基于原子探针层析成像技术对商用亚5nm FinFET器件的纳米级表征

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Nanoscale characterization of a commercial sub-5nm FinFET device by Atom Probe Tomography

　　

摘要

原子探针层析成像（APT）凭借其独特的原子尺度三维化学成分映射能力，为先进半导体器件的表征提供了一种强有力的解决方案。在本研究中，我们对一款商业来源的5nm技术节点FinFET器件进行了详细的基于APT的纳米尺度表征。利用聚焦离子束（FIB）进行特定位点的样品制备，以分离前段工艺（FEOL）和中段工艺（MOL）结构中的关注区域，从而实现了对关键器件组件的全面分析。我们报告了三项主要发现，并讨论了其对器件性能的潜在影响，包括：(i) 硼在界面处的显著偏聚，主要在SiGe源/漏区周边形成纳米尺度的偏聚簇；(ii) 钴接触的化学纯度与完整性，包括局部氧化和氮气侵入；(iii) TiO_xN_y扩散阻挡层界面处的纳米尺度成分分布。上述观察结果在多个数据集中反复出现，为掺杂剂分布、互连完整性和阻挡层性能提供了关键洞察，这些均对先进技术节点中的器件可靠性和性能具有直接影响。

引言

现代半导体器件制造已实现极端微细化，特征尺寸通常处于纳米量级，同时保持了商业规模上的高精度[1]。这使得制造高晶体管密度和高能效的高性能芯片成为可能[2]。最先进的制造技术是高性能计算、人工智能加速器、汽车电子和消费电子等众多先进应用进步与发展的基石。尽管此类结构已无处不在，但目前公开发表的关于亚10nm节点场效应晶体管（FET）化学成分文献非常有限，且涉及的材料和工艺往往是商业机密。与7nm技术节点相比，5nm节点带来了改进，使晶体管密度几乎翻倍，速度提升，功耗管理改善30%[3]，这主要归因于在图形化工艺中大量使用极紫外光（EUV）、应变优化和材料变更；这些微缩和材料变更的结果很少在公开文献中报道。

然而，这些复杂的三维纳米结构通常包含非常小的特征尺寸和低掺杂浓度，这使得许多标准材料科学技术，如透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线光谱（EDS）和二次离子质谱（SIMS），难以对其进行表征。基于X射线技术的EDS难以测量硼和氧等低原子量掺杂剂。原子探针层析成像[4]、[5]由于其对所有元素的等敏感性以及对三维结构表征的能力[6]，是微电子器件表征的理想技术。因此，在微/纳米电子领域，APT在科学研究和商业应用中的采用率大幅上升[6]、[7]、[8]。

特别是，原子探针层析成像的采用为光电器件[9]、[10]、[11]、[12]、[13]、[14]、[15]，由FET组成的半导体器件[16]、[17]、[18]、[19]、[20]、[21]、[22]、[23]，金属-绝缘体-金属电容器[24]、[25]、[26]、[27]、[28]，以及数据存储应用薄膜[29]、[30]、[31]、[32]、[33]、[34]的开发和评估做出了重大贡献。例如，已报告使用APT检测半导体器件中的早期/纳米尺度掺杂剂偏聚[15]、[35]、[36]、[37]，杂质定量[38]、[39]、[40]、[41]，评估关于三维连续性和粗糙度的关键界面特性[13]、[42]，以及关键界面处元素偏聚的定量分析[18]、[20]。

在本研究中，我们展示了使用APT对一款商业来源的亚5nm节点FinFET器件进行的原子探针表征。鉴于器件架构的复杂性，我们首先描述了针对分析体积中关注区域进行特定位点定位和成功分离的必要协议。随后，利用APT对以下方面进行了详细研究：(a) SiGe源/漏区中界面偏聚导致的纳米尺度硼偏聚簇；(b) 深埋钴接触区域的化学完整性；以及(c) 钴接触区域与相邻TiO_xN_y阻挡层界面之间的化学成分分布。同时，还讨论了这些观察结果在器件性能方面以及潜在失效来源方面的潜在重要性和影响。

章节摘要

实验方法

从荷兰NanoPhysics B.V.（Chipwise）采购了一款商用现成的Snapdragon X70 5G调制解调器芯片，该芯片已进行去工艺处理并经过角度抛光。补充材料中图S1展示了器件架构中各层级的光学显微图像。

使用ThermoFisher Scientific Helios 5 HX聚焦离子束（FIB）设备进行APT分析所需的尖锐针状样品的提取和制备。标准自上而下的

FinFET结构分析

图2(a)展示了FinFET结构区域的HAADF-STEM图像。图2(b)是包含鳍结构的最终尖化APT针的SEM代表性图像。

尽管无法从二维HAADF-STEM投影图像中清晰辨别器件的三维结构，但可以根据图像中器件特征几何形状识别出一些重要组件。例如，垂直突出的特征具有

结论

• 1.
  我们使用APT对一款商用亚5nm技术节点FinFET器件进行了原子尺度的三维表征。严格的基于FIB的样品制备方法促进了在APT分析体积内成功捕获多个器件组件，包括掺硼SiGe源/漏区、钴接触和TiO_xN_y扩散阻挡层。对每个组件化学成分组成的详细分析为其潜在

人工智能使用

主手稿未使用生成式人工智能。生成式人工智能用于汇总补充材料中的尖端存活统计数据并格式化表格。

CRediT作者贡献声明

Kasturi Narasimha Sasidhar：写作——审阅与编辑，写作——初稿撰写，可视化，方法学，研究，形式化分析。Isabelle Martin：研究。Yimeng Chen：写作——审阅与编辑，方法学，研究，形式化分析。Katherine P. Rice：写作——审阅与编辑，可视化，研究，形式化分析，概念构思。

资金支持声明

本工作由AMETEK旗下部门CAMECA提供资金支持。

利益冲突声明

作者声明不存在任何可能影响本文所报告工作的已知竞争性经济利益或个人关系。

Kasturi Narasimha Sasidhar|Isabelle Martin|Yimeng Chen|Katherine P. Rice