Depth profiling of Si0.76Ge0.24 alloys with Atom Probe Tomography: a theoretical and experimental study of the electric field

With the progressive scaling of semiconductor device dimensions and the investigation of novel material systems, it has become essential to develop techniques that can provide accuracy at the atomic scale. One such technique is Atom Probe Tomography (APT), which offers three-dimensional compositional mapping with sub-nanometer resolution. In particular, Laser-assisted APT (L-APT) is promising for characterizing innovative materials in the semiconductor industry, but there are still challenges that need to be addressed. Specifically, the electric field that determines the controlled evaporation of atoms, plays a crucial role in the outcomes of an APT measurement. As such, it is essential to thoroughly study the electric field throughout the specimen volume. In this research project, we conducted an analytical study of the factors influencing the electric field and developed a theoretical model to explain its behavior under different experimental conditions (high voltage pulsing and laser pulsing). This model was then experimentally verified. The electric field intensity during an APT measurement can significantly impact elemental quantification in multi-component materials. For example, the electric field has been shown to influence the concentration of germanium in SiGe films. Accurate quantification is essential to evaluate the performance of SiGe-based devices, which hold great promise for current and future technology in the semiconductor industry. In this work, we determined the experimental conditions necessary for accurate quantification of germanium in Si0.76Ge0.24 samples for APT measurements performed in laser mode through LEAP 5000XR tool from Cameca, equipped with a UV laser at λ = 355 nm wavelength.

Con il progressivo ridimensionamento delle dimensioni dei dispositivi a semiconduttore e l’indagine di nuovi sistemi di materiali, è diventato essenziale sviluppare tecniche in grado di fornire precisione a livello atomico. Una di queste tecniche è l’Atom Probe Tomography (APT), che offre una mappatura tridimensionale della composizione di un materiale con risoluzione sub-nanometrica. In particolare, la tecnica Laser-assisted APT (L-APT) risulta promettente per caratterizzare materiali innovativi nell’industria dei semiconduttori, ma ci sono ancora diverse sfide da affrontare. Nello specifico, il campo elettrico che determina l’evaporazione controllata degli atomi gioca un ruolo cruciale nei risultati di una misura APT. Pertanto, è essenziale studiare approfonditamente il campo elettrico in tutto il volume del campione. In questo progetto di ricerca, abbiamo condotto uno studio analitico dei fattori che influenzano il campo elettrico e sviluppato un modello teorico per spiegare il suo comportamento in diverse condizioni sperimentali (impulsi ad alta tensione e impulsi laser). Questo modello è stato poi verificato sperimentalmente. L’intensità del campo elettrico durante una misurazione APT può influenzare significativamente la quantificazione degli elementi in materiali multicomponente. Ad esempio, è stato dimostrato che il campo elettrico influisce sulla concentrazione del germanio nei film SiGe. Una quantificazione accurata è essenziale per valutare le prestazioni dei dispositivi basati su SiGe, i quali presentano grandi promesse per la tecnologia attuale e futura nell’industria dei semiconduttori. In questo lavoro, abbiamo determinato le condizioni sperimentali necessarie per una quantificazione accurata del germanio nei campioni Si0.76Ge0.24 per misure APT eseguite in modalità a impulsi laser, tramite lo strumento LEAP 5000XR di Cameca, dotato di un laser UV con lunghezza d’onda λ = 355 nm.