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

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.