Rutherford backscattering study of area-selective ALD and CVD of nanoscale fin structures

Rutherford backscattering spectrometry (RBS) is a materials characterization technique used for quantifying atomic areal density and composition depth profiles in thin films and blanket layer samples. However, the technique still lacks the nanometer spatial resolution necessary for many semiconductor applications. The highly focused ion beam used in conventional RBS experiments leads to sample damage which limits the analytical sensitivity of the measurement as well as slows the overall process down. The problem of sample damage, however, is solved by using a technique termed ensemble RBS in which a broad beam is used to probe many devices. In this work, greater capabilities of ensemble RBS are explored by analyzing different surfaces in complex 3D nanoscale fin structures in a grazing angle geometry. We demonstrate the potential of this approach through the estimation of areal density of atomic species deposited on different surfaces in complex 3D nanostructures and by detecting a gradient in the amount of atomic species deposited on the sidewall surfaces of the SiO2 fins. The performance of the technique is demonstrated by the analysis of nano-trench devices after diffusion mediated Ru area-selective chemical vapor deposition and atomic layer deposition. The methodology used in this work involves the use of judicious choice of scattering conditions complemented with modeling, simulations, and data treatment. Area selective deposition (ASD) of Ru on metal or nitride growth surfaces, in the presence of dielectric nongrowth surfaces, has been attracting considerable interest given its potential for sub 10 nm interconnect structures for nano-electronic devices, where Ru outperforms Cu in terms of both resistance and reliability. This work involves the study of early-stage deposition of Ru in Ru/SiO2/TiN nanopatterns when deposited using area-selective CVD and ALD.

La spettrometria di retrodiffusione di Rutherford (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS) è una tecnica di caratterizzazione dei materiali utilizzata per misurare la densità atomica areale e i profili di composizione rispetto alla profondità, in film sottili e in strati protettivi. Tuttavia, la tecnica manca ancora della risoluzione spaziale nanometrica necessaria per molte applicazioni nel campo dei semiconduttori. Il fascio ionico altamente focalizzato utilizzato negli esperimenti RBS convenzionali può provocare danni al campione analizzato, limitando la sensibilità analitica della misurazione e rallentando il processo complessivo. Il problema del danno del campione, tuttavia, viene risolto utilizzando una tecnica chiamata ‘ensemble RBS’ in cui un fascio relativamente largo viene utilizzato per analizzare simultaneamente molti dispositivi. In questo lavoro, le maggiori capacità dell'ensemble RBS vengono esplorate analizzando diverse superfici in complesse strutture di creste 3D a scala nanometrica, in una geometria ad angolo radente. Dimostriamo il potenziale di questo approccio attraverso la stima della densità areale delle specie atomiche depositate su diverse superfici in complesse nanostrutture 3D e rilevando un gradiente nella quantità di specie atomiche depositate sulle superfici laterali delle alette di SiO2. Le prestazioni della tecnica sono dimostrate dall'analisi di dispositivi ‘nano-trench’ dopo la deposizione di Ru, mediata dalla diffusione, ed effettuata mediante ‘area selective chemical vapor deposition’ e ‘atomic layer deposition’ (ALD). La metodologia utilizzata in questo lavoro prevede l'uso di una scelta oculata delle condizioni di scattering integrate con modellazione, simulazioni e trattamento dei dati. La ‘area selective deposition’ (ASD) di Ru su superfici di crescita di metalli o nitruri, in presenza di superfici dielettriche non di crescita, ha suscitato notevole interesse per il suo potenziale per la realizzazione di strutture di interconnessione inferiori a 10 nm per dispositivi nanoelettronici, dove Ru supera Cu in termini sia di resistenza sia di affidabilità. Questo lavoro si focalizza sullo studio delle fasi iniziali della deposizione di Ru in nanopattern Ru/SiO2/TiN, sia mediante ASD sia mediante ALD.