Characterization of Silicon Oxide and Oxynitride Layers

Význam tématu

Charakterizace ultratenkých vrstev oxidů křemíku a oxynitridu křemíku je klíčová v polovodičovém průmyslu pro vývoj a kontrolu kvality dielektrik v mikroelektronice. Přesné měření tloušťky, uniformity a chemických stavů vrstvy je nezbytné pro spolehlivost a výkon polovodičových součástek.

Cíle a přehled studie / článku

Ukázat schopnosti metody Parallel Angle Resolved XPS (PARXPS) na přístrojích Thermo Scientific Theta Probe a Theta 300 pro:

• měření tloušťky a uniformity ultra-tenkých oxidových a oxynitridových vrstev
• diferenciaci chemických stavů křemíku a dusíku
• určení hloubkového rozložení a dávky dusíku
• srovnání přesnosti a reprodukovatelnosti s elipsometrií

Použitá metodika a instrumentace

Analýza byla provedena metodou XPS s paralelním úhlovým rozlišením (PARXPS) na přístrojích Thermo Scientific Theta Probe a Theta 300. Pro srovnání výsledků byla použita elipsometrie a SIMS kalibrace kontaminační vrstvy. Hloubkové profily byly získány pomocí metody maximální entropie a pro komparaci byla aplikována nízkoenergetická sputter analýza argonovými ionty.

Hlavní výsledky a diskuse

• Accuracy: Korelace s elipsometrií vykázala lineární závislost s odchylkou ≤1 %, přičemž kontaminace povrchu o tloušťce ~0,8 nm byla přesně identifikována.
• Precision: Dynamická opakovatelnost měření tloušťky dosahovala RSD 0,3–0,5 %, dávky dusíku RSD 0,5–1,4 %.
• Chemické stavy: Dvě formy dusíku (Na snímatelná napříč vrstvou, Nb lokalizovaná u rozhraní) byly rozlišeny úhlovou závislostí spekter N 1s.
• Hloubkové rozdělení: Profil pomocí metody maximální entropie odhalil nerušené koncentrace Na, Nb a elementárního Si bez destrukce vzorku.
• Srovnání se sputter profilováním: Iontové škrobnutí přeměňuje Nb na Na, což může vést k mylné interpretaci polohy oxidační formy dusíku.
• Mapping: Mapování na 49 a 522 bodech prokázalo uniformitu tloušťky ~0,8 % a variability dávky dusíku ~2,2 %.

Přínosy a praktické využití metody

PARXPS poskytuje nedestruktivní hloubkové profilování s vysokou chemickou citlivostí, umožňuje oddělit skutečnou dielektrickou vrstvu od kontaminace a vytvářet detailní mapy chemických stavů i tloušťky waferů. To významně zlepšuje kontrolu kvality a vývoj procesů ve výrobě mikroelektroniky.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Analýza extrémně tenkých dielektrických vrstev pro pokročilé tranzistory
• Rozšíření metody na různé materiálové systémy a vícevrstvé struktury
• Integrace in situ a real-time monitoringu procesních kroků
• Zvýšení prostorového rozlišení a rychlosti mapování pro vysokou propustnost

Závěr

PARXPS provedené na přístrojích Theta Probe a Theta 300 prokázalo vynikající přesnost, reprodukovatelnost a schopnost detailního chemického a hloubkového rozlišení ultra-tenkých vrstev SiO2 a SiOxNy. Metoda překonává omezení elipsometrie i sputter profilování a poskytuje spolehlivý nástroj pro výzkum i průmyslovou kontrolu kvality.

Reference

1. M.P. Seah a R.G. White Surface and Interface Analysis 2002 33 960