Anfrage fur ein Angebot

Nanotechnisch

Phil Kaszuba, Leiter des Labors für Rasterkraftmikroskopie bei IBM

170221 Phil Kaszuba

Phil Kaszuba, Leiter des Labors für Rasterkraftmikroskopie bei IBM, ist Benutzer eines Park Systems Rasterkraftmikroskops, das als führend gilt bei der Halbleiterdefektprüfung und der mikroskopischen Analyse

Die zunehmende Komplexität und die Einführung neuer Werkstoffen führt zu hohen Anforderungen bei dem Management von Produktausbeute und Prozesskontrolle. Die Ansprüche bei der Ausfallanalyse in der Halbleiterindustrie sind enorm. Schnellere Verfahren mit besseren analytischen Merkmalen sind bei der Suche nach den Ursachen von Ausfallmechanismen bei Halbleiterbauteilen von großem Interesse, insbesondere für Bauteile, die im Submikronbereich hergestellt werden. Das Rastersondenmikroskop (SPM) ist ein analytisches Instrument, das bei der Analyse der Ursachen von Ausfällen eingesetzt wird. Rasterkapazitätsmikroskopie ist eine SPM-Technik, die das Dotierungsprofil eines Halbleiterbauelements abbildet, während gleichzeitig ein topografisches Bild erstellt wird. Unter Verwendung von neuen und sich ständig weiterentwickelnden Techniken kann eine Reihe von physikalischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften einer Probe routinemäßig analysiert werden. RKM hat sich zu einem Hauptverfahren in der Messtechnik für die Überwachung von Fertigungslinien entwickelt. Hier steht insbesondere die Analyse von kritischen Dimensionen und Seitenwandstrukturen im Vordergrund.


Sie sind seit über 23 Jahren auf dem Gebiet der Rastersondenmikroskopie (SPS) tätig und haben mit einem der ersten Rasterkraftmikroskope bei IBM gearbeitet. Was waren in Ihrer Branche die wichtigsten Meilensteine auf dem Weg in Nanomikroskopie?

Das Arbeiten mit einem Prototyp in den frühen 90er Jahren war ganz anders heute. Die Konfiguration des Systems wurde manuell mit separaten elektronischen Geräten und einem Laserinterferometer durchgeführt. Das dauerte normalerweise 1-2 Stunden. Die analytischen Techniken waren weitgehend auf berührungslose Rastekraftmikroskopie (der Messung der van-der-Waals-Anziehungskraft zwischen der Spitze und der Probenoberfläche) und der Raster-Kelvin-Sondenmikroskopie (SKPM) beschränkt. Für Halbleiterbauteile aus dieser Zeit war die Auflösung gerade ausreichend. Bei heutigen Systemen wurde die diskrete Elektronik (die einst die Hälfte eines Raumes einnahm) in eine Einheit in der Größe eines Desktopcomputers zusammengefasst, wobei das Interferometer und die optische Bank durch einen Laserdioden- / Fotodetektor ersetzt wurden und die Systemsteuerung über Software erfolgt. Jetzt braucht man noch 10 Minuten, um das Gerät einzustellen. Unter Verwendung von neuen und sich ständig weiterentwickelnden Techniken kann eine Reihe von physikalischen, elektrischen und chemischen Eigenschaften einer Probe routinemäßig analysiert werden. Darüber hinaus haben Fortschritte in der Sondentechnologie die Auflösung im Nanometer- bis Subnanometerbereich für verschiedene Techniken ermöglicht.

 

Wie hilft die Rastersondenmikroskopie (SPM), Halbleiterbauelemente kleiner und schneller zu machen und dabei weniger Strom zu verbrauchen?

In der Halbleiterindustrie wird die Entwicklung jeder neuen Technologie von drei Zielen bestimmt: Neue Geräte müssen kleiner, schneller und weniger energieintensiv sein. Bedenken Sie, wie viel Datenspeicherung, Kontrolle und Rechenleistung heute in unseren persönlichen elektronischen Geräten vorhanden ist. Und dabei passt alles in unsere Hosentasche. Die Technologie für diese Geräte wurde durch evolutionäre Fortschritte in der Halbleiterindustrie ermöglicht. SPM hat hier in der Forschung, Entwicklung und Produktion unschätzbare Dienste geleistet. Entscheidend für die erfolgreiche Entwicklung jeder neuen Technologie ist das umfassende Verständnis der einzelnen Bausteine, die im Endeffekt das funktionale elektronische Gerät ausmachen. Vor der Entwicklung von SPM-Techniken haben sich Wissenschaftler und Entwicklungsingenieure zum Verständnis von Geräteleistung und der Entwicklung von Herstellungsprozessen stark auf Simulationen verlassen. RKM, SKPM und Rasterkapazitätsmikroskopie (SCM) liefern empirische Daten, die das tatsächliche Resultat eines Geräteentwurfs oder Herstellungsprozesses widerspiegeln. Das kann dann zur Herstellung von kleineren, schnelleren und effizienteren Geräten benutzt werden.

 

Warum ist die Topografische bei der Halbleiterfertigung und der Fehleranalyse so wichtig?

Mit jeder Generation werden die Geräte in allen Dimensionen kleiner. Folglich ist es immer wichtiger, die physikalische Morphologie von Siliziumsubstraten sowie Filmen, die bei der Herstellung von funktionellen elektronischen Vorrichtungen gezüchtet oder abgelagert und strukturiert werden, vollständig zu verstehen. Verschiebungen von Atomen im normalen Kristallgitter sind alltäglich. Solche Verschiebung, selbst um nur eine einzige atomare Ebene, können zu katastrophalem Versagen führen, wenn diese Verschiebung an der falschen Stelle auftritt. RKM kann solche Verschiebungen auf einer Ebene sowie andere nachteilige Features routinemäßig und nicht destruktiv erfassen. Filmrauigkeit, besonders nach chemisch-mechanischem Polieren (CMP) und dielektrischem Wachstum, ist ein kritisches Merkmal. Unter Verwendung geeigneter Algorithmen können hochauflösende RKM topografische Daten dazu verwendet werden, die physikalischen Eigenschaften eines Films oder einer Schicht nach solchen Verarbeitungsschritten "zu quantifizieren". Zu guter Letzt RKM ist das Hauptverfahren in der Messtechnik für die Überwachung von Fertigungslinien geworden. Dabei steht vor allem die Analyse von kritischen Dimensionen und Seitenwandstrukturen im Vordergrund.

 

Wie hilft die Rastersondenmikroskopie bei der Herstellung von Halbleitern?

Um diese Frage zu beantworten, sollten wir zunächst die grundlegendsten Schritte bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen betrachten. Gereinigtes Silizium wird zu einkristallinem Silizium gezüchtet, zu "Wafern" verarbeitet und in sehr spezifischen Bereichen durch die Implantation von atomaren Verunreinigungen oder "Dotierstoffen" leitfähig gemacht. Die korrekte Platzierung von Dotierstoffatomen (in allen 3 Dimensionen) in Einkristallsilizium ist essenziell für die Herstellung von Halbleiterbausteinen wie Transistoren, Dioden, Widerständen und Kondensatoren. SCM ist hier die einzige und wichtigste Methode, da mit SCM die Position, die Verteilung und die relative Konzentration der Dotierstoffatome im Silizium genau (mit Nanometerauflösung) detektiert werden können. Vor SCM gab es keine praktische analytische Methode zur Messung der Dotierstoffverteilung über eine komplette Struktur hinweg.

 

Können Sie uns erklären, wie Sie Dotierungsprofile in Silizium-Halbleiterbausteinen analysieren?

Wie zuvor erwähnt, werden spezifische Dotierstoffe in ausgewählte Bereiche im Silizium implantiert, um die Leitfähigkeit zu verändern. Wichtig ist, dass nach der Implantation die Dotierstoffe durch das Glühen des implantierten Siliziums bei ausreichend hoher Temperatur für eine gewisse Zeit elektrisch aktiv gemacht werden. Abhängig vom Dotierstoff gibt es im implantierten Bereich entweder einen Nettoüberschuss (n-Typ) oder einen Mangel an Elektronen (p-Typ). Ein Ladungsträger im n-Typ-Silizium wird einfach als "Elektron" bezeichnet. Bei Silizium vom p-Typ wird der Elektronenhohlraum, der sich ständig bewegt, als "Loch" bezeichnet. Dotierstoffkonzentrationen bestimmen die elektrische Leitfähigkeit. SCM ist eine Technik, die einen extern angelegten elektrischen Stimulus verwendet, um diese Ladungsträger zu bewegen. Die Bewegung wird durch die SCM-Sonde erfasst. Die Sonde steht mit der leicht oxidierten Siliziumoberfläche in Kontakt. Wenn man die Größe und Polarität der angelegten Vorspannung und die Trägerantwort kennt, ist es einfach, die Dotierungspolarität und die relative Konzentration des zu analysierenden Bereichs zu bestimmen. Die Sonde erstellt eine Abbildung des Dotierungsmitteltyps und die relative Konzentration für den abgetasteten Bereich. Mit der neuesten SCM-Sondentechnologie erreicht man eine Auflösung im Nanobereich. Dies war und bleibt das "Arbeitstier" für die Dotierungsanalyse von Transistoren. Die Technik wurde in den frühen 90er Jahren eingeführt und wurde seitdem stetig verfeinert.

 

Was kommt als Nächstes bei der Entwicklung von Nanotechnologien für die Halbleiterindustrie?

Die Halbleiterindustrie macht rasante Fortschritte. Die Technologie hat sich von 45 nm auf 32 nm und nun 22 nm ziemlich schnell entwickelt. Mit dieser Entwicklung ist es nicht nur zu einer Verringerung der physikalischen Größe, sondern auch zur Einführung neuer Materialien gekommen. Das war notwendig, um Probleme zu lösen, die bei Transistoren mit einer Kanallänge von nur 40 Atomen und bei Dielektrika, die nur einige Moleküle hoch sind, auftreten. Der nächste große Schritt für die Industrie ist der Übergang von 22 nm auf 14 nm. Das erfordert die grundlegende Neugestaltung des Basistransistors. Nach 14 nm kommen 10 nm und 7 nm! SPM liefert bei jedem Schritt kritische Daten, angefangen von der Grundlagenforschung bis hin zur Endproduktion.

 

Was sind die neuesten Werkstoffe?

Das grundlegende Schaltungselement von integrierten Schaltungen ist der Feldeffekttransistor (FET). Die grundlegende FET-Struktur besteht aus dotiertem Silizium mit einem dünnen "Gate-Dielektrikum". Eine leitfähige Schicht oder ein "Gate" wird auf dem Gate-Dielektrikum aufgebracht, um den FET ein- und auszuschalten. Die wichtigste Schicht in diesem ‚Stack‘ ist das Gate-Dielektrikum, traditionell aus SiO2 und nur zehn Angström dick. Mit fortschreitender Technologie und immer geringeren Abmessungen, wurde diese Schicht dünner und dünner bis zu dem Punkt, wo sie nur noch aus einigen wenigen Molekülen bestand. Quantentunneleffekte zwischen dem Gate und dem Substrat wurden zu einem Problem, sodass es notwendig war, das Dielektrikum zu modifizieren. Mit Hafnium im Gate-Dielektrikum konnte die dielektrische Konstante erhöht und damit das Skalierungsproblem gelöst werden. Der Einsatz von HfO2 in der planaren FET-Technologie war wahrscheinlich der größte Durchbruch in jüngster Zeit.

 

Wie wird leitende RKM (C-RKM) verwendet, um molekulare Kontaminanten zu lokalisieren und warum ist dies wichtig?

Da die FET-Gate-Dielektrikumschichten immer dünner werden, ist es offensichtlich, dass molekulare Verunreinigungen in dieser isolierenden Schicht zwischen dem Gate und dem Substrat leicht die Funktionalität der Einheit beeinträchtigen können. Mit Millionen von FETs auf einem Chip ist es wahrscheinlich, dass dies sporadisch auftritt. Es ist deshalb wichtig, ein gründliches Verständnis der Gate-Dielektrika zu haben. C-RKM ist eine elektrische Methode zur Messung von Strömungseigenschaften mit einer Auflösung im Nanometerbereich und Empfindlichkeit Femtoamperebereich. C-RKM hat sich als eine unschätzbare Technik zur Lokalisierung der selbst subtilsten elektrischen Inhomogenitäten in der kritischsten Schicht, dem Gate-Dielektrikum, erwiesen. Der dielektrische Film kann alleine oder auf einem vollständig aufgebauten FET analysiert werden. Im Fall eines vollständig aufgebauten FET muss die Einheit unter Verwendung einer Kombination von mechanischen und chemischen Schritten dekonstruiert werden, praktisch um den Herstellungsprozess umzukehren und die zu untersuchende Schicht, das Gate-Dielektrikum, freilzulegen. Zunächst wird mit einem Rasterkraftmikroskop unter Verwendung einer Standard-Siliziumsonde bei hoher Auflösung untersucht, ob es offensichtliche topografische Anomalien gibt. Dann werden mit C-RKM bei zunächst niedriger Vorspannung Aufnahmen gemacht. Dieser Vorgang wird mit erhöhter Vorspannung wiederholt, bis eines der folgenden Ereignisse auftritt: Ein lokalisierter „Spot" des Stromflusses zeigt eine lokale Änderung der dielektrischen Stärke oder ein niedriger Tunnelstrom zeigt sich an mehreren Stellen über der dielektrischen Oberfläche. Dies ist normal für ein gutes, einheitliches Dielektrikum. Wenn ein kleiner diskreter Spot gefunden wird, können andere Techniken (SKPM, TEM, RKM) dazu verwendet werden, die Ursache für die lokale Änderung der dielektrischen Stärke zu untersuchen.

 

Welche zukünftigen technologischen Fortschritte, denken Sie, könnten aus der Halbleiter-SPM-Forschung kommen?

Das Rastersondenmikroskop hat bei der Entwicklung der Halbleitertechnologie eine wesentliche Rolle gespielt, indem es kritische und in einigen Fällen zuvor nicht verfügbare Daten bereitstellt hat. Je mehr wir uns der molekularen Ebene nähern, um so bedeutsamer wird seine Rolle. Die Halbleiterindustrie hat rasante Fortschritte bei der Entwicklung von neuen Technologien und Anwendungen erzielt. Das schließt die Kontrolle von Haushaltsgeräten mit einem kleinen Handgerät, selbstfahrende Automobile und komplexe Maschinen, die die Fähigkeit haben zu "denken" und sogar bei "Jeopardy!" zu gewinnen, ein. Weitere Fortschritte bei Halbleitern ermöglichen eine Beschleunigung der medizinischen Forschung für schnelle, genaue Diagnosen und ein besseres Verständnis der Krankheiten, deren Ursachen und Heilung sowie die rasche Entwicklung von Arzneimitteln durch die Simulation chemischer, physikalischer und biologischer Prozesse. Dann kommt noch die detaillierte Erforschung unseres Sonnensystems. Das beginnt mit einer bemannten Expedition zum Mars. Für den unersättlichen Energiebedarf des Planeten könnte es Lösungen geben durch die Simulationen von atomaren Wechselwirkungen. Prothesen, die sich nahtlos anpassen und wie menschliche Körperteile funktionieren, könnten aus der Halbleiterindustrie kommen. Der Erfindungsreichtum und die Kreativität der heutigen Wissenschaftler sind die Grenzen. Das Rastersondenmikroskop wird auch in der Zukunft in der Forschung, Entwicklung und Produktion eine immer wichtigere Rolle als analytisches Instrument spielen.