A non-destructive, direct-write focused electron beam induced etching process for semiconductors featuring nanometer precision

Abstract

In dieser Arbeit wird eine neuartige strahlunterstützte Methode zum lokalen Abtragen von Silizum und Germanium von einer Oberfläche im Nanometer-Bereich beschrieben, welche in einem konventionellen Rasterelektronenmikroskop (REM) durchgeführt werden kann. Diese Methode basiert auf dem Prinzip des elektronenstrahlinduzierten Ätzen (engl.<br />Focused electron beam induced etching [FEBIE]) für das in dieser Arbeit reines Chlor als Ätzgas verwendet wurde. Im Gegensatz zum etablierten Ätzprozess mittels eines fokussierten Ionen-Strahls (engl. Focused Ion Beam [FIB]), tritt weder eine Amorphisierung von Oberflächen noch eine Implantation von Fremdionen in das Substrat bei der FEBIE-Prozessierung auf. Weiterhin konnte ein spontaner Ätzangriff weder bei Silizum noch bei Germanium beobachtet werden was eine exzellenten Prozesskontrolle garantiert.<br />Für die Durchführung von fokussiertem Elektronenstrahlätzen musste im Vorfeld die Kohlenwasserstoff-Kontamination in der verwendeten REM-Kammer deutlich verringert werden. Zu diesem Zwecke wurde in dieser Arbeit zunächst eine reproduzierbare und hochpräzise Methode zur Quantifizierung der Kammerkontamination entwickelt. Für die Reinigung des REMs von der Kohlenwasserstoff-Verschmutzung wurde in weiterer Folge eine völlig neuartige, hocheffiziente ozon-basierte Kammerreinigungsmethode entwickelt, welche schon nach kurzer Anwendung in einem nachhaltig sehr niedrigem Verschmutzungsgrad der Kammer resultierte.<br />Nachdem die Restgas-Verunreinigung in der REM-Kammer erfolgreich quantifiziert und entfernt wurde, konnte ein FEBIE-Prozess basierend auf Chlor erfolgreich entwickelt, untersucht und demonstriert werden. Die universelle Einsetzbarkeit des neuentwickelten Ätzprozesses und sein Potenzial für zukünftige Applikationen in Industrie und Wissenschaft wird anhand von zwei Anwendungsbeispielen aus der aktuellen Forschung verdeutlicht.<br />

A novel, direct-write approach for removing silicon as well as germanium from a surface on the nanometer scale using a focused electron beam is presented. This locally confined etching process is performed in a modified scanning electron microscope (SEM). This approach is based on focused electron beam induced etching with pure chlorine gas (further referred to as "Cl2-FEBIE") as etchant. In contrast to the well-established etching processes using focused ion beams (with or without the addition of an etch gas), neither surface amorphization nor impurity implantation of the substrate take place. Additionally, the absence of any spontaneous etching (solely by chlorine gas without electron beam activation) ensures an excellent process control.<br />In order to enable focused electron beam induced etching, the hydrocarbonaceous contamination in the used SEM chamber's residual gas had to be lowered prior to the etch process development. As a result of this work we developed a reproducible and precise method to quantify the level of SEM contamination. Subsequently, a novel ozone-based SEM chamber cleaning process had been invented which efficiently removed the hydrocarbon contamination from the SEM chamber resulting in a sustained very low level of chamber contamination.<br />After identifying and resolving the residual gas contamination issue, a FEBIE process using molecular chlorine on silicon as well as germanium is successfully demonstrated. The versatility of this entirely new FEBIE process as well as its potential for future applications in industry as well as in science are displayed by two exemplary cases covering current research topics.