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Fertigungskette von Si-Kugeln und interferometrische Bestimmung des Kugelvolumens

Erste Ergebnisse des internationalen Ringvergleichs zu Schichten von HfO2-auf Silizium

20.12.2018

Ultradünne Schichten aus HfO2 werden seit etwa zehn Jahren in Halbleiterbauelementen mit kleinsten Strukturgrößen als Gate-Isolator eingesetzt. Sie haben die bis dato eingesetzten SiO2-Schichten ersetzt, da sie bereits bei wenigen Nanometern Dicke die gleiche isolierende Wirkung zeigen, die SiO2 erst bei wesentlich dickeren Schichten erreicht. Den resultierenden hohen Anforderungen an eine Schichtdickenmesstechnik mit kleinsten Unsicherheiten wurde nun in einem internationalen Ringvergleich Rechnung getragen, der vom koreanischen Metrologieinstitut KRISS organisiert wurde.

An diesem Ringvergleich hat sich die PTB mit einem Röntgenreflektometer der Fa. Panalytical, Typ Emperean, beteiligt. Bei der XRR wird ein Röntgenstrahl mit sehr kurzer Wellenlänge (hier: λ = 0,154 nm) an der Probenoberfläche reflektiert. Das resultierende Reflektogramm (siehe Abb. 1) zeigt dann ein Oszillationsmuster, dass durch Interferenz der reflektierten Röntgenstrahlen entsteht. Die Lage der Minima und Maxima wird in erster Linie durch die Wellenlänge und den Einfallswinkel der Röntgenstrahlung bestimmt. Das interferometrische Messprinzip in Verbindung mit der kurzen Wellenlänge macht XRR in der Folge zu einem hervorragenden Messverfahren für ultradünne Schichten, wie im vorliegenden Fall. Die Messung ist weitestgehend materialunabhängig und weist über große Schichtdickenbereiche eine sehr hohe Linearität auf.

Am vorliegenden Vergleich P190 der Surface-Analysis-Working Group (SAWG) des beratenden Komitees CC-QM (Consultative Committe for Amount of Substance) des CIPM haben sich insgesamt vier Institute mit XRR beteiligt, die an Proben mit nominellen HfO2-Schichtdicken zwischen d = 2 nm und 4 nm Messungen durchgeführt haben. Ergebnis: Die Werte der verschiedenen Teilnehmer mit unterschiedlichem Equipment streuen um maximal 0,16 nm. Dies belegt die hervorragende Stabilität der XRR als Schichtdickenmesstechnik, sowohl bei der Durchführung der Messungen als auch bei der nachfolgenden Datenauswertung mit entsprechenden Simulationsprogrammen.

Am Ringvergleich waren zusätzlich andere Messverfahren zur Dickenmessung an Nanometerschichten beteiligt, wie zum Bespiel Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS). Durch die statistische Korrelation der verschiedenen Verfahren ist es in der Folge möglich, durch Kombination der Stärken der jeweiligen Verfahren (XRR: hohe Linearität; XPS geringer Offset) diese so zu kombinieren, dass eine Kalibrierkurve für die einzelnen Verfahren berechnet werden kann. Damit sind dann Aussagen zu Offset und Linearität der verschiedenen Messungen möglich.

Konsequenz aus dem Ringvergleich: Die einzelnen Verfahren konnten hinsichtlich ihrer Eignung für die Dickenmessung an ultradünnen Schichten bestätigt werden, die beteiligten Institute konnten ihre Fachkompetenz überprüfen und Kalibrierkurven zur Verbesserung der beteiligten Verfahren ermittelt werden. Insgesamt also ein Gewinn für die Messtechnik in der Anwendung. Im Anschluss an diese Pilotstudie soll eine Internationale Vergleichsmessung gemäß den Regeln des CIPM-MRA (Key Comparison) durchgeführt werden.

Röntgenreflektogramm einer HfO2-Schicht.

Abb. 1: Reflektogramm einer HfO2-Schicht auf Silizium Substrat mit einer nominellen Dicke d = 4 nm.

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