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Metrology for future 3D-technologies

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Drei Messtechniklösungen zur 3D-Charakterisierung im Nanobereich

Durch die zunehmende Komplexität von Halbleiterbauelementen bei gleichzeitig sinkenden Kosten sind die Hersteller immer häufiger auf messtechnische Optimierungen angewiesen – vom Labor bis hin zur Fertigung. METRO4-3D will drei vielversprechende Optionen auf Herz und Nieren prüfen.

INDUSTRIELLE TECHNOLOGIEN

© MS Mikel, Shutterstock

Das Mooresche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der in einer integrierten Schaltung enthaltenen Transistoren ungefähr alle zwei Jahre verdoppelt. Diese Wachstumsrate führt zu einer erhöhten Funktionalität des Schaltkreises, einer Verringerung der erforderlichen Betriebsleistung und, was am wichtigsten ist, zu geringeren Kosten. In der Halbleiterindustrie sind Material- und Prozessentwicklungen sowie die Produktivitäts- und Produktionskontrolle jedoch von genauen Messtechniken abhängig, um die Leistung zu optimieren und Probleme zu minimieren. Das EU-finanzierte Projekt METRO4-3D bewertete die Wirksamkeit von drei messtechnischen Instrumenten zur Untersuchung der Front-End- und Back-End-Verarbeitung für eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen. Bewertung verschiedener Technologien Messtechniken müssen vermehrt an Bauelementen im Nanobereich durchgeführt werden. METRO4-3D will Technologien in den verschiedenen Bereichen der Messtechnik, nämlich Material- (chemische), elektrische und Defektcharakterisierung, mittels 3D-Analyse untersuchen. Um dieses Ziel zu erreichen, setzte das Projektteam drei Bewertungsinstrumente ein. Erstens verwendeten die Teammitglieder ein Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometer (TOFSIMS) mit eingebautem Rastersondenmikroskop, das die Materialzusammensetzung (in echtem 3D) abbildet und Fehleranalysen durchführt. Zweitens nutzten sie eine microHALL (ein automatisiertes Werkzeug zur Messung des Schichtwiderstands durch Abfrage der elektrischen Eigenschaften). Drittens wendeten sie ein akustisches Mikroskop an, das in einem Frequenzbereich von bis zu 2 Gigahertz arbeitet, um Defekte wie Risse oder Delaminierungen in den hauchdünnen Schichten der integrierten Schaltkreise zu untersuchen. Die Bewertung der Techniken begann damit, die grundlegenden Eigenschaften dieser Werkzeuge anhand von Referenzmustern näher zu bestimmen, bevor komplexere Bauelemente geprüft wurden, um die endgültige Leistung der Werkzeuge zu ermitteln. „Sowohl die zu Grunde liegende messtechnische Theorie als auch die laborbasierte Validierung für jedes dieser Werkzeuge existierten schon vor METRO4-3D, ihre Anwendbarkeit in der Halbleiterindustrie musste jedoch noch bewertet werden“, so Projektkoordinator Dr. Thierry Conard. Einige der Projektergebnisse sind bemerkenswert. Bei der Arbeit mit microHALL konnte das Team mithilfe des Systems beispielsweise die elektrischen Eigenschaften einer einzelnen Finne (3D-Strukturen, auf denen moderne Transistoren basieren) von einer Größe bis zu 20 Nanometer messen. Dieses Ergebnis war unerwartet, da diese Abmessungen kleiner als die Sondengrößen sind. Durch den Einsatz des Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometers mit eingebautem Rastersondenmikroskop wurde eine hochwertige 3D-Profilierung an 500 Nanometer großen Finnen demonstriert und das Verständnis der Tiefenprofilierung von Strukturen mit einer Größe von bis zu 20 Nanometern verbessert. Das akustische Mikroskop ermöglichte die zerstörungsfreie Inspektion von Hybridverbindungen mit Auflösungen von bis zu 1 Mikrometer und einer Nachweisgrenze von bis zu einigen Hundert Mikrometern. „Dank dieser Werkzeuge führt die Kombination von elektrischen, chemischen und strukturellen Informationen, die auf denselben Bauelementen gesammelt wurden, zu einem besseren Verständnis ihrer Beziehung zueinander“, sagt Dr. Conard. „Da die Techniken allgemein gehalten sind, können sie auch auf eine Vielzahl von Geräten/Systemen angewandt werden, die über Halbleiter hinausgehen. Trotzdem bleiben einige Protokolle gerätespezifisch.“ Mehr als die Summe ihrer Teile Durch die Einblicke in fortschrittliche Prozesstechnologien und die Entwicklung innovativer Werkzeuge zur Fehlererkennung hilft METRO4-3D, die Kosten für die Halbleiterherstellung sowie die Verschwendung von Ressourcen und die Markteinführungszeit für neue Produkte zu reduzieren. „Die Halbleitertechnologie ist nicht nur nützlich für Geräte, die wir täglich verwenden, wie z. B. Mobiltelefone, sondern spielt auch eine wichtige Rolle für Biotechnologien und viele andere Bereiche. Dieses Projekt wird zu einer Vielzahl von Anwendungen beitragen“, erklärt Dr. Conard. Da alle drei Instrumente jetzt im Handel erhältlich sind, stellt die Maximierung der Erträge aus der Kombination mehrerer Messtechniken ein Ziel zukünftiger Forschung für das Team dar, ebenso wie die kontinuierliche Verbesserung der Messprotokolle.

Schlüsselbegriffe

METRO4-3D, Halbleiter, Elektronik, Transistoren, Schaltkreise, Messtechnik, Spektrometrie, Sonden, Nanobereich, Sensoren, Mobiltelefone

Projektinformationen

ID Finanzhilfevereinbarung: 688225

  • Startdatum

    1 Februar 2016

  • Enddatum

    31 Januar 2019

Finanziert unter:

H2020-EU.2.1.1.

  • Gesamtbudget:

    € 3 349 813,75

  • EU-Beitrag

    € 2 689 035

Koordiniert durch:

INTERUNIVERSITAIR MICRO-ELECTRONICA CENTRUM

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