APPLICATION DES TECHNIQUES A LA MICROELECTRONIQUE AVANCEE AES ET XPS A LA MICROELECTRONIQUE AVANCEE XPS AES Denis Rouchon 21-11-2002 XPS S probe SSI 21 novembre 2002

PLAN INTRODUCTION ARXPS (Angle Resolved-XPS) ETUDES XPS ET AES Transistor MOS (Métal Oxyde Semi-conducteur) Interconnexions ARXPS (Angle Resolved-XPS) Principe de la détection angulaire ETUDES XPS ET AES Diélectriques haute permittivité Barrières de diffusion Diélectriques basse permittivité CONCLUSION 21 novembre 2002

Structure d’un transistor MOS. INTRODUCTION Structure d’un transistor MOS. Interconnexion cuivre damascène. Source Drain Canal espaceur Métal de contact grille Grille Diélectrique de grille Ligne Cu barrière ILD IMD Nitrure Diélectriques haute permittivité High K (Al2O3, ZrO2, HfO2….) Barrières de diffusion (TaN, TiN, WC, WN et WCN ) Diélectriques basse permittivité low K (SiOC) Interconnexions (Al et Cu) 21 novembre 2002

Principe de la détection angulaire (Angle Resolved-XPS) q2 hn=1486.6 eV e- Spectromètre q1 d1 d2 film Sensibilité en profondeur maximum surface maximum AR-XPS La profondeur maximale analysée varie selon l’angle de détection  des photoélectrons et du libre parcours moyen : d = 3l sin q  2 < d < 9 nm 21 novembre 2002

Diélectriques haute permittivité‘ high-k’ HfO2 1nm SiO2 0.7nm Si ???? Hf 4f q=75° HfOxSiy I=8,0% 0,7 eV q=15° HfO2 17.15 eV I=3,6% 5 nm HfO2 AR-XPS Présence d’un composé interfacial de type silicate 21 novembre 2002

Diélectriques haute permittivité‘ high-k’ Signature d’un silicate interfacial : spectres Si 2p Après dépôt de HfO2 Avant dépôt : 0.7 nm SiO2 sur Si Si3+ d=+2.56 eV Si4+ SiOHf d=+3.08 eV Si0 (substrate) Al Ka (a) Si 2p hn=160 eV Si1+ Si2+ Si3+ Si-O-Hf (b) 21 novembre 2002

Diélectriques haute permittivité‘ high-k’ Métrologie de la couche interfaciale par AR-XPS 5 nm HfO2 ?? ti SiO2 Si 0.55 nm SiO2 tSiO2=0.61±0.14 nm Si0 (substrat) SiOx SiO2 Si 2p ti = l(Si2p).sinq.Ln(1+R/R∞) avec : l(Si2p)=2.96 nm R=(ISiO2+ ISiOx)/ISi R∞=0.91 21 novembre 2002

Diélectriques haute permittivité‘ high-k’ Profils AES sur HfO2 8 nm / SiO2 / Si Ep = 10 Kev Ar+ - 2 KeV – (2.5x2.5)mm2 20 40 60 80 100 120 140 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10 Sputter Depth (Å ) Intensity Si-Si O Hf-Ox Hf-O2 Hf?(HfOxSiy) Hf (HfOxSiy)? HfOx HfO2 Hf (NVV) synthèse XPS et AES  Présence à l’interface de silicate d’hafnium 21 novembre 2002

Barrières de diffusion Analyse XPS de couches barrières WCN Influence de la température de dépôt Si Cu W(CN) 30 nm Analyse de la surface ( 4nm) Identification des espèces chimiques en surface 280°C W4f C1s C1s W4f 380°C 21 novembre 2002

Barrières de diffusion Profil AES de couches barrières WCN Influence de la température de dépôt Si Cu W(CN) 30 nm profil 50 100 150 200 250 300 10 20 30 40 60 70 80 90 W7272.pro Sputter Time (s) Atomic Concentration (%) W Cuivre O-W W-O C Contamination C N 16% MO10727-1 280 ° C 400 500 N 10% MO10815-1380 ° C 280°C 380°C 21 novembre 2002

Barrières de diffusion Oxy (400°C 2Torr 10mn) 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 x 10 4 0P252.pro Kinetic Energy (eV) c/s Ti (LMM) Ti Ti profil Ti 50nm 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 -2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0.5 1 1.5 x 10 4 0P252.pro Kinetic Energy (eV) c/s Ti (LMM) Ti-O TiOx TiN 50 100 150 200 250 300 350 400 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 x 10 Sputter Time (s) Intensity Ti-O Ti TiN Ti + N O C 340 350 360 370 380 390 400 410 420 430 440 -6 -5 -4 -3 -2 -1 1 2 3 4 x 10 0P252.pro Kinetic Energy (eV) c/s Ti (LMM) Ti + N TiN 21 novembre 2002

Diélectriques basse permittivité‘ Low-k’ Si SiO2 natif Profondeur d’analyse 4nm SiOC 80nm Spectres XPS du niveau Si2p 114 111 108 105 102 99 114 111 108 105 102 99 Binding Energy (eV) SiO2 Si-(O, C) Après dépôt Plasma N2O Plasma He 21 novembre 2002

Cartographie AES sur trou de contact Interconnexions Cartographie AES sur trou de contact SiO2 Al TiN Al Ti Clivage C Si 21 novembre 2002

Cartographie AES sur lignes d’interconnexions Fluor Aluminium Cartographie AES sur lignes d’interconnexions Distribution du fluor dans un dispositif Low K FSG entre les lignes ‘interconnections d’aluminium’. 21 novembre 2002

CONCLUSION Spectroscopie de photoélectron par rayons X (XPS) Spectroscopie d’électron Auger (AES) Informations Extrême surface 1.5-3 nm Composition en profondeur (profil) Etats chimiques (spectres difficiles à interpréter) Répartition des espèces en surface (cartographie) Extrême surface 2-9 nm (ARXPS) Interface (ARXPS) Etats chimiques Mise au point de nouvelles générations de circuits intégrés 21 novembre 2002