This article reviews the state-of-the art status of thermal atomic layer etching of various materials such as metals, metal oxides, metal nitrides, semiconductors, and their oxides. We outline basic thermodynamic principles and reaction kinetics as they apply to these reactions and draw parallels to thermal etching. Furthermore, a list of all known publications is given organized by the material etched and correlated with the required reactant for each etch process. A model is introduced that describes why in the nonsaturation mode etch anisotropies may occur that can lead to unwanted performance variations in high aspect ratio semiconductor devices due to topological constraints imposed on the delivery of reactants and removal of reactant by-products.

1.
K. J.
Kanarik
,
T.
Lill
,
E. A.
Hudson
,
S.
Sriraman
,
S.
Tan
,
J.
Marks
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
,
J. Vac. Sci. Technol. A
33
,
020802
(
2015
).
2.
M.
Yoder
, U.S. patent 4,756,794A (12 July 1988).
3.
S. M.
George
,
Chem. Rev.
110
,
111
(
2010
).
4.
T.
Faraz
,
H. C. M.
Knoops
,
F.
Roozeboom
, and
W. M. M.
Kessels
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
4
,
N5023
(
2015
).
5.
T.
Lill
,
V.
Vahedi
, and
R.
Gottscho
, “
Etching of semiconductor devices
,” in
Materials Science and Technology
(
Wiley, Weinheim
,
2019
).
6.
P.
Gupta
,
C. H.
Mak
,
P. A.
Coon
, and
S. M.
George
,
Phys. Rev. B
40
,
7739
(
1989
).
7.
P.
Gupta
,
P. A.
Coon
,
B. G.
Koehler
, and
S. M.
George
,
J. Chem. Phys.
93
,
2827
(
1990
).
8.
P. A.
Coon
,
M. L.
Wise
,
A. C.
Dillon
,
M. B.
Robinson
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. B
10
,
221
(
1992
).
9.
P. A.
Coon
,
P.
Gupta
,
M. L.
Wise
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
10
,
324
(
1992
).
10.
D. A.
King
and
M. G.
Wells
,
Proc. R. Soc. London
339
,
245
(
1974
).
11.
P. B.
Chu
,
J. T.
Chen
,
R.
Yeh
,
G.
Lin
,
J. C. P.
Huang
,
B. A.
Warneke
, and
S. J.
Pister
, “
Controlled pulse-etching with xenon difluoride
,”
Proceedings of IEEE International Solid State Sensors and Actuators Conference (Transducers ‘97)
,
Chicago, IL
,
19 June 1997
(
IEEE
,
New York
,
1997
), Vol.
1
, pp.
665
668
.
12.
Y.
Lee
and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
29
,
8202
(
2017
).
13.
H. F.
Winters
and
J. W.
Coburn
,
Appl. Phys. Lett.
34
,
70
(
1979
).
14.
C. R.
Helms
and
B. E.
Deal
,
J. Vac. Sci. Technol. A
10
,
806
(
1992
).
15.
V. M.
Donnelly
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
05C202
(
2017
).
16.
D. E.
Ibbotson
,
J. A.
Mucha
,
D. L.
Flamm
, and
J. M.
Cook
,
J. Appl. Phys.
56
,
2939
(
1984
).
17.
P. J.
Holmes
and
J. E.
Snell
,
Microelectron. Reliab.
5
,
337
(
1966
).
18.
J.
Ruzyllo
,
K.
Torek
,
C.
Daffron
,
R.
Grant
, and
R.
Novak
,
J. Electrochem. Soc.
140
,
L64
(
1993
).
19.
M. A.
George
,
D. W.
Hess
,
S. E.
Beck
,
K.
Young
,
D. A.
Bohling
,
G.
Voloshin
, and
A. P.
Lane
,
J. Electrochem. Soc.
143
,
3257
(
1996
).
20.
A.
Mameli
,
M. A.
Verheijen
,
A. J. M.
Mackus
,
W. M. M.
Kessels
, and
F.
Roozeboom
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
38588
(
2018
).
21.
D. R.
Lide
,
CRC Handbook of Chemistry and Physics
, 85th ed. (
CRC, Boca Raton
,
2004
).
22.
K.
Ikeda
,
S.
Imai
, and
M.
Matsumuraf
,
Appl. Surf. Sci.
112
,
87
(
1997
).
23.
Y.
Lee
and
S. M.
George
,
ACS Nano
9
,
2061
(
2015
).
24.
R.
Mullins
,
S. K.
Natarajan
,
S. D.
Elliott
, and
M.
Nolan
,
Chem. Mater.
32
,
3414
(
2020
).
25.
A.
Fischer
,
A.
Routzahn
,
Y.
Lee
,
T.
Lill
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022603
(
2020
).
26.
Y.
Lee
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
J. Phys. Chem. C
119
,
25385
(
2015
).
27.
B. E.
Deal
and
A. S.
Grove
,
J. Appl. Phys.
36
,
3770
(
1965
).
28.
A. M.
Cano
,
A. E.
Marquardt
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
J. Phys. Chem. C
123
,
10346
(
2019
).
29.
M.
Lucht
,
M.
Lerche
,
H.-C.
Wille
,
Yu. V.
Shvyd’ko
,
H. D.
Rüter
,
E.
Gerdau
, and
P.
Becker
,
J. Appl. Crystallogr.
36
,
1075
(
2003
).
30.
B.
Diawara
,
Y.
Beh
, and
P.
Marcus
,
Atomistic Simulation of the Passivation of Iron-Chromium Alloys Using Calculated Local Diffusion Activation Barriers
(
Elsevier
,
Paris
,
2006
), p.
651
.
31.
A.
Fischer
,
A.
Routzahn
,
S.
Wen
, and
T.
Lill
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
042601
(
2020
).
32.
J. W.
Coburn
and
H. F.
Winters
,
Appl. Phys. Lett.
55
,
2730
(
1989
).
33.
K.
Malek
and
M.-O.
Coppens
,
J. Chem. Phys.
119
,
2801
(
2003
).
34.
J.
Abel
,
K.
Lavoie
, and
K.
Purushottam
, U.S. patent 10727046 (28 July 2020).
35.
Y.
Lee
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
4
,
N5013
(
2015
).
36.
Y.
Lee
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
27
,
3648
(
2015
).
37.
C. T.
Carver
,
J. J.
Plombon
,
P. E.
Romero
,
S.
Suri
,
T. A.
Tronic
, and
R. B.
Turkot
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
4
,
N5005
(
2015
).
38.
39.
K. J.
Kanarik
 et al,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
05C302
(
2017
).
40.
D. R.
Zywotko
and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
29
,
1183
(
2017
).
41.
J. W.
DuMont
,
A. E.
Marquardt
,
A. M.
Cano
, and
S. M.
George
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
10296
(
2017
).
42.
N. R.
Johnson
and
S. M.
George
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
34435
(
2017
).
43.
A.
Fischer
,
A.
Routzahn
,
T.
Lill
, and
S.
Varadarajan
, U.S. patent pending (2019).
44.
A. I.
Abdulagatov
and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
30
,
8465
(
2018
).
45.
E.
Mohimi
,
X. I.
Chu
,
B. B.
Trinh
,
S.
Babar
,
G. S.
Girolami
, and
J. R.
Abelson
,
ECS J. Solid State Sci. Technol.
7
,
P491
(
2018
).
46.
M.
Konh
,
C.
He
,
X.
Lin
,
X.
Guo
,
V.
Pallem
,
R. L.
Opila
,
A. V.
Teplyakov
,
Z.
Wang
, and
B.
Yuan
,
J. Vac. Sci. Technol. A
37
,
021004
(
2019
).
47.
P. C.
Lemaire
and
G. N.
Parsons
,
Chem. Mater.
29
,
6653
(
2017
).
48.
J. W.
Clancey
,
A. S.
Cavanagh
,
J. E. T.
Smith
,
S.
Sharma
, and
S. M.
George
,
J. Phys. Chem. C
124
,
287
(
2020
).
49.
N.
Miyoshi
,
H.
Kobayashi
,
K.
Shinoda
,
M.
Kurihara
,
T.
Watanabe
,
Y.
Kouzuma
,
K.
Yokogawa
,
S.
Sakai
, and
M.
Izawa
,
Jpn. J. Appl. Phys.
56
,
06HB01
(
2017
).
50.
R. D.
Robinson
,
B.
Sadtler
,
D. O.
Demchenko
,
C. K.
Erdonmez
,
L.-W.
Wang
, and
A. P.
Alivisatos
,
Science
317
,
355
(
2007
).
51.
H.
Li
,
M.
Zanella
,
A.
Genovese
,
M.
Povia
,
A.
Falqui
,
C.
Giannini
, and
L.
Manna
,
Nano Lett.
11
,
4964
(
2011
).
52.
J. A.
Murdzek
and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022608
(
2020
).
53.
A.
Fischer
,
A.
Routzahn
, and
T.
Lill
, in 66th AVS Symposium, Columbus, OH, October 2019 (AVS, New York, 2019).
54.
A.
Fischer
,
R.
Janek
,
J.
Boniface
,
T.
Lill
,
K. J.
Kanarik
,
Y.
Pan
,
V.
Vahedi
, and
R. A.
Gottscho
,
Proc. SPIE
10149
,
101490H
(
2017
).
55.
J. W.
DuMont
and
S. M.
George
,
J. Chem. Phys.
146
,
052819
(
2017
).
56.
S. M.
George
and
Y.
Lee
,
ACS Nano
10
,
4889
(
2016
).
57.
J. C.
Gertsch
,
A. M.
Cano
,
V. M.
Bright
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
31
,
3624
(
2019
).
58.
J.
Hennessy
,
C. S.
Moore
,
K.
Balasubramanian
,
A. D.
Jewell
,
K.
France
, and
S.
Nikzad
,
J. Vac. Sci. Technol. A
35
,
041512
(
2017
).
59.
Y.
Lee
,
C.
Huffman
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
28
,
7657
(
2016
).
60.
Y.
Lee
,
J. W.
DuMont
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
28
,
2994
(
2016
).
61.
Y.
Lee
and
S. M.
George
,
J. Phys. Chem. C
123
,
18455
(
2019
).
62.
R.
Rahman
,
E. C.
Mattson
,
J. P.
Klesko
,
A.
Dangerfield
,
S.
Rivillon-Amy
,
D. C.
Smith
,
D.
Hausmann
, and
Y. J.
Chabal
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
31784
(
2018
).
63.
D. R.
Zywotko
,
J.
Faguet
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
061508
(
2018
).
64.
S. K.
Natarajan
and
S. D.
Elliott
,
Chem. Mater.
30
,
5912
(
2018
).
65.
N. R.
Johnson
,
H.
Sun
,
K.
Sharma
, and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
34
,
050603
(
2016
).
66.
J.
Zhao
,
M.
Konh
, and
A.
Teplyakov
,
Appl. Surf. Sci.
455
,
438
(
2018
).
67.
X.
Lin
,
M.
Chen
,
A.
Janotti
, and
R.
Opila
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
051401
(
2018
).
68.
Y.
Lee
,
N. R.
Johnson
, and
S. M.
George
,
Chem. Mater.
32
,
5937
(
2020
).
69.
N. R.
Johnson
,
J. K.
Hite
,
M. A.
Mastro
,
Charles R.
Eddy
, and
S. M.
George
,
Appl. Phys. Lett.
114
,
243103
(
2019
).
70.
Y.
Lee
and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
36
,
061504
(
2018
).
71.
J.
Murdzek
and
S. M.
George
, in 2019 International Symposium on VLSI, TSA, Hsinchu, Taiwan, 22–25 April 2019 (IEEE, New York, 2019), p. 18970301.
72.
Y.
Lu
,
J.
Lee
,
J.
Murdzek
,
A.
Gertsch
,
A.
Vardi
,
L.
Kong
,
S.
George
, and
J.
del Alamo
, in International Electron Devices Meeting, San Francisco, 1–5 December 2018 (IEDM, Montgomery Village, 2018), p. 895.
73.
W.
Lu
,
Y.
Lee
,
J. C.
Gertsch
,
J. A.
Murdzek
,
A. S.
Cavanagh
,
L.
Kong
,
J. A.
del Alamo
, and
S. M.
George
,
Nano Lett.
19
,
5159
(
2019
).
74.
A.
Routzahn
,
A.
Fischer
, and
T.
Lill
, U.S. patent pending (
2020
).
75.
A. H.
Basher
,
M.
Krstić
,
K.
Fink
,
T.
Ito
,
K.
Karahashi
,
W.
Wenzel
, and
S.
Hamaguchi
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
052602
(
2020
).
76.
S.
Imai
,
T.
Haga
,
O.
Matsuzaki
,
T.
Hattori
, and
M.
Matsumura
,
Jpn. J. Appl. Phys.
34
,
5049
(
1995
).
77.
A. I.
Abdulagatov
and
S. M.
George
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022607
(
2020
).
78.
K.
Shinoda
,
N.
Miyoshi
,
H.
Kobayashi
,
M.
Izawa
,
K.
Ishikawa
, and
M.
Hori
,
J. Phys. D: Appl. Phys.
52
,
475106
(
2019
).
79.
W.
Xie
,
P. C.
Lemaire
, and
G. N.
Parsons
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
10
,
9147
(
2018
).
80.
W.
Xie
and
G. N.
Parsons
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022605
(
2020
).
81.
S. K.
Song
,
H.
Saare
, and
G. N.
Parsons
,
Chem. Mater.
31
,
4793
(
2019
).
82.
Z.
Wang
and
R. L.
Opila
,
J. Vac. Sci. Technol. A
38
,
022611
(
2020
).
83.
Michelangelo di Lodovico Buonarroti Simoni, 1475–1564.
You do not currently have access to this content.