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Tre soluzioni metrologiche per la caratterizzazione su scala nanometrica 3D

Con l’aumentare della complessità dei dispositivi a semiconduttore e la riduzione dei costi, i produttori si affidano sempre più all’ottimizzazione guidata dal punto di vista metrologico, dal laboratorio alla fabbricazione. METRO4-3D mette alla prova tre opzioni promettenti.

Tecnologie industriali

La legge di Moore afferma che il numero di transistori contenuti in un circuito integrato raddoppia approssimativamente ogni due anni. Questo tasso di crescita determina un aumento della funzionalità del circuito, una riduzione della potenza di esercizio necessaria e, soprattutto, costi ridotti. Tuttavia, nell’ambito dell’industria dei semiconduttori, gli sviluppi di materiali e processi, insieme alla produttività e al controllo della produzione, si basano su una metrologia accurata per ottimizzare le prestazioni e ridurre al minimo i problemi. Il progetto METRO4-3D, finanziato dall’UE, ha valutato l’efficacia di tre strumenti metrologici per studiare l’elaborazione front-end e back-end per una varietà di dispositivi a semiconduttore. Valutare diverse tecnologie Vi è un crescente bisogno di eseguire la metrologia su dispositivi su scala nanometrica. METRO4-3D si è proposto di approfondire le tecnologie attraverso le diverse aree della metrologia: caratterizzazione materiale (chimica), elettrica e dei difetti, utilizzando l’analisi 3D. Per raggiungere questo obiettivo, il progetto ha adottato tre strumenti di valutazione. In primo luogo, è stato utilizzato uno spettrometro di massa di ioni secondari a tempo di volo (ToFSIMS) con un microscopio a scansione di sonda (SPM) incorporato che profila (in 3D) la composizione dei materiali ed esegue analisi dei guasti. In secondo luogo, è stato impiegato microHALL (uno strumento automatizzato per misurare la resistenza dello strato), campionando proprietà elettriche. In terzo luogo, è stato utilizzato un microscopio acustico, operante in una gamma di frequenza fino a 2 Gigahertz, per approfondire difetti come cricche o delaminazioni negli strati sottilissimi dei circuiti integrati. La valutazione delle tecniche è iniziata qualificando le caratteristiche di base di questi strumenti, utilizzando campioni di riferimento, prima di approfondire dispositivi di complessità crescente per stabilire le prestazioni massime degli strumenti. «Sia la teoria metrologica di base che la convalida basata su laboratorio esistevano già per ciascuno di questi strumenti prima di METRO4-3D, ma la loro applicabilità nell’industria dei semiconduttori doveva ancora essere valutata», afferma il coordinatore del progetto, il dott. Thierry Conard. Molti dei risultati del progetto sono degni di nota. Per fare un esempio del lavoro di microHALL, il team è stato in grado di utilizzare il sistema per misurare le caratteristiche elettriche di una singola aletta (strutture in 3D su cui si basano i moderni transistori) fino a 20 nanometri. Questo risultato è stato inaspettato poiché tali dimensioni sono inferiori alle dimensioni della sonda. Il lavoro di TOFSIMS-SPM ha dimostrato una profilazione 3D di qualità elevata su alette di 500 nanometri e una migliore comprensione di una profilazione più approfondita delle strutture, fino a 20 nanometri. Il microscopio acustico ha consentito l’ispezione non distruttiva di legami ibridi con risoluzioni fino a 1 micrometro e un limite di rilevamento fino a poche centinaia di micron. «Grazie a questi strumenti, la combinazione di informazioni elettriche, chimiche e strutturali raccolte sugli stessi dispositivi porta a una migliore comprensione della loro relazione», afferma il dott. Conard. «Inoltre, poiché le tecniche sono generiche, esse sono applicabili a un’ampia varietà di dispositivi/sistemi, oltre ai semiconduttori. Ciò detto, alcuni protocolli rimangono specifici del dispositivo». Più della somma delle loro parti Fornendo approfondimenti sulle tecnologie di processo avanzate e sullo sviluppo di innovativi strumenti di rilevamento dei guasti, METRO4-3D contribuisce a ridurre i costi di produzione dei semiconduttori, lo spreco di risorse e il tempo di commercializzazione per i nuovi prodotti. «Oltre a essere utile nei dispositivi che utilizziamo quotidianamente, come i telefoni cellulari, la tecnologia dei semiconduttori svolge un ruolo importante anche nella tecnologia delle scienze della vita e in molti altri domini. Questo progetto contribuirà a una vasta gamma di applicazioni», afferma il dott. Conard. Con tutti e tre gli strumenti ora disponibili in commercio, massimizzare i ritorni ottenuti dalla combinazione di diverse metrologie è un’area di ricerca futura per il team, così come il miglioramento continuo dei protocolli di misurazione.

Parole chiave

METRO4-3D, semiconduttori, elettronica, transistori, circuiti, metrologia, spettrometria, sonde, nanoscala, sensori, telefoni cellulari

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