Prakt. Met. Sonderband 47 (2015) 13
Herausforderungen an die Elektronen- und Ionenmikroskopie bei
der Charakterisierung modernster Halbleiterchips
Hans-Jürgen Engelmann, Eckhard Langer, Moritz-Andreas Meyer, Pavel Potapov, Dirk
Utess, Kornelia Dittmar, Christoph Klein
GLOBALFOUNDRIES Dresden, Module One, LLC & Co. KG
1. Einleitung
Der Trend zu immer kleineren Strukturen in Halbleiterchips setzt sich ungebrochen fort.
Modernste Halbleiterchips werden gegenwärtig in der 14nm-Technologie gefertigt. Die
Angabe des Technologie-Knotens (hier 14 nm) bezieht sich dabei auf das kleinste
Konstruktionsmaß der Chip-Designer. Parallel dazu kommt es in der CMOS-Technologie
(Complementary Metal Oxide Semiconductors) zu einem Übergang von planaren zu drei-
dimensionalen Transistor-Strukturen. Während man bei den planaren Transistoren zwischen
dem Gate-First- und Gate-Last (Replacement Gate)-Approach unterscheidet, haben sich bei
den dreidimensionalen Transistoren die FinFETs durchgesetzt. Um das bei immer kleineren
Transistorstrukturen größer werdende Leckstrom-Problem zu minimieren und gleichzeitig
eine hohe Schaltgeschwindigkeit der Transistoren zu erzielen, werden Gate-Dielektrika mit
höherer Dielektrizitätszahl eingesetzt.
Die Verdrahtung der Transistoren muss mit deren Miniaturisierung Schritt halten. Längst
haben wegen der verringerten Leitbahnquerschnitte Cu-Leitbahnen die früher üblichen Al-
Leitbahnen verdrängt. Um das Ausdiffundieren von Cu in das umgebende Isolationsmaterial
bzw. in aktive Transistorbereiche zu verhindern, werden ultradünne Barrieren gebraucht. Die
bei kleineren Strukturabmessungen größer werdende Dämpfung der elektrischen Signale wird
minimiert, indem zwischen den Cu-Leitbahnen nicht mehr SiO, sondern ein Material mit
deutlich verringerter Dielektrizitdtszahl eingesetzt wird.
Sowohl die Miniaturisierung der genannten Strukturen als auch der Einsatz neuer Materialien
stellt die Mikroskopie vor große Herausforderungen. Schichten, die aus wenigen Atomlagen
bestehen, müssen genauso abgebildet und analysiert werden können, wie dreidimensionale
Gebilde im nm-Bereich. Dazu kommt, dass manche Materialien sehr empfindlich auf
Elektronen- bzw. Ionenbeschuss reagieren und sich dabei verändern.
Im weiteren Verlauf soll nun gezeigt werden, vor welchen Herausforderungen abbildende
und analytische Methoden einschließlich der Probenpräparation stehen. Die gewählten
Beispiele stammen aus den Bereichen Rasterelektronenmikroskopie (SEM), Focused Ion
Beam Technik (FIB), Transmissionselektronenmikroskopie (TEM), Low Energy Ion
Scattering Spectroscopy (LEIS) und Atomsondentomographie (3D AtomProbe).
