Quantification des couches ultrafines par AC-STEM-EDS

NOTE D'APPLICATION

INTRODUCTION

Les progrès récents dans les technologies des couches minces et les propriétés de leurs matériaux ont posé des problèmes de caractérisation importants. Par exemple, la caractérisation des structures de puits quantiques sur des échantillons présentant des textures antireflet, des substrats à motifs ou la présence de défauts cristallins peut être très compliquée empêchant en fin de compte l’accès aux informations de base requises. Cependant, la détermination précise de la composition, de l'épaisseur et de la densité des couches ultra-fines morphologie critiques pour le développement de processus, l’évaluation de la qualité de analyse d'échec. Les laboratoires EAG ont mis au point un protocole analytique spécifique pour résoudre ces problèmes de caractérisation difficiles sur ces dispositifs.

Dans cette note d’application, nous montrons l’efficacité de la quantification des couches minces par microscopie électronique en transmission à balayage corrigé par aberration (AC-STEM) couplée à un détecteur de rayons X à dispersion d’énergie (STEM-EDS) pour les échantillons à base de GaN.

Image AC-STEM à contraste Z de GaN: pile multicouche InGaN.

Figure 1  Image AC-STEM à contraste Z de GaN: pile multicouche InGaN. AC-STEM affiche des piles d'atomes claires (sphères rondes) qui indiquent une résolution d'image superbe.

RÉSULTATS ET DISCUSSION

Comme le montre la figure 1, l’AC-STEM fournit des images très détaillées de l’échantillon. Cette clarté d'image n'est pas possible avec les images STEM ou TEM traditionnelles. Avec une résolution d'image supérieure à 1.4Å, AC-STEM peut fournir une précision et des détails d'épaisseur de couche inégalés.

En plus d’une excellente qualité d’image, l’AC-STEM couplé à un détecteur de rayons X avancé permet une quantification fiable des matériaux à base de GaN. Comme exemple de précision pouvant être obtenue par AC-STEM-EDS, le tableau 1 présente les résultats en comparant les valeurs mesurées par AC-STEM-EDS et par Spectrométrie de rétrodiffusion de Rutherford (RBS). RBS est utilisé pour créer des normes de référence et est considéré comme l'une des techniques d'analyse les plus précises pour les films épais. L'accord entre RBS et AC-STEM-EDS respecte l'incertitude de mesure RBS attendue de 5% (relative).

Tableau 1 In Concentration sur un échantillon standard de film épais InGaN.

Tableau 1  En concentration sur un échantillon standard de film épais InGaN.

Image AC-STEM d'une couche ultra-fine dans un dispositif à LED.

Figure 2  Image AC-STEM d'une couche ultra-fine dans un dispositif à LED.

Concentration élémentaire de la couche de la figure 2.

Tableau 2  Concentration élémentaire de la couche de la figure 2.

Le tableau 2 montre la composition quantitative mesurée à partir d'une couche 3.25nm dans une structure InGaN en utilisant AC-STEM-EDS dans les mêmes conditions analytiques que celles utilisées pour le standard RBS. Pour de nombreux systèmes matériels importants (y compris les dispositifs III-V, III-Nitride et II-VI), la composition quantifiée ne peut être réalisée par aucune autre méthode, telle que SIMS. Il est important de noter que, étant donné que les conditions d'analyse sur l'étalon d'étalonnage et le film mince sont les mêmes, la précision des données du tableau 2 est identique à celle obtenue à partir du film en vrac figurant dans le tableau 1.

Données AC-STEM-EDS montrant les distributions de Al (rouge), Ga (bleu) et In (jaune) dans une structure de puits quantique InGaN.

Figure 3  Distributions Al (rouge), Ga (bleu) et In (jaune) dans une structure de puits quantique InGaN.

En plus d’obtenir d’excellents résultats quantitatifs sur ces échantillons difficiles, AC-STEM-EDS peut fournir des images éclatantes de la distribution des éléments, comme illustré à la figure 3. Ces cartes peuvent fournir des informations uniques sur la composition de l'échantillon et l'analyse des défauts, le tout avec une résolution à l'échelle nm.

Les traits linéaires sont une autre méthode de mesure des distributions élémentaires pouvant fournir un niveau d'informations supplémentaire. La figure 4 montre un balayage linéaire du même échantillon, montrant les fractions atomiques d'aluminium et d'indium dans l'échantillon de GaN. Notez que les couches d'Indium les plus minces sur le côté droit de l'analyse sont de l'ordre de 1.5nm d'épaisseur. La précision de quantification de ces couches n'a pas encore été déterminée. Cependant, dans les couches plus épaisses (3.25nm), les valeurs de concentration sont valables en raison des conditions analytiques mentionnées précédemment et la taille de la sonde est nettement inférieure à l'épaisseur du film.

RÉSUMÉ

Nous avons montré dans cette note d'application qu'il est possible de quantifier avec précision
couches ultrafines d'un appareil à base de GaN. Cette méthode peut être étendue à des études sur d'autres matériaux III-V, III-nitrure et II-V. Ces données AC-STEM-EDS, couplées à des profils SIMS, sont essentielles pour comprendre les systèmes de matériaux complexes qui sont désormais monnaie courante aujourd'hui. appareils électroniques avancés.

Traçage linéaire quantitatif sans étalon AC-STEM-EDS des fractions d’atomes Al (rouge) et In (bleu). Les grandes variations de la fraction atomique sont dues à la résolution en pixels élevée requise pour ce type de données.

Figure 4  Traçage linéaire quantitatif sans standard des fractions d'atomes d'Al (rouge) et d'In (bleu). Les grandes variations de la fraction atomique sont dues à la résolution en pixels élevée requise pour ce type de données. Pour l'analyse quantitative, comme indiqué dans les tableaux 1 et 2, les données sont collectées de manière à améliorer considérablement ces statistiques.

Pour activer certaines fonctionnalités et améliorer votre expérience avec nous, ce site stocke des cookies sur votre ordinateur. Veuillez cliquer sur Continuer pour donner votre autorisation et supprimer définitivement ce message.

Pour en savoir plus, consultez notre Politique de confidentialité.