ALD成长超薄薄膜的覆盖，组成和带隙分析

半导体和薄膜材料的材料开发需要充分了解材料的特性以及它们如何相互影响。亚博网站下载Thermo Scientific™Nexsa™XPS系统集成了多种技术，使其成为相关分析和薄膜材料开发的理想选择。在这个应用笔记中可以看到。

Nexsa™使用了多种方法，即紫外光电子能谱(UPS)、离子散射能谱(ISS)、反射能量损失能谱(REELS)和拉曼光谱，使相关分析成为可能。利用这一特性，Nexsa™被用于研究HfO样品的各种特性₂．每个样品都由一层薄的HfO组成₂采用分级数原子层沉积(ALD)循环进行沉积。首先，利用XPS定量测量了沉积在基底上的Hf的质量以及HfO层的厚度₂和SiO₂．然后利用ISS和REELS进行进一步分析，分别获得表面覆盖率和带隙读数。

热科学Nexsa™XPS系统

分析了薄膜的厚度和组成

该调查开始使用XPS测量，因为这是NEXSA™的主要能力。该实验中使用该高端XPS装置以获得有关组合物的数据和覆盖层的厚度。量化HFO的技术₂在ALD工艺中沉积，依赖于从SiO上的HfO2样品获得的XPS光谱₂/Si跟随每个周期。

图1所示。XPS测量谱显示HfO增加₂组成作为ALD循环的功能

XPS采集后，利用Thermo Scientific™设备的优势数据系统分析数据，使用从

比尔-朗伯定律。这只需要用户输入材料密度和带隙读数的数据，并将为每个材料层分别生成衰减长度。最后，利用每个XPS信号的比较强度，vantage将利用这些信息输出各个层的厚度。在本例中，根据Hf和Si信号的相对XPS信号强度，发现Hf薄膜在0 ~ 10 nm之间。

这种测量有助于确保ALD薄膜具有指定的厚度（以均匀的方式认为每个循环沉积膜），因此在该过程中保持对质量标准的恒定和准确的控制。

覆盖率分析

实时生产中存在的问题是沉积不完全均匀，导致薄膜覆盖不均匀。然而，这可以由Nexsa™补偿，以样品覆盖范围为基础。每个样品的薄膜覆盖的测量是使用ISS进行的。与XPS不同的是，这种技术只利用了样品的最表层(一个分子的厚度)来获取光谱，因为它使用了能量低得多的氦离子束。因此，这些粒子被样品顶部的原子分散，无法穿透这一层，这是由于除了最顶层以外，没有任何原子对其产生影响。

离子通过这种散射失去动能，损失的程度取决于离子质量，样品原子的质量，和散射的角度。在这三个变量中，唯一的变量是样品原子的质量，因此，通过Nexsa™测量和分析散射氦离子的能量，以澄清样品的顶层单层的性质。因此，如果ISS光谱显示来自Si原子的信号存在，可以得出结论，表面覆盖的HfO₂电影是不完整的。

如图2所示，随着ALD循环次数的增加，Si峰值的振幅下降。一旦50个周期完成，Si峰在光谱中不再可见。换句话说，需要20-50次ALD循环才能产生完全的表面覆盖。

图2。HfO的ISS光谱₂样本超过100个ALD循环（右）和指示ALD循环（左）的表面覆盖水平的图。

带隙测量

带隙是高k介质材料的一个重要特性，尤其是栅器件。亚博网站下载这个术语用来定义任何材料的价带和导带的能量之差。它之所以重要，是因为它的大小决定了这种材料是否可以用于许多有重大意义的应用，如LED、光伏或太阳能电池。因此，它的精确测定是至关重要的。在大多数材料中，亚博网站下载XPS技术是有用的，但对于高k介电材料，如本实验中的HfO2, XPS峰值在能带能区域内显示出显著的重叠，从而导致潜在的不准确性。在Nexsa™中使用REELS系统可以预测并纠正这个问题，该系统可用于从生成早期光谱测量的样品表面的同一点获取REELS光谱。然后，通过自动化的过程，通过测量电子开始以非弹性方式散射的能量损失水平，avante能够计算出样品材料的带隙。另一个优点是使用单一的双源射孔枪进行电荷补偿和reel测量，从而避免了该技术需要单独的电子源。

图3。REELS光谱的HfO₂在100 ALD循环之后采样，带隙测量测量。

概括

的Thermo Scientific™Nexsa™XPS系统不仅可以使用XPS技术提供样品组合物和厚度的数据，但利用ISS和REELS技术分别产生有关覆盖范围的完整性的信息。这意味着NEXSA™能够产生关于可用于为半导体和相关应用产生超薄薄膜的材料的关键特性的完整图。

这些信息来源于赛默费雪科学公司提供的x射线光电子能谱(XPS)。亚博网站下载

有关此来源的更多信息，请访问Thermo Fisher Scientific - X射线光电子能谱（XPS）．