Composition, coverage and band gap analysis of ALD-grown ultra thin films

Aplikace | 2018 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
X-ray
Zaměření
Materiálová analýza
Výrobce
Thermo Fisher Scientific

Význam tématu


Atomové vrstvy tenkých dielektrik na bázi HfO2 představují klíčový prvek moderních polovodičových struktur, zejména pro brány MOSFET tranzistorů. Přesná kontrola tloušťky, složení a elektrických vlastností (např. šířka zakázaného pásu) ultra tenkých vrstev je rozhodující pro zajištění spolehlivosti, výkonu a škálovatelnosti integrovaných obvodů.

Cíle a přehled studie / článku


Studie se zaměřuje na komplexní charakterizaci tenkých vrstev HfO2 nanesených technikou ALD s různým počtem cyklů (0–100). Hlavním cílem bylo:
  • kvantifikovat hmotnostní složení a měřit tloušťku vrstev pomocí rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS),
  • vyhodnotit uniformitu pokrytí povrchu metodou iontově rozptylové spektroskopie (ISS),
  • stanovit energetickou šířku zakázaného pásu (band gap) pomocí spektroskopie energií ztrát odražených elektronů (REELS).

Použitá metodika a instrumentace


Všechny analýzy proběhly na systému Thermo Scientific™ Nexsa XPS, vybaveném:
  • XPS pro stanovení složení a měření tloušťky vrstev přes intenzity Hf 4f a Si 2p signálů.
  • ISS s nízkoenergetickými He+ ionty pro detekci atomů pouze v první monovrstvě.
  • REELS pro rychlé určení band gap sledováním ztrát energie elektronů.
  • Doplňujícími technikami UPS a Raman, i když hlavní data poskytly XPS, ISS a REELS.

Pro výpočet tlouštěk byla využita Beer–Lambertova rovnice implementovaná v softwaru Avantage, který zohledňuje materiálové hustoty a attenuační délky.

Hlavní výsledky a diskuse


1. XPS: Množství HfO2 lineárně rostlo s počtem ALD cyklů, na základě relativní intenzity Hf signálu byly vypočteny vrstvy o tloušťce 0–10 nm.
2. ISS: Monitoring Si signálu v závislosti na cyklech ukázal neúplné pokrytí do ~20 cyklů, plná pokrývka byla dosažena mezi 20 a 50 cykly.
3. REELS: Band gap HfO2 byl stanoven během sekund ztrátou energie, čímž se potvrdila konzistence výsledků s očekávanými hodnotami pro high-k materiály.

Tyto souběžné analýzy poskytují úplný obraz o vlastnostech ultra tenkých ALD vrstev.

Přínosy a praktické využití metody


Metodika umožňuje výrobcům polovodičů a vědeckým laboratořím:
  • přesnou kvantifikaci nanesených vrstev pro QA/QC procesy,
  • ověření uniformity pokrytí povrchu v reálném čase,
  • rychlé stanovení elektrických vlastností materiálu pro optimalizaci procesů ALD a návrh nových dielektrik.

Budoucí trendy a možnosti využití


Vývoj instrumentace pro in situ sledování ALD v kombinaci s více analytickými technikami otevře cestu k:
  • automatizované akvizici dat a strojovému učení pro prediktivní kontrolu kvality,
  • rozšíření metody na 2D materiály a heterostruktury,
  • dalšímu snížení rozměrů a komplexnosti nanoelektronických součástek.

Závěr


Integrace XPS, ISS a REELS na platformě Nexsa poskytuje robustní nástroj pro komplexní charakterizaci ultra tenkých ALD vrstev HfO2. Metodika přináší kvantitativní výsledky měření složení, tloušťky, povrchového pokrytí i elektronických vlastností v jednom zásobníku analytických technik.

Reference


Thermo Fisher Scientific Inc. Application Note AN52344

Obsah byl automaticky vytvořen z originálního PDF dokumentu pomocí AI a může obsahovat nepřesnosti.

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Multi-technique composition, coverage and band gap analysis of ALD-grown ultra thin films
Characterization of High-k Dielectric Materials on Silicon Using Angle Resolved XPS
Nexsa Surface Analysis System Brochure
Nexsa Surface Analysis System Brochure
2018|Thermo Fisher Scientific|Brožury a specifikace
Instrumentation for surface analysis
Instrumentation for surface analysis
2021|Thermo Fisher Scientific|Brožury a specifikace