Scientific reports: 半导体先进制程中测量并判断基底粗糙度对上层超薄氧化铪薄膜粗糙度的影响

2022-02-19 23:54:43 布鲁克(北京)科技有限公司-纳米表面仪器



布鲁克文章推荐 第63期 
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   布鲁克纳米表面仪器部  孙佩玲 博士 


在目前的纳米级半导体制造中,高介电材料和超薄多层材料多用于提高器件的性能,薄膜之间的界面效应和表面信息的定量化成为决定半导体器件性能的关键。本文作者对氧化铪超薄膜的界面效应进行了研究,提出了一种简单、准确、无损的诊断方法:粗糙度缩放方法。该方法人工修饰硅表面,最大峰谷粗糙度控制在几纳米的范围内,以检查下层粗糙度对覆盖层粗糙度的影响。关键覆盖层粗糙度由过渡RMS 粗糙度定义,3 nm 厚的氧化铪薄膜的过渡RMS 粗糙度为 0.18 nm。本文作者对量产的氧化铪薄膜粗糙度进行了测量研究,确认量产氧化铪薄膜粗糙度结果低于关键粗糙度设定的阈值。在500纳米的范围内,量产的氧化铪薄膜的RMS粗糙度为0.11 nm。作者期望这种可量化和标准化的关键覆盖层粗糙度将有助于提高生产良率。

近年来,提高AFM的性能的研究吸引了很多注意力,这是由于对超薄薄膜的兴趣激增。其中许多努力用在将gate SiO2 K = 3.9 层替换为高介电常数层,以减少隧道电流并确保互补性金属-氧化物半导体 CMOS)的低功耗。在高介电常量材料中,氧化铪 HfO2 薄膜由于其相对较高的 K K = 25 和较大的带隙,正被用于半导体行业。然而,HfO2薄膜的可靠性在多层上受到质疑,因为Hf原子之间的界面质量差,热稳定性差。因此,提供亚纳米尺度表面粗糙度的标准已成为一项重要任务。

本文作者通过低噪声 LN AFM 系统分析了 HfO2 薄膜的表面粗糙度。使用湿蚀刻工艺对基底表面进行人工修改,以检查下层粗糙度如何影响过渡层糙度,并调查了每个制造步骤之间的关系。HfO2 薄膜的关键粗糙度 CR 标准可以根据两个线性拟合之间的交集建立。之后,对半导体制造的在线诊断进行了调查,对大量生产的HfO2薄膜的粗糙度进行了调查。本文作者使用在线 AAFM LN AFM 评估了大规模生产的 HfO2 晶圆的粗糙度。从结果中,本文作者确认,厚度为 3 nm 的量产 HfO2 晶圆的粗糙度低于本文作者的 CR 值。500 nm 的扫描范围(FOV)内的根平均平方 RMS 粗糙度的平均值为 0.11 nm,在线检查的动态可重复性和可重复性 R&R 值为 30 pm10 次测量的 3 σ 值)。AFM计量对几纳米厚度的薄膜的关键粗糙度进行这种量化和标准化的管理,有助于提高产量并建立工业标准计量。

低噪声 LN AFM 系统为粗糙度测量提供了最佳环境条件。本文作者构建了一个针对半导体行业表面计量优化的LN AFM系统(RMS噪声35pm),通过定量方法估计了不确定性。低振动是高分辨率 AFM 成像所必需的,通过保持探针尖端和样品之间的距离尽可能小来确保低振动。在本次实验中,注入高纯氩气,把相对湿度 RH 控制在 10% 以下,因为测量的力可被基底上吸附的水膜干扰。尖端和样品之间的距离可以保持4.4 nm不变。图 1 显示了 argon 注射对湿度的影响,并显示了具有扫描范围 FOV)横向分辨率值的差异。在RH 35%时,获得相对模糊的图像,如图1c所示,因为悬臂的运动受到样品表面水分子层的强烈影响。相反,在干燥条件下,悬臂的顶点可以非常接近样品表面,以便拍摄更清晰的图像,如图1d所示。因此,干燥环境中的 RMS 粗糙度高于相对潮湿的环境中的 RMS 粗糙度。图像的横向分辨率足以区分纳米结构,其颗粒尺寸小于 10 nm,如图1d所示。

蚀刻工艺用于提供各种粗糙度的硅 Si 基材,通过改变缓冲氧化物蚀刻 BOE 溶液中的浸渍时间来调节表面粗糙度。使用几纳米范围内的 LN AFM 来检查空间分辨率,Si 表面的粗糙度增加,直到最大峰谷值 Rt 接近 3 nm。此过程在图 2 中被指定为"粗糙度缩放方法"

未经历 BOE 过程的样品在图 2bc 中表示为"0 分钟"。在表面蚀刻后进行了氧等离子体处理。使用 ALD 设备将 HfO2 层沉积到表面处理的 Si 晶圆上(Nano-ALD2000),因为大规模生产的晶圆的绝缘膜是一个3纳米厚的氧化氮薄膜。在HfO2沉积过程之前和之后,使用LN AFM仪器测量每个样品的表面。为了确定表面粗糙度的初始和最终状态之间的差值,高度分布在图中重叠,如图所示3a.。从这些分布中提取的参数(本例中为粗糙度 Ra)、RMS 粗糙度 Rq 以及最高峰和最低山谷 Rt 之间的距离的算术平均值列在表 1 中。如图 3b 和表 1 所示,结果可以分为两组。在相对光滑的基材上,对粗糙度没有显著影响。

在半导体制造过程中,亚纳米级粗糙度的表面形态测量是典型工业环境中最具挑战性的应用之一。它们要求在表面执行原子力反馈控制的同时,具有高性能的抗振动工作和隔音。此外,还有许多条件需要考虑才能获得可靠的数据。本文作者使用优化的LN AFM系统对量产的超薄HfO2薄膜样品(厚度约为3 nm)进行了表面分析。随后,使用自动化生产型AAFM 系统对相同批量生产的 HfO2 晶圆进行了粗糙度测量(InSight AFP; 布鲁克公司,美国,图4),包括自动样品台、自动换针、和热稳定性自动控制模块,其测量过程是完全自动化的。AAFM 本身的共振频率和半导体设施中环境噪声的指纹频率分离,以实现在线 AAFM 系统的亚纳米级粗糙度。背景噪音水平约为35pm。表 1 总结了从每个表面形貌图像计算的粗糙度参数。除低 FOV 50 nm 的区域外,所有粗糙度结果都类似。在这种情况下,由于横向分辨率限制,扫描面积很小(50 nm FOV)导致差异。RMS 粗糙度平均值为 0.11 nm,动态可重复性和可重复性 R&R 值低于30 pm10 次测量的值)。这两个结果之间有细微的差别,如表 1 所示。这种细微差异被认为是由不同的测量环境和尖端条件造成的。因此,结果表明在机台InSight性能规范范围内,其量测结果与 LN AFM 量测结果吻合度良好。

本研究对半导体制造过程中的超薄介电层、氧化铪薄膜,使用缩放粗糙度的研究方法,利用低噪声AFM研究基底粗糙度对3纳米厚的氧化铪薄膜粗糙度的影响。低粗糙度的Si基底对过渡层粗糙度(HfO2薄膜)的影响较小,但只有当初始基底的最大粗糙度峰谷差参数接近HfO2薄膜(下层 Rt = 3 nm)的厚度时,界面效应才变得严重。因此,可以从两个线性拟合的交点确定 CR 值。过渡层和下层的 CR 值分别是 0.18 nm 0.27 nm。此外,通过测量 MIM 结构的泄漏电流,证实了已定义的 CR 的有效性。本文作者还应用了为批量生产的开发的在线AAFM 技术,证实了亚纳米粗糙度在实际制造环境中的影响。大规模生产的HfO2 薄膜的粗糙度信息的动态可重复性和可重复性 R&R LN AFM 的粗糙度信息非常一致。这里的结果将有助于开发,提高下一代半导体器件的良率,并确保可靠的表面粗糙度标准化计量。


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原文信息:

Advanced measurement and diagnosis of the effect on the underlayer roughness for industrial standard metrology, by Jung-Hwan Kim, Seunghyun Moon, Ji-Woong Kim, Donggun Lee, Byong Chon Park, Dal-Hyun Kim, Yoojin Jeong, Sean Hand, Jason Osborne, Peter De Wolf, Youn Sang Kim & ChaeHo Shin, (2019) 9:1018 | DOI:10.1038/s41598-018-36991-z   

InSight AFP机型的产品介绍网址:

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/semiconductor-solutions/automated-afm-metrology/insight-afp.html 


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