはわずかな差（約0.12 M vs 約0.55 M）しかなく、両方とも同じ温度（RT）で実施しました。残る唯一の違いは対向イオン：かさ張る(CH₃)₄N⁺とより小さなNH₄⁺陽イオンです。エッチャント溶液中の陽イオンが表面に付着し、異なるエッチング面に関連する異なる水酸基終端Si表面サイトを選択的にブロックする可能性が指摘されています[29,30]。異なる面のエッチレートが異なる影響を受けるとき、異方性が変化します。

Si₇₅Ge₂₅へのSiに対する選択的エッチング

このセクションでは、エッチャントのエッチレートと選択性評価におけるスケールダウンワゴンホイールの可能性を実証・議論します。Si/Si₇₅Ge₂₅組み合わせをモデル系として選択しました。これは、犠牲的c-Si₇₅Ge₂₅中間層がc-Siナノワイヤに対して等方的かつ選択的にエッチングされるべきGAA構造形成を代表するためです。HF、H₂O₂、CH₃COOHの混合物で調製した選択性エッチャントでエッチングを実施。この混合物は、酸触媒による過酸化物と酢酸の反応により過酢酸（CH₃CO₃H）を生成することが知られています[31,32]。一定エージング時間後、平衡濃度に達します。こうして生成したPAAはSi₇₅Ge₂₅の効果的かつ選択的な酸化剤です。SiGeの選択的酸化後、SiGe酸化物はHFにより第2の拡散律速反応で溶解します。

c-Si₇₅Ge₂₅(100)ワゴンホイールサンプルを、増加する時間（t₀+30秒、+60秒、...+180秒）PAA溶液に浸漬し、その後の真上SEM測定でワゴンホイールスポークのエッチングを監視しました。スポーク幅は10 nm以上であれば従来SEMで確実に測定可能です。結果を図6のタイムシリーズで示します。初期には、スポーク側壁のエッチングによりワゴンホイールスポークが薄化します。すべてのSi₇₅Ge₂₅スポークが等しく薄化し、エッチングが等方的であることを証明します。約90秒後、スポーク先端が後退し始め、増幅効果の開始を示唆します。この増幅効果がスポーク先端が鋭利な先端へ進化した後にのみ顕在化することを観察しました。t₀ではスポーク先端はまだ丸みを帯びています。 スポークの初期エッチング段階（t＜90秒）で側壁が徐々に収束するため、丸みを帯びた先端がほぼ鋭利な先端へ変化し、スポークが後退し始めます（追加ファイル1：S2も参照）。この発見はt＝180秒でのワゴンホイールスポーク形態で明確に示されます：スポークの約半分が先端後退（Δlは約450 nm）によりエッチングされています。しかし、スポーク最広端にはまだSiGeが残っており、側壁はΔw～Δl/20＝22.5 nmしか後退していません。したがって、臨界時間（t_crit）以降、後退長（Δl）を用いてSi₇₅Ge₂₅スポークのエッチレートを間接的に計算できます。しかしこのt_crit以前では、側壁損失（Δw）の直接測定（測定困難）のみでエッチレートを計算可能です。PAA中のSiとSiGeエッチレートの比較を表2に示します。直接測定（側壁損失）と間接測定（スポーク後退）の両法で取得。後者の傾きは、図7に示すt_crit以降のデータポイントで計算しました。側壁幅は、従来SEMの観測限界である約10 nmまで少なくとも線形に減少します。これらのフィーチャーサイズまで、スポークの漸進的薄化中にエッチレートに顕著な変化は観測されませんでした（図7と9）。

SiGeエッチャントのエッチレート取得に加え、エッチャントの等方的挙動を検証しました。すべての異なる方位のスポークが同じエッチレートでエッチングされることが明確で、等方的エッチングを示します。これは酸化物溶解速度律速であり、Si₇₅Ge₂₅酸化速度律速ではないプロセスを指し示します。酸化物溶解は拡散律速で活性化エネルギーが低く、異方的挙動を示しにくいです。

c-Si₇₅Ge₂₅(100)ワゴンホイールで得られた結果を、c-Si₇₅Ge₂₅(110)ワゴンホイールで検証しました。シリコンワゴンホイールで説明したように、(110)基板使用の利点の一つは垂直{111}面の追加的存在で、ワゴンホイールの{111}スポーク側壁で表されます。これらは典型的に最遅エッチング面/スポークであり、Si₇₅Ge₂₅-PAAエッチャント組み合わせの異方性を完全に把握するにはこれらスポークの慎重な観察が必要です。結果（追加ファイル1：S3.1参照）は、Si₇₅Ge₂₅(100)ワゴンホイールでのエッチング結果（図6）と整合します。エッチングは漸進的に進行し、最初に薄化、その後スポーク先端後退。最長エッチング時間（t＝180秒）で、異なる方位スポークの後退長にわずかな非均一性が観測されます。しかし明確な傾向、すなわちΔlの特定角度依存性がないため、これは異方性とは見なしません。これは単に作製後のスポーク幅のより大きな変動（スポーク間・スポーク内）に起因すると考えられます。実際、基準画像（t₀）ですでに側壁が完全に直線でないことがわかります。この側壁粗さは、(110)基板上のエピタキシャル成長Si₇₅Ge₂₅層の緩和欠陥によるものと推測されます。要約すると、c-Si₇₅Ge₂₅(100)と(110)両ワゴンホイールがPAA溶液で等方的にエッチングされ、これはc-Si₇₅Ge₂₅を犠牲材料として用いる場合、ブロッキング面形成の傾向がないため高速かつ完全な除去に利点があります。

c-SiワゴンホイールでもPAAウェットエッチングを繰り返しました。これらの試験目的は、エッチャント溶液のシリコンに対する選択性を検証することです。サンプルを同一PAA溶液に、増加する時間（t₀+15分、+30分、...+90分）浸漬しました。Si₇₅Ge₂₅ワゴンホイールでは秒単位だったエッチング時間が「分」単位であることに注意。これらの延長エッチング時間は、このエッチャントの目的がSi保存であるため、わずかなSiエッチングでも観測できるように意図されています。

エッチング時間は異なりますが、Si₇₅Ge₂₅ワゴンホイールスポークと類似の観察が得られました：初期にはシリコンスポークが比較的遅い側壁エッチングにより漸進的に薄化し、その後、この場合約45分後のt_crit以降、増幅効果によりスポークが比較的速く後退します（図8と9）。すべてのケースでエッチングは等方的に見えます。c-Si(100)ワゴンホイールで得られたタイムシリーズ（追加ファイル1：S3.2参照）は、c-Si(110)ワゴンホイールで得られたもの（図8）と整合します。

計算されたエッチレートを表2に示します。両測定法で比較可能なエッチレートが得られ、{111}面と{110}面のエッチレート値の差はそれぞれ7％と4％のみです。Siエッチレート値はすべて＜1 nm/minです。HolländerらはHF:H₂O₂:CH₃COOH＝1:2:3、HF濃度1.6 wt.%でSi(100)エッチレート約10 nm/minを測定し、WieserらはBHF:H₂O₂:CH₃COOH＝1:2:3、HF濃度1 wt.%で無ドープSi(111)とSi(100)でそれぞれ約3と5 nm/minを測定しています[33,34]。我々の値はこれら報告値とよく比較できます（我々のテストではHF濃度がより低い［HF］＝0.25 wt.%であることを考慮）。また、Si(110)基板で測定された{111}面エッチレートが、Si(100)基板で測定された{110}面よりわずかに低いことを示唆しています。これら定量的結果は、PAA中のSiエッチング異方性が非常に低く、真上SEM画像ではほとんど観測できないことを示しています。明確化のため、図8のt₀+90分のワゴンホイール{111}面を示し、{111}スポークが周囲スポークよりわずかに幅広く長いことがわかります。これは再び、スケールダウンワゴンホイールがエッチャントの結晶面依存エッチレートの微細な差異（「異方性」）を検出する感度を持つことを実証します。

表2のエッチレートから、PAA中のSi₇₅Ge₂₅/Si組み合わせの選択性比を抽出しました。Si₇₅Ge₂₅(111)/Si(111)選択性比は11.0〜12.6、Si₇₅Ge₂₅(110)/Si(110)比はわずかに高く14.2〜16.8です。これらの値は、Holländerらの報告値約20[33]よりやや低いです。これは動的プロセス条件（ウェハー回転）による高いSiGeエッチレート（11-17 nm/min）に対し、我々の静的プロセス条件（無撹拌）ではSiGeエッチレートが7.8-12.3 nm/minだったことに起因します。興味深いことに、これはPAA中のSiGe等方的エッチング観測を確認します：反応速度が運動論的に制御される（撹拌/回転による）場合、律速段階（RDS）はおそらくHFによる拡散律速SiGe酸化物溶解です。

結論

径4 µm、32本スポークで異なる結晶面を露出したスケールダウンワゴンホイールを300 mm径ウェハー上に作製しました。構造はSi(100)、Si(110)、Si₇₅Ge₂₅(100)、Si₇₅Ge₂₅(110)基板上にパターニングされ、c-Siとc-Si₇₅Ge₂₅の3主要結晶方位（{111}、{110}、{100}）および高指数面のエッチング観察を可能にしました。構造は真上SEMによる簡単な検査で、エッチャントの等方的または異方的挙動の評価に価値があることが証明されました。様々なアルカリ性および酸性エッチャントを、特徴的なワゴンホイールエッチパターンの画像解析により評価。エッチング比の傾向は先行研究と良好に一致しました。TMAHでは、Siの面依存エッチレートはR_(110)～R_(211)＞R_(100)＞R_(111)の順序に従います。一方NH₄OHでは、R_(310)～R_(210)＞R_(100)～R_(110)＞R_(111)の順序です。主要結晶面の相対エッチレートに加え、ファセットなどの他の異方性特徴も観測され、構造がエッチャント異方性特性の変化に非常に感度が高いことが示されました。

エッチャントの（非）異方性開示能力に加え、これらワゴンホイール構造はエッチャント選択性評価にも有益です。このため、PAA/Si/Si₇₅Ge₂₅系をSi₇₅Ge₂₅エッチング、Siに対する選択性の観点で評価しました。選択性値は2法で取得：第1にスポーク側壁損失測定、第2に間接法としてスポーク後退長測定。後者は、スポーク先端が見かけ上鋭利な先端へ進化した一定の臨界エッチング時間以降でのみ使用可能であることを示しました。

結論として、スケールダウンワゴンホイールは材料/エッチャント組み合わせの異方性と選択性を迅速評価するためのラボスケールビークルとして使用可能です。また、300 mmウェハーウェットプロセスツールでのエッチャントスクリーニング用ハイパスループテスト構造としての可能性もあります。さらに、小型であるため、将来的には液体セル環境透過電子顕微鏡（ETEM）を用いたin-situエッチング研究にも使用可能です。

データと材料の利用可能性

すべてのデータは制限なく完全に利用可能です。

略語

AA:

酢酸

BHF:

緩衝フッ酸

CD:

クリティカルディメンション

CMOS:

相補型金属酸化膜半導体

c-Si:

単結晶シリコン

c-SiGe:

単結晶シリコンゲルマニウム

ETEM:

環境透過電子顕微鏡

FinFET:

フィン電界効果トランジスタ

FoV:

視野

GAA:

ゲートオールアラウンド

HF:

フッ酸

MEMS:

マイクロ電気機械システム

PAA:

過酢酸

R_(xyz):

(xyz)面のエッチレート

RDS:

律速段階

SEM:

走査電子顕微鏡

TMAH:

テトラメチルアンモニウム水酸化物

VLSI:

超大規模集積