Characterization of High-k Dielectric Materials on Silicon Using Angle Resolved XPS

Aplikace | 2008 | Thermo Fisher ScientificInstrumentace
X-ray
Zaměření
Materiálová analýza
Výrobce
Thermo Fisher Scientific

Význam tématu


Vývoj polovodičových tranzistorů směřuje k neustálému zmenšování rozměrů, což klade vysoké nároky na dielektrické vrstvy mezi hradlem a kanálem. Tradiční oxid křemičitý již při požadovaných tloušťkách generuje nepřípustné úniky proudu. Vysoká dielektrická konstanta materiálů (high-k dielektrika) založených zejména na hafniu proto představuje klíčové řešení pro pokračování škálování integrovaných obvodů. Charakterizace těchto vrstev vyžaduje detailní analýzu tloušťky, složení, chemických stavů a uniformity v rámci celé plochy polovodičového waferu.

Cíle a přehled studie / článku


Hlavním cílem dokumentu je demonstrovat možnosti rentgenové fotoelektronové spektroskopie (XPS) doplněné o úhlově rozlišené měření (ARXPS) při analýze high-k dielektrik na křemíkových substrátech. Studie ukazuje, jak tyto techniky určují:
  • tloušťku jednotlivých vrstev a mezivrstvy,
  • distribuci prvků v hloubce a ve vrstvě,
  • chemický stav prvků v hlavní vrstvě i mezivrstvě,
  • uniformitu vrstev napříč waferem.

Použitá metodika a instrumentace


Metodika vychází z kombinace následujících přístupů:
  • Úhlově rozlišená XPS (ARXPS): sledování změn poměru intenzit signálů při různých emisních úhlech pro relativní hloubkové rozlišení bez modelu.
  • Rekonstrukce hloubkových profilů: použití metod maximální entropie na ARXPS datech.
  • Multivrstvý kalkulátor tlouštěk v softwaru Avantage: simultánní výpočet až tří vrstev.
  • Mapování a liniové skeny: zobrazení uniformity na 200 mm waferu.
Instrumentace:
  • Thermo Scientific Theta Probe a Theta 300 pro XPS a ARXPS měření.
  • Software Avantage pro výpočty tlouštěk a analýzu chemických stavů.
  • Komplementární ověření tlouštěk pomocí TEM a ERD.

Hlavní výsledky a diskuse


S použitím relativních hloubkových grafů bylo prokázáno, že v tenkých vrstvách HfO2/Al2O3 na SiO2 je nejpovrchnější uhlík, zatímco křemík leží nejhlouběji. Rostoucí počet ALD cyklů jasně zvyšuje tloušťku Al2O3, zatímco SiO2 zůstává konstantní. Liniové skeny ukázaly variaci tloušťky až o 0,7 nm napříč waferem. Mapování prvků Al, Hf a O ve dvou chemických stavech odhalilo nehomogenní růst směsí Al2O3 a HfO2, přičemž kyslík vázaný na hafnium vykazuje nižší vazebnou energii než kyslík vázaný na křemík nebo hliník.
Analýza mezivrstvy prokázala vznik oxidů a silikátů křemíku v závislosti na způsobu depozice (MOCVD vs. ALD) a následném tepelném ošetření. MOCVD vrstvy vykazují rozsáhlejší tvorbu silikátů po růstu a po annealingu, zatímco ALD vrstvy si zachovávají převážně SiO2 s omezenou silikátovou složkou. Hloubkové profily z ARXPS potvrdily rozdělení kyslíku ve dvou chemických stavech a vývoj metalického hafnia po iontovém leptání.

Přínosy a praktické využití metody


ARXPS nabízí neinvazivní analýzu tenkých dielektrických vrstev bez nutnosti destruktivního leptání. Poskytuje komplexní informace o složení, chemických stavech a rozložení prvků v hloubce i plošně. Integrované softwarové nástroje umožňují rychlý výpočet vícevstvé tloušťky a podporují optimalizaci procesů depozice a annealingu v poloprovozním i výzkumném prostředí.

Budoucí trendy a možnosti využití


Očekává se další rozvoj ARXPS s vyšším úhlovým rozlišením a rozšířením do provozního monitoringu depozičních procesů v reálném čase. Kombinace s dalším spektroskopickými a mikroskopickými technikami (např. TEM, SIMS) přinese hlubší vhled do strukturálních a chemických změn v ultratenkých vrstvách. V dlouhodobém horizontu lze předpokládat rozšíření těchto metod i na analýzu nových komplexních materiálů pro pokročilé logické a paměťové technologie.

Závěr


Integrace ARXPS do charakterizace high-k dielektrik na křemíku umožňuje detailní popsání tlouštěk, plošné uniformity, chemických stavů a rozložení prvků ve vrstvě a mezivrstvě. Metoda překonává omezení destruktivních technik a poskytuje spolehlivé informace pro optimalizaci deposičních a tepelných procesů v produkčním i výzkumném měřítku.

Reference


  • Thermo Fisher Scientific (2008). Application Note 31021: Characterization of High-k Dielectric Materials on Silicon Using Angle Resolved XPS.
  • Thermo Fisher Scientific. Application Note 31014: Principles and Data Analysis for ARXPS.

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

PDF verze ke stažení a čtení
 

Podobná PDF

Angle Resolved XPS
Angle Resolved XPS
2008|Thermo Fisher Scientific|Aplikace
Theta Probe: Small Spot XPS Spectrometer with Parallel ARXPS Capability
Theta Probe: Small Spot XPS Spectrometer with Parallel ARXPS Capability
2008|Thermo Fisher Scientific|Brožury a specifikace
Characterization of Silicon Oxide and Oxynitride Layers
Characterization of Silicon Oxide and Oxynitride Layers
2008|Thermo Fisher Scientific|Aplikace
Multi-technique composition, coverage and band gap analysis of ALD-grown ultra thin films