Neue Perspektiven für die IC-Miniaturisierung

Das Projekt STREAM (Stress Minimisation and Application to Memories) beschäftigt sich mit einem der größten Probleme für die künftigen integrierten Schaltungen (Integrated Circuits, ICs) mit Strukturen im tiefen Submikronbereich. Mit Hilfe einer spezialisierten Technik – nämlich der konvergenten Strahldiffraktionstechnik (CBED) in der Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) gelang es den Projektteilnehmern, die mechanischen Beanspruchungen in den Griff zu bekommen, zu denen es in den einzelnen Schichten und im Substrat dieser Halbleiterbauelemente während der Verarbeitung kommt.

Die Entwicklung der integrierten Schaltungen hatte durchschlagende Auswirkungen auf verschiedene Anwendungsgebiete, auf denen die hohe Geschwindigkeit der elektronischen Bauelemente mit Strukturen in der Größenordnung Nanometer eine wichtige Rolle spielt, beispielsweise in der medizinischen, biologischen und chemischen Analyse, aber auch in der Telekommunikation. Die weitere Miniaturisierung von ICs wird allerdings durch mechanische Beanspruchungen begrenzt, die sich während der Verarbeitung in den einzelnen Schichten und im Substrat dieser Halbleiterbauelemente aufbauen und deren Leistungsfähigkeit und Zuverlässigkeit ernsthaft gefährden. Solche Spannung sollten daher ständig kontrolliert werden, und es sollten Maßnahmen ergriffen werden, sie so gering wie möglich zu halten. Gelingt dies nicht, so können Beanspruchungen der Gitterstruktur schnell die kritische Größenordnung überschreiten, oberhalb derer es zur Bildung von Versetzungen kommt, die eine erhebliche Verschlechterung der Bauelementeleistungen nach sich ziehen.

Die Transmissionselektronenmikroskopie (TEM) spielt eine Schlüsselrolle in der industriellen Mikroelektronik. Sie ist ein wirksames Hilfsmittel für eine gründliche Forschung, Entwicklung und Produktion, wenn morphologische oder analytische Analysehilfsmittel wegen der immer kleiner werdenden Strukturen immer weniger effektiv werden. Die erwartete Verbreitung der TEM in der Halbleiterindustrie wird auch den Anwendungsbereich der verschiedenen analytischen Möglichkeiten dieses Instruments erweitern. Die Technik der konvergenten Strahldiffraktionstechnik (Convergent Beam Electron Diffraction, CBED) erlaubt eine quantitative Untersuchung der mechanischen Beanspruchung von Kristallgitterstrukturen.

Diese Anwendung kam allerdings bislang nur begrenzt zum Einsatz, da das zum Extrahieren des lokalen Beanspruchungstensors aus dem TEM/CBED-Muster notwendige Verfahren viel Handarbeit und damit lange Analysezeiten erfordert. Im STREAM-Projekt wurde ein Softwarepaket entwickelt, das die Beugungsmuster digital erfasst und den Beanspruchungstensor in den zugehörigen Nano-Regionen der Struktur liefert. Das Softwarepaket verfügt über eine integrierte Routine „CBED Pattern-to-Strain Value“, die das Verfahren zum Messen der Beanspruchungen sehr beschleunigt. So verkürzt sich eine Untersuchung von bisher mehreren Tagen mindestens auf einen Zeitaufwand im Stundenbereich, was den in der Industrie üblichen Reaktionszeiten schon erheblich näher kommt.

Die routinemäßige Anwendung des TEM/CBED-Verfahrens zur Analyse mechanischer Beanspruchungen wird die Optimierung der Halbleiter-Fertigungsprozesse ermöglichen – und damit die Ausfallraten der Bauelemente aufgrund von entstehenden Gitterfehlern senken. Diese Senkung der Ausfallhäufigkeit hat nicht nur wirtschaftliche Vorteile, sondern senkt auch die Ausschussmengen und trägt somit direkt zum Schutz der Umwelt bei.

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Tobias, Schilling (Dr)
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