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

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