准原位X射线光电子能谱法分析薄膜半导体材料的环境失效行为

作     者：李夏 郭佳睿 庄敏 陈瑜 白杰 严楷 

作者机构：广东工业大学分析测试中心 广东工业大学材料与能源学院 

出 版 物：《中国无机分析化学》 (Chinese Journal of Inorganic Analytical Chemistry)

年 卷 期：2024年

学科分类：081704[工学-应用化学] 07[理学] 070205[理学-凝聚态物理] 08[工学] 0817[工学-化学工程与技术] 070302[理学-分析化学] 080501[工学-材料物理与化学] 0805[工学-材料科学与工程（可授工学、理学学位）] 0703[理学-化学] 0702[理学-物理学] 

基　　金：广东省基础与应用研究基金资助项目(2020A1515110992) 

主　　题：准原位X射线光电子能谱 环境失效 薄膜半导体 表面分析 扩散机理 

摘      要：处于使用和贮存状态的薄膜半导体材料因其经历的自然和诱导环境因素而引起器件的性能退化甚至失效，进而影响器件甚至整个系统的可靠性。目前对于环境失效行为的研究方法都很难捕获实时或准实时的表面成分及价态信息，难以判断其早期失效的行为特性以及深入掌握其失效机理。利用原位及准原位X射线光电子能谱（XPS）分析技术，通过调控环境失效因素研究薄膜半导体材料表界面成分、化学态以及电子结构的变化规律，揭示环境失效行为与失效机理，建立薄膜半导体相关材料及器件环境失效行为的分析新方法。结合准原位XPS对Au/Ni/Cu/HfO2薄膜材料热过应力失效行为进行研究，结果表明：环境气氛中的氧气能够进一步诱导体相内Ni、Cu原子向表面层的扩散。热处理温度升高引起氧元素吸附模式由起初的物理吸附转变为化学吸附，并在Au层表面内反应产生NiO、Ni2O3以及CuO，导致薄膜材料表面成分的变化，表明利用准原位XPS法能够获取薄膜半导体材料准实时的表面成分及化学态信息，能更系统地剖析早期失效行为特性并分析其失效机理，对设备设计与生产过程中薄膜半导体材料体系的合理选择、设计改进以及提高电子芯片的环境适应性与可靠性具有重要意义。