角分辨XPS技术应用 I 突破极限，助力超薄表面膜层分析！

随着半导体技术的飞速发展，硅基集成电路元器件的特征尺寸逐步减小，为人们带来了处理速度更快、能耗更小、成本更低的工业与消费电子产品。然而，随着器件尺寸的减小，作为传统栅介质层的SiO₂厚度也会减小，当其减小到原子尺寸时，由于量子隧穿效应的影响，SiO₂将失去介电性能，致使器件无法正常工作，使用寿命大幅缩短。高介电常数材料如HfO₂的引入与研发，助力元器件尺寸进一步突破了极限，其中叠层HfO₂/SiO₂/Si栅介质相比于单纯SiO₂栅介质具有更高的可靠性，被认为是最有潜力的高介电常数栅介质材料之一。

X射线光电子能谱（XPS）技术结合氩离子深度分析已广泛用于研究HfO2/SiO2/Si材料膜层研究，然而刻蚀过程不可避免会导致膜层的破坏以及HfO2的还原，今天小编为大家介绍一种无损的超薄膜层分析技术—角分辨XPS（ARXPS），一起来看下它是如何完美应对吧。

如何实现？

前面我们提到，XPS技术的分析深度取决于出射光电子的非弹性平均自由程，因此可以通过改变光电子的出射角实现不同深度的分析。见下图1所示，通过偏转样品台，使其与能谱仪之间形成夹角，假设样品表面光电子的出射深度d = 80Å，那么偏转θ = 45°夹角后光电子的出射深度则变为dcosθ，即57 Å，相应获得的信息也更靠近外表面，因此我们可以采集不同角度时的XPS结果，实现膜层的分布和厚度的分析。

图1 角分辨XPS实现过程

图片来自于《Surface Analysis –The Principal Techniques》

岛津应对之道

岛津ESCApe软件集成最大熵重构方法（MEM），可以对不同角度采集数据执行去卷积的数学处理，根据谱图找到最优解，得到最符合表面元素深度分布的曲线结果，如下例子给出了上图多层膜结构3 nmHfO2/1.5 nmSiO2/Si基底样品的谱图采集及模拟计算结果。图2给出了0°、40°、55°、63°、70°各角度测得的Si 2p谱图，0°时采集深度最大，70°时采集深度最小，可以看出随角度增加Si 2p信号强度降低，这是因为出射角越大，光电子信号深度越靠近表面，信号减弱。Si 2p峰主要由单质态Si及氧化态物种组成，对0°和70°结果进行归一化后可以看出，随角度增大SiO2组分占比明显增加，这说明相对于单质Si，SiO2物种更靠近表面，与样品实际结构相符合。

图2 Si 2p窄谱：左图为0°时Si 2p的拟合结果；右图为不同角度测得的Si 2p窄谱(插图将0°与70°谱图做了归一化处理)

图3 MEM重构得到的深度分析结果

基于以上采集的不同角度XPS数据，由MEM重构得到的深度分析结果可知，HfO2厚度约为3 nm，SiO2厚度约为1.5 nm，十分接近样品真实信息。

小   结

岛津XPS配备五轴常中心样品台，可以最大程度保证转动过程中测试位置恒定，通过角分辨XPS成功将样品分析深度降低到表面1~3nm。结合MEM重构，完成对薄膜厚度的模拟计算，可以轻松实现表面多层薄膜的无损厚度测定。

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