Analyse von ALD Schichten (Atomic Layer Deposition)

Das Moore’sche Gesetz sagt voraus, dass die Schichtdicke von Diffusionsbarrieren in Halbleiterbauelementen schon in naher Zukunft eher in Atomlagen gemessen wird als in Nanometern. Diese Entwicklung führt dazu, dass die traditionell gebräuchlichen Abscheidemethoden wie Physical Vapor Deposition (PVD) und Chemical Vapor Deposition (CVD) allmählich durch Atomic Layer Deposition (ALD, Atomlagenabscheidung) ersetzt werden. Dieser Veränderungsprozess wird durch die exzellente Schichtdickenkontrolle und die erforderliche Gleichmäßigkeit der Schichten getrieben, die Atomic Layer Deposition (ALD) bietet. Die Geschlossenheit und Homogenität der dielektrischen Schichten oder Diffusionsbarrieren, die mit Atomic Layer Deposition (ALD) hergestellt werden, ist am Ende essentiell für die Qualität der Bauteile. Die Niederenergetische Ionenstreuspektroskopie (Low Energy Ion Scattering, LEIS) hat sich zu einem unverzichtbaren Werkzeug für die Analyse, Charakterisierung und Optimierung von ALD Prozessen entwickelt.

Für eine LEIS Analyse (Low Energy Ion Scattering) wird die Probenoberfläche mit Edelgasionen mit einer Energie von wenigen keV beschossen. Der Stoßprozess und die Streuung der Projektile an den Atomen der obersten Atomlage führt zu einem spezifischen Energieverlust, der charakteristisch ist für die Elemente der ersten Atomlage. Das ermöglicht die quantitative Bestimmung der Elementzusammensetzung an der äußersten Oberfläche. Zusätzlich können Informationen über die Schichtdicke gewonnen werden, dadurch dass einige Projektile erst in den Atomlagen unter der Oberfläche gestreut werden.

Diese einzigartigen Eigenschaften machen die LEIS Analyse zu einem idealen Werkzeug für die Analyse von Atomic Layer Deposition (ALD) Prozessen. Sie kann benutzt werden, um die Wachstumsrate sogar für den ersten ALD Zyklus zu bestimmen, mit dem Ziel, die Zahl der Zyklen für eine Pinhole-freie Schichtgeschlossenheit zu minimieren und die Schichtdickenvariation innerhalb der abgeschiedenen Schicht zu evaluieren.

ALD Process

Abscheidungskontrolle bei ALD-Schichten

In einem Projekt mit einem Technologiespezialisten für Atomic Layer Deposition Prozesse, wurde die LEIS Analyse im Tascon Labor zur Kontrolle des Abscheidungsprozesses benutzt, um einen Pinhole-freien ultradünnen WNxCy Layer auf Silizium aufwachsen zu lassen. Einige Spektren aus einer Serie von LEIS Spektren, aufgenommen nach einer unterschiedlichen Anzahl von Reaktionszyklen, sind in Abbildung 1 dargestellt.

Die Peakflächen der nachgewiesenen Elemente können benutzt werden, um deren atomare Konzentration in der äußersten Atomlage zu bestimmen. Nach einer Zahl von Zyklen entwickelt der W Peak einen Ausläufer an der niederenergetischen Seite. Er resultiert aus dem Wachstum von mehrlagigen Schichten. Die Intensität und Breite des Ausläufers ist ein direktes Maß für die Schichtdickenverteilung des WNxCy Films. Die Asymmetrie des W Peaks wird zwischen dem 10. und 20. Zyklus deutlich sichtbar. Das zeigt an, dass ein signifikanter Anteil der Oberfläche von da an durch mehrlagige Schichten (Inseln) bedeckt ist. Dieses Inselwachstum taucht auf, lange bevor die Bedeckung mit einem kompletten Monolayer von WNxCy erreicht ist. Das ist erkennbar an dem schwachen Si Oberflächensignal, das sogar nach 40 ALD Zyklen noch beobachtet wird. Außerdem wächst der Oberflächenanteil von W noch zwischen 20 und 40 Zyklen, wie man an der Steigerung der W Peak-Intensität erkennen kann.

Die WNxCy Schichtdicke, die für die eingesetzten Prozessparameter nach 40 Zyklen aus der Peakform abgeleitet werden kann, variiert zwischen 0 und 3 nm (siehe Abbildungen 1). Eine detaillierte Auswertung der Si und W Oberflächenbedeckung, abgeleitet aus den Messdaten, ist in Abbildung 2 dargestellt. Der Anteil, zu dem das Substrat bedeckt ist, kann präzise nachverfolgt werden. Zum Beispiel kann man erkennen, dass die WNxCy Oberflächenbedeckung nach 40 Zyklen 93% beträgt.

Für die eingesetzten Prozessparameter wird ein Schichtwachstum von 0,08 nm pro ALD Zyklus beobachtet, sobald die Bedeckung geschlossen ist. Nach 50 Zyklen der WNxCy Deposition ist der Si Peak komplett verschwunden, während der W Peak sein Maximum erreicht hat. Das zeigt, dass das Siliziumoxid mit einem vollständigen Pinhole-freien WNxCy Film bedeckt ist.

Tascon – Ihr Labor für Atomic Layer Deposition (ALD) Analyse

Im Tascon Labor benutzen wir modernste Geräte zur Analyse von Proben aus ALD Prozessen (Atomic Layer Deposition). Sind Sie interessiert an einer Analyse an Ihrem Atomic Layer Deposition (ALD) System in unserem Labor? Dann kontaktieren Sie uns. Unsere Spezialisten beraten Sie gerne.

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