Magnetische Nanoanalytik: Spinabhängige Abbildung
Halbleiterbauelement-Analytik: Rasterkapazitätsmikroskopie und -Spektrokopie
Optische Nanoanalytik: Nahfeldmikroskopie und -Spektroskopie
Nanoanalytik organischer Systeme: Kryo-Rasterkraftmikroskopie

Halbleiterbauelement-Analytik: Rasterkapazitätsmikroskopie und -Spektrokopie

Verbundpartner:
Infineon Technology AG
Zentrum für Mikrostrukturforschung, Universität Hamburg
Bergische Universität Gesamthochschule Wuppertal
Gerhard-Mercator-Universität Duisburg

Motivation

Seit Jahrzehnten bestätigt die Halbleiterindustrie die erstaunliche Prognose aus dem Jahr 1965 von Intel's Chairman Gordon Moore, die exponentielles Wachstum bzgl. der Komplexität von Integrierten Schaltkreisen (ICs) vorhersagt. Damit verbunden ist eine Verkleinerung der das Halbleiter-Bauelement bestimmenden Strukturgröße (siehe z.B. die Roadmap der SIA). Die in jedem PC eingesetzten Prozessoren (CPU) und Arbeitsspeicher (DRAM) gelten als die Technologietreiber in der Mikroelektronik, die sich auf dem Weg in die Nanoelektronik befindet. D.h., die minimalen Strukturgrößen von CPU und DRAM werden in wenigen Jahren die 100 nm-Grenze durchbrochen haben. Gleichzeitig werden extrem niedrige elektrische Defektdichten von heutzutage 1455 Defekte/m² für eine rentable DRAM-Fabrik benötigt (Investitionskosten von über 2 Milliarden Mark).

Diese Anforderungen führen zu höchsten Ansprüchen hinsichtlich der Fehleranalyse von ICs. Schon heute werden Analysemethoden zur Vermessung zwei-dimensionaler (2D) Dotier-, Strom-, Spannungs- und Temperaturprofile mit einer lateralen Auflösung von unter 100 nm dringend benötigt. Klassische Analyse-Verfahren (z.B. SIMS) können diese Ansprüche nicht erfüllen. Neue Verfahren, die prinzipiell ihr Leistungsvermögen in Forschungslaboratorien schon unter Beweis gestellt haben, sind hingegen noch nicht hinreichend verstanden und weit davon entfernt, in der industriellen Analysepraxis ihre Dienste leisten zu können. Deshalb ist eine schnelle Weiterentwicklung dieser neuen Methoden von Seiten der Fehleranalyse der Halbleiterindustrie von höchstem Interesse, die neben der exzellenten lateralen Auflösung noch eine möglichst schnelle und - für den Operator - einfache Analyse-Prozedur fordert (d.h. keine zeitintensive Probenpräparation, Messen in Umgebungsbedingungen, einfache Interpretation der Messergebnisse). Diese Anforderungen können derzeit nur Rastersondenmethoden (Scanning Probe Microscopy, SPM) leisten.

Zielsetzung

Das Projekt soll Rastersondenmethoden zu einem Standardanalyseverfahren für die Halbleiterindustrie mit einer lateralen Auflösung von unter 100 nm weiterentwickeln. Dazu gehören neben der Grundlagenforschung und der Entwicklung von den entsprechenden Geräten und Präparationsmethoden auch die Bereitstellung einer Möglichkeit zur einfachen Bewertung der Messdaten bzw. Proben. Im einzelnen geht es um die Weiterentwicklung von:

• EFM (Electrostatic Force Microscopy) für die Analyse von Spannungen im GHz-Bereich (Gerhard-Mercator-Universität Duisburg).
• einer neuen Rastersondenmethode für die Messung von Strömen im GHz-Bereich (Gerhard-Mercator-Universität Duisburg).
• SThM (Scanning Thermal Microscopy) für die Detektion von "Hot-Spots" (Bergische Universität Gesamthochschule Wuppertal).
• MFM (Magnetic Force Microscopy) für die Messung von Strömen (Universität Hamburg).
• SCM (Scanning Capacitance Microscopy) für die Vermessung von Dotierungsprofilen (Universität Hamburg).

Methodik

Im folgenden wird anhand der Rasterkapazitätsmikroskopie (SCM) ein Beispiel für die Methodik aller oben erwähnten Rastersondenverfahren gegeben. Das SCM beruht auf der Rasterkraftmikroskopie (Scanning Force Microscopy, SFM), die eine Weiterentwicklung der Rastertunnelmikroskopie (Scanning Tunneling Microscopy, STM) für die Untersuchung von nichtleitenden Oberflächen mit atomarer Auflösung darstellt. Beim SFM wird ein kleiner Balken (typ. 200 µm lang, 30 µm breit), an dessen Ende sich eine scharfe Spitze (typ. 10 nm Spitzenradius) befindet, über eine Oberfläche geführt. Die Auslenkung wird mit Hilfe eines optischen Systems gemessen und über eine Piezokeramik, die die Feinjustierung des Balkens übernimmt, mittels eines Regelkreises konstant gehalten. Dadurch kann mit einer konstanten Kraft zwischen Spitze und Probe von einigen Nano-Newton (nN) gemessen werden, was sogar atomare Auflösung ermöglicht. Das SCM nimmt zusätzlich zur Topografie-Messung der Oberfläche noch die Kapazität simultan auf (siehe Abbildung).

Auf jeder unter Umgebungsbedingungen gelagerten Silizium-Probe befindet sich ein natürliches (natives) Oxid mit einer Dicke von einigen Ångström (je nach Alter und Umgebung). Durch Aufsetzen einer metallisierten Spitze bildet sich also bei kleinen Kräften eine Metal-Oxide-Semiconductor- (MOS-) Struktur. Eine spannungsabhängige Kapazitätsmessung einer MOS-Struktur ermöglicht Aussagen über die Dotierung des unterliegenden Siliziums. Dadurch ist es mit dem SCM möglich, die Dotierung mit einer lateralen Auflösung von kleiner als 100 nm zu bestimmen. Die Abbildung eines elektrostatischen Durchbruchs - welcher als die häufigste Ausfallursache von ICs gilt - ist ebenfalls mit dem SCM möglich. Das durch den großen Strom- bzw. Wärmefluss ausgelöste Wandern von Dotieratomen konnte erstmalig mit dem SCM zweidimensional dargestellt werden.