Angular and energy distribution of photoelectrons for in depth nanometer scale metrology

Abstract

Winkelaufgelöste Röntgenphotoelektronenspektroskopie (ARXPS) ist ein ideales Werkzeug zur zerstörungsfreien Bestimmung von Schichtdicke und chemischer Zusammensetzung sowie zur Tiefenprofilmessung. Diese Messverfahren spielen zum Beispiel für die Herstellung von Halbleiterschichten in Transistoren eine oberflächentechnisch wichtige Rolle. Bei der ARXPS werden XPS-Spektren über einen diskreten Emissionswinkelbereich aufgenommen.<br />Da die effektiv messbare Schichtdicke mit zunehmend flachem Emissionswinkel abnimmt, ist es möglich aus dem Vergleich der Messdaten Informationen über die tiefenmäßige Konzentrationsverteilung der Probe zu gewinnen. ARXPS-Daten werden entweder mithilfe einer drehbar gelagerten Probe durchgeführt, oder aber die Photoelektronen werden über einen weiten Winkelbereich ohne Drehung der Probe detektiert was die Aufnahme von mehreren ARXPS-Spektren deutlich beschleunigt. Diese Arbeit befasst sich mit der Simulation, der Analyse un der Tiefenprofilmessung anhand der ARXPS.<br />Es werden die Einflüsse der Anisotropie des Photoionisations-Streuquerschnitts und der elastischen Streuung der emittierten Photoelektronen im Festkörper auf die quantitative Analyse der in der aufgenommenen ARXPS-Spektren untersucht. Experimentelle Spitzenintensitäten für alle bedeutenden Peaks der Spektren von Cu, Ag, Pt und Au hältigen Proben werden mit den Simulationsergebnissen durch Einbeziehung der NIST-Datenbank für die Simulation von Elektronenspektren in der Oberflächenanalyse (SESSA), welche (1) die Anisotropie des Photoelektronenemissions-Streuquerschnitts, (2) die elastische Streuung der Photoelektronen und (3) den nichtverschwindenden Öffnungswinkels des Analysators berücksichtigt.<br />Zusätzlich werden Korrekturen an den Simulationsergebnissen wegen der Beeinflussung durch Plasmonen-Erregung an der Oberfläche vorgenommen. Der gemeinsame Beitrag dieser Effekte beeinflusst die Winkelverteilung sehr. Desweiteren wird gezeigt, dass dank der Korrekturen aufgrund von mehrfacher inelastischer Streuung und Plasmonen-Erregung das Verhältnis der errechneten Peak-Intensitäten für die untersuchten Materialien zu den gemessenen Intensitäten um weniger als 1 % von 1 abweicht.<br />Eine laborübergreifende Studie zur Bestimmung des Einflusses zweier angenommener Voraussetzungen (Vernachlässigung der Auswirkungen der Streuung der emittierten Elektronen einerseits und des nichtverschwindenden Öffnungswinkels des Analysators andererseits) für den Algorithmus zur Berechnung der abgeleiteten Schichtdicken und Schichtzusammensetzungs- Profilen, sowie zur Auswertung der Ähnlichkeiten und Unterschiede der sich aus den von unterschiedlichen, für die ARXPS-Auswertung auf mehreren Wegen entwickelten Analyse- Algorithmen stammenden Schichtdicken- und Schichtzusammensetzungs-Profildaten wurde ausgeführt. Es wird SESSA verwendet, um die Photoelektronenintensitäten von SiO2 und HfO2-Filmen unterschiedlicher Dicke und von SiON- und HfON-Filmen mit unterschiedlichen N-Profilen, jeweils auf einem Si-Substrat, zu simulieren. Manche Proben besaßen eine Dünne 2 Schicht aus C an der Oberfläche. Winkelabhängige Verteilungen für die konventionelle (durch Drehung der Probe realisierte) ARXPS und für die Theta-Proben-Konfiguration (ruhende Probe) wurden sowohl für realistische als auch für vereinfachte Voraussetzungen simuliert.<br />Der Vergleich der Ergebnisse der jeweils mit ihrer eigenen Software arbeitenden Studienteilnehmer zeigt große Zufallsfehler in den zurückgelieferten Werten für Materialmenge, Schichtdicke und durchschnittliche Schichttiefe unter Zugrundelegung der simulierten ARXPS-Daten auf. Es erweist sich, dass die Vernachlässigung der elastischen Streuung und des nichtverschwindenden Öffnungswinkels des Analysators in den Analyse-Algorithmen große systematische Fehler erzeugen.<br />Deswegen wird ein neues Verfahren für die quantitative Analyse und die mikrostrukturelle Interpretation der ARXPS von sehr dünnen, mehrere Elemente enthaltenden Oxidfilmen durch die Miteinbeziehung von Energie- und Winkel-abhängigen Verteilungen entwickelt.<br />Dieses Verfahren wird verwendet, um unter Berücksichtigung der Effekte der elastischen Streuung von Photoelektronen als auch der Anisotropie des Phooionisations-Querschnittes das Tiefenprofil von den gemessenen ARXPS-Spektren von SiON-Proben auf einem Si- Substrat zu erhalten. Es stellt sich heraus, dass die sich aus den entsprechenden, aus dem derzeit gültigen Modell erhaltenen Tiefenprofilen ergebenden theoretischen Spektren sehr gut mit den dazugehörigen experimentellen Spektren decken. Weiters kann diese Prozedur Tiefenprofile aus ARXPS-Daten unter Verwendung von nur zwei Emissionswinkeln errechnen.<br />Die Ergebnisse für die Dicke und die Zusammensetzung des Oxynitridfilms werden mit der Maximum-Entropy-Methode verglichen.<br />

Angle resolved XPS (ARXPS) is ideal "tool" for thickness, chemical composition, and nondestructive depth profiling, of transistor gate oxide material, a key requirement in front-end processing. In the ARXPS technique, spectra are collected at various photoelectron take-off angles. Because the effective sampling depth decreases with the increase of the emission angle of photoelectrons, it is possible to extract information on the concentration depth profile of the sample from ARXPS data. ARXPS measurements are performed either by tilting the specimen or detecting photoelectrons over a wide angular range without tilting the sample (so-called parallel data-acquisition mode), which greatly speeds up the recording of a series of ARXPS spectra. This study addresses the simulation, analysis and depth profiling by using ARXPS.<br />Effects of the anisotropy of the photoionization cross-section and elastic scattering of the emitted photoelectrons in the solid on the quantitative analysis of ARXPS spectra recorded in parallel data acquisition mode are investigated. Experimental peak intensities for all major peaks of Cu, Ag, Pt, and Au specimens are compared with results of simulations using the NIST database for the Simulation of Electron Spectra for Surface Analysis (SESSA) that takes into account the effects of (1) anisotropy of the photoelectric cross section, (2) elastic scattering of the photoelectrons, and (3) the finite solid angle of the detector. In addition a separate correction is made to the simulated intensities for the effects of surface excitations.<br />The combined influence of these effects is found to significantly affect the angular distributions.<br />Furthermore, It is shown that, ratios of the calculated peak intensities of the observed subshells for a particular material to the measured intensities deviate from unity by typically less than 1 % after corrections for multiple inelastic scattering and surface excitations.<br />An interlaboratory study is conducted to determine the effects of two assumptions (neglect of elastic scattering of the signal electrons and the finite analyzer acceptance angle) made in ARXPS data-analysis algorithms on derived film thicknesses and composition profiles and to evaluate the similarities and differences of film thicknesses and composition profiles obtained from analysis of ARXPS data by different analysts using different algorithms for data analysis. SESSA is used to simulate photoelectron intensities for SiO2 and HfO2 films of varying thickness on Si and for SiON and HfON films with different N profiles with depth on Si. Some samples had a thin surface C layer. Angular distributions are simulated for both conventional (sample-tilting) ARXPS and for the Theta Probe configuration (fixed sample) using either realistic conditions or simplified conditions. The comparison of the results from the participants using different software's show large random errors occurs in reported amounts of material, film thicknesses and average depths from analysis of simulated ARXPS intensities. It is shown that, the neglect of elastic scattering and analyzer-acceptance angle in data-analysis algorithms introduce large systematic errors.<br />Therefore, a novel procedure is developed for the quantitative analysis and microstructural interpretation of ARXPS of very thin, multi-element oxide films by using energy and angular distributions. This approach is applied to retrieve the depth profile from the measured ARXPS spectra of SiON samples on a Si substrate by taking into account the effect of elastic scattering of the photoelectron as well as anisotropy of the photoionization cross section. It is found that, the theoretical spectra corresponding to the depth profile retrieved by means of present model agree very well with the experimental spectra.<br />Furthermore, this procedure retrieve depth profiles by using ARXPS data at only two photoelectron emission angles.The results obtained on the thickness and composition of the oxynitride film is compared with the maximum entropy method.