想要优化多层膜结构器件生长工艺？看我们来帮你

2018-11-10 10:33:58, 赛默飞化学分析赛默飞元素分析仪器

K-Alpha+ 多层栅介质深度剖析层间扩散

随着微电子工业的迅猛发展，现代对半导体材料的加工工艺和材料自身性能提出了更高的要求。电子产品趋于更轻、更薄、更小，使得新工艺朝着层数更高、密度更高的方向发展；而材料自身的杂质含量和晶体缺陷也密切地影响器件的电学性能。

未来针对半导体材料的研究方向除了电学性能外，对其化学特性、缺陷与杂质控制、层间结构的研究都将更加深入，因此，通过专业的元素检测手段分析多层半导体的层间结构，以及层间扩散行为具有重大意义。

今天我们就以目前最广泛应用的多层栅介质器件为对象，在商品化的XPS仪器上进行纳米尺度多层结构分析测试，帮助大家了解XPS深度剖析和化学分析能力在该行业中的应用性能，并为指导多层膜结构器件生长工艺的优化提供方向。

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首先，我们来看看

选择的样品及测试要求

此次测试选用的样品为预期的纳米尺度的多层结构电子器件，如图1所示。

图1.样品结构

在Si单质的基底上交替生长SiO2层和SiN层，共13层，约600nm。需要分析样品层结构及各化学态层间扩散行为，并进一步对比不同刻蚀模式下的测试结果，探讨理想的分析手段。

测试所用仪器和测试方法

此次测试我们选择了K-Alpha+光电子能谱仪进行测试，仪器外观见图2。

图2.K-ALPHA+光电子能谱仪

为消除样品荷电效应开启标准模式的中和枪。测试时使用单色化X射线源，200微米束斑，深度剖析采用单离子模式，离子能量为2000eV High，2.9mA束流，刻蚀光斑大小为：2.5mm*2.5mm，溅射速率约为~0.085nm/s，每隔25s采集一次XPS数据，并在“Rotation”设置时分别选择0和1进行测试，对比深度剖析时样品面内旋转与不旋转两种溅射模式下的深度剖析效果。

测试结果分析

1、刻蚀区域形貌

在刻蚀过程中分别使样品台沿X-Y平面不旋转以及旋转。仪器自动记录的刻蚀区域照片如图3所示，可见在样品台不旋转的情况下，刻蚀区域为3×2mm的矩形，沿着离子枪束流方向存在一定得溅射阴影；而在样品台旋转的情况下，刻蚀区域为直径2.5mm的圆形，与预期设置的刻蚀束斑大小2.5mm十分符合，刻蚀凹坑比较均匀对称。

图3.两种刻蚀模式下的刻蚀区域照片

2、样品随溅射时间元素的种类和含量变化

图4.代表性层元素图谱以及元素化学深度剖析结果

如图4，通过分析每一层各元素图谱，可以得到详细的元素及其化学信息，并以了解其深度分布及其结构组成方式：

刻蚀前，样品表面主要含有Si/O元素，且主要以可能的SiO2的化学态形式存在，基本不含N元素；

样品经过刻蚀250s后，主要以可能的N-Si的化学态形式存在，此外还可能含有少量的Si-O和SiON的化学态形式；

样品经过6600s刻蚀后，主要含有单质硅，且有极其少量的Si、N、O元素；

元素的种类和含量与预期的一致，在各层中均没有检测出明显其他元素。

表1.样品表面各化学态相对含量/At%

3、样品层间结构对比

利用软件自带的”Peak Table Profile”功能分别绘制两种刻蚀模式下元素含量随刻蚀时间增加的变化曲线，这里只简单考虑元素深度分布（图5）。

图5.两种刻蚀模式下元素含量随刻蚀时间的变化曲线

从图可以看到样品由于有约11.5层的SiO2及SiON的结构，故有22个界面层，与预期的一致。随着刻蚀时间的增加，层间结构逐渐变差，其中不旋转模式的结果尤其明显。这可能是由于刻蚀过程中离子溅射注入和离子枪斜入射的阴影效应导致的，而旋转模式由于溅射更均匀，所以对层结构的测试影响较低。这一结果与图3照片中反映的刻蚀区域形貌相一致。

4、样品层间扩散现象对比

进一步利用软件自带的”Interface Width”功能，计算界面层宽度（如图6为例）。通过界面宽度变化对比得知，随着刻蚀时间的增加，不旋转模式下的界面宽度逐渐变大，而旋转模式下的界面则几乎没有明显变化，以Si元素为例绘制表2的。这表明制备的多层样品元素分布相当稳定，也表明剖析过程中通过旋转样品可有效提高深度检测分辨率。

图6.“Interface Width”功能自动求取界面层厚度

表2.Si 界面层厚度对比/s

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此次测试我们可以了解到，利用XPS对多层栅介质器件进行检测分析，通过对元素及其化学态的含量变化可以获知其层内结构、层间扩散行为。

综合而言，XPS技术可以很好的应用于分析多层半导体材料：

XPS结合深度剖析技术很好的揭示多层半导体结构，帮助了解和评估制备工艺；

XPS不仅表征元素组成，还直接给出化学态信息，可以很好的了解各层内的元素结合原理，有助于发现及控制晶体缺陷的形成；

XPS给出的定量结果能直接评估材料内部的杂质含量，促进加工工艺的改良；

XPS深度剖析的高深度分辨率，可以帮助直观了解界面信息，从而优化外延Si层的制备工艺；

XPS深度剖析在到达μm尺度仍然保持很好的深度分辨率，在加工尺度越来越小的微电子工业占有优势；

两种方法（旋转和不旋转）在达到比较深的深度时，不旋转模式的剖析深度分辨率有所下降，但旋转模式下的还能保持较好的深度分辨率，使得XPS仪器在高深度剖析中仍能发挥很好的效能。

XPS分析技术在多层结构半导体器件中具有很好的适用性，在半导体领域及其相关电子器件行业应用中发挥着重要的作用。