Atomic scale observation of atom distributions in 3D devices using atom probe tomography

Promovendus/a: Davit Melkonyan

Promotor(en): Prof. dr. ir. Wilfried Vandervorst

De technologische vooruitgang van de afgelopen decennia heeft bijna alle aspecten van ons dagelijks leven drastisch veranderd. De explosief groeiende halfgeleiderindustrie was een van de belangrijkste drijfveren hierachter. Deze was verantwoordelijk voor het realiseren van geïntegreerde schakelingen, die op hun beurt weer leidden tot de introductie en wijde verspreiding van computers en smartphones. De snelle groei van de halfgeleiderindustrie wordt gedreven door de continue aanpassingen aan de dimensies van de halfgeleidercomponenten, wat leidde tot kleinere geïntegreerde schakelingen, prestatieverbeteringen en lagere prijzen. Om deze evolutie en de onophoudelijke zoektocht naar nieuwe, verbeterde, componentontwerpen bij te benen, heeft men nood aan manieren om de compositie van deze componenten tot op atomaire schaal te kunnen bepalen. Dit vormt een grote uitdaging op het gebied van metrologie.

Het ultieme doel van zulke metrologie, is om de samenstelling in drie dimensies te kunnen bepalen op een kwantitatieve wijze, met atomaire resolutie en hoge gevoeligheid voor bijvoorbeeld lage doteerconcentraties. Atom sonde tomografie (Eng.: atom probe tomography, APT) is een techniek die het potentieel heeft om een dergelijk rol te vervullen in de halfgeleiderindustrie omwille van zijn intrinsieke driedimensionale aanpak en zeer hoge chemische gevoeligheid. In APT worden de atomen en moleculen van een naaldvormig specimen als ionen verdampt, en vervolgens opgevangen door een deeltjesdetector. Gezien deze detector de positie van het invallende deeltje kan registreren en de sequentie van de invallende ionen gekend is, kan men een driedimensionale voorstelling van het specimen maken met toegewijde software.

In deze doctoraatsverhandeling onderzoeken we het potentieel van APT om hedendaagse halfgeleider-componenten, zoals de FinFET, te analyseren en hun compositie met atomaire precisie te bekomen. Dit is niet-triviaal en uitdagend, gezien dit complexe, heterogene structuren zijn, waar APT analyse kan leiden tot vertekende composities en het verkeerdelijk inschatten van afmetingen. Daarenboven is een naaldvormig specimen op nanoschaal een noodzakelijke voorwaarde voor APT analyse. Hiervoor moet het te onderzoeken onderdeel of gebied van de halfgeleidercomponent (enkele tientallen nanometer groot) zeer secuur geïdentificeerd en geïsoleerd worden om het in de spits van de naald te plaatsen.

In dit werk gebruiken we B-gedoteerd Si om de fundamentele mechanismen achter de vertekende compositie bekomen door APT analyse te onderzoeken. Afhankelijk van de gebruikte analyseparameters kan de B concentratie onder- of juist overschat worden. De oorzaak hiervan kunnen we linken aan het feit dat het elektrisch veld nodig om B en Si te verdampen, sterk verschilt. B atomen hebben een groter elektrisch veld nodig om te verdampen wat leidt tot het achterblijven van B-atomen op het oppervlak van de apex van de naald, hetgeen op zijn beurt weer kan leiden tot het ongecontroleerd verdampen van B. Hierdoor kunnen kettingbotsingen van B-ionen in de detector ontstaan, wat leidt tot het preferentieel onderschatten van B. Verder kan dit effect potentieel leiden tot het migreren van B-atomen naar het oppervlak van de naald, en deze verrijking resulteert in het overschatten van de B concentratie. Verder vervormd het achterblijven van B-atomen de echte B-diepteprofielen in het specimen. Zo kan het gemeten B-profiel een lage hellingsgraad vertonen, waar het echte profiel steiler is. De afhankelijkheid van deze fenomenen op de gebruikte experimentele parameters in de APT analyse is onderzocht, met als doel om deze artefacten ofwel te kunnen vermijden ofwel op een correcte manier te rectificeren.

Naast het kwantificatieprobleem, leidt APT dikwijls tot vertekende dimensies en onrealistische dichtheidsvariaties bij de analyse van complexe, heterogene systemen. Deze geometrische artefacten werden onderzocht aan de hand van SiGe fins ingekapseld in SiO2 . Ook hier resulteert het significantie verschil in evaporatieveld tussen SiGe en SiO2 tot het preferentieel verdampen van in dit geval SiGe. Hierdoor ontwikkelt het SiGe materiaal tijdens het verdampen een lagere lokale radius. Dit leidt tot het vervormen van het traject dat de ionen afleggen naar de detector, wat leidt tot een kleinere vergrotingsfactor voor het SiGe materiaal afkomstig van de fin, in vergelijking met de ionen afkomstig van de SiO2 omkapseling. In de driedimensionale reconstructie is de fin dan schijnbaar smaller dan het daadwerkelijke specimen. Met behulp van transmissie elektronen microscopie (TEM), gebruikt als complementaire techniek aan de APT analyse, stellen we in dit werk een algoritme voor om deze vervorming te corrigeren.

Als laatste behandelen we enkele praktische uitdagingen in het vervaardigen van de benodigde naaldvormige specimen voor APT. We introduceren een natte ets procedure als aanvulling op de veelgebruikte methode gebaseerd op het frezen met een gefocusseerde ionenbundel. Dit vergemakkelijkt het lokaliseren van nanodraden en fins in het apex van de naald. We demonstreren daarnaast ook dat deze methode gebruikt kan worden voor het preferentieel wegetsen van bepaalde materialen die moeilijk te analyseren zijn in APT, zoals SiO2, hetgeen ten goede komt aan de datakwaliteit van de andere componenten.