Neue Methode für die Analytik von Nanometer dünnen Siliziumoxid-Schichten in Halbleiterbauelementen

Das Problem: Konventionelle Analysenmethoden nicht mehr ausreichend

Im Zuge der Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen werden immer kleinere Strukturen und dünnere Schichten notwendig, so z.B. können die Gate-Oxid Schichten, die in Transistoren den Dotierungsbereich im Siliziumwafer vom Polysilizium trennen, bei neuesten Entwicklungen bereits dünner als ein Nanometer sein (1 Nanometer ist ein Millionstel Millimeter). Aufgrund einer aktuellen Kooperation mit austriamicrosystems konnten im Sonderforschungsbereich „Elektroaktive Stoffe“ der Grazer Universitäten Wissenschafter des Forschungsinstitutes für Elektronenmikroskopie der TU Graz ein leistungsfähiges Verfahren für die Untersuchung dieser Nanometer dünnen Schichten entwickeln.

Neuartige Charakterisierungsmethode

Für die mikroskopische Charakterisierung von dünnen Oxidschichten in Halbleitern wurde bisher vor allem die Hochauflösungselektronenmikroskopie eingesetzt, die aber in der Praxis Schwierigkeiten bereitet, da der Kontrast in den Bildern oft unzureichend ist. Als alternative Analysenmethode kann die Elektronenenergieverlustspektrometrie herangezogen werden, denn die hochenergetischen Elektronen erleiden bei der Wechselwirkung mit der Probe charakteristische Energieverluste, was für die Detektion dieser dünnen Schichten eingesetzt werden kann. Grazer Forscher schlugen nun erstmals vor sogenannte „Niederenergie“-Verlustelektronen zu verwenden, die bisher nicht für die Charakterisierung dieser Nanostrukturen eingesetzt wurden, da dies aufgrund der Vorhersagen anderer Forscher als nicht zielführend erachtet wurde. Denn unter diesen experimentellen Bedingungen sollte die Auflösung in Bildern, die mit Niederenergie-Verlustelektronen aufgenommen werden, für die Abbildung der dünnen Schichten nicht ausreichend sein.

„Seeing the invisible“

Mit dem neuen Verfahren kann der Verlauf von extrem dünnen Oxidschichten in Halbleiterbauelementen sichtbar gemacht werden und die Schichten können entgegen den Vorhersagen mit hoher Ortsauflösung, wesentlich verkürzter Messzeit und mit exzellenter Qualität abgebildet werden. Damit nützen die Grazer aus, dass nur ein geringer Teil der Elektronen die Bildinformation verschmiert, was in der Praxis kaum stört. Für diese Arbeiten wird das leistungsstärkste Elektronenmikroskop Österreichs, das an der TU Graz installiert ist, eingesetzt.

Einsatz in der Praxis

Das neue Verfahren wird bereits für die Charakterisierung von Halbleiterbauelementen von austriamicrosystems eingesetzt und ermöglicht Aussagen über den Aufbau dieser extrem dünnen Oxidschichten, die vorher nicht in dieser Qualität und Aussagekraft zur Verfügung standen. Da Grenzflächenphänomene die Eigenschaften von modernen nanostrukturierten Werkstoffen generell stark beeinflussen, wird die neue Methode auch für andere Bauelemente von Bedeutung sein: So wird die Methode derzeit für die Charakterisierung von „Light-emitting devices“ (LEDs) adaptiert. Weitere Anwendungen bei verschleißhemmenden Schichten sind in Vorbereitung.

Über austriamicrosystems

Die austriamicrosystems AG mit Hauptsitz in Unterpremstätten bei Graz gehört zu den weltweit führenden Entwicklern und Produzenten von anwendungs- und applikationsspezifischen Mikrochips, die speziell auf individuelle Kundenwünsche angepasst werden. Das Unternehmen ist in die vier strategischen Geschäftsfeldern Automotive, Communications, Industry & Medical und Full Service Foundry aufgegliedert und beschäftigt derzeit an 14 internationalen Standorten mehr als 800 Mitarbeiter.

Fachkontakt:

Dipl. Ing. Dr. Gerald Meinhardt
R&D-Process Engineer
austriamicrosystems AG
E-mail:gerald.meinhardt@austriamicrosystems.com

Ao.Univ.-Prof. Dr. Ferdinand Hofer
Forschungsinstitut für Elektronenmikroskopie
Technische Universität Graz
E-mail:Ferdinand.hofer@austriamicrosystems.com