Tres soluciones de metrología para caracterizaciones tridimensionales a nanoescala
Según la ley de Moore, el número de transistores en un circuito integrado se duplica aproximadamente cada dos años. Esta tasa de crecimiento conlleva un aumento de la funcionalidad de los circuitos, una reducción de la potencia operativa necesaria y, lo que es más importante, una reducción de los costes. Pero en la industria de los semiconductores, el desarrollo de materiales y procesos, junto con la productividad y el control de la producción, dependen de una metrología precisa a fin de optimizar el rendimiento y minimizar los problemas. El proyecto financiado con fondos europeos METRO4-3D evaluó la efectividad de tres herramientas de metrología para investigar el procesamiento inicial y final de una variedad de semiconductores. Evaluación de diferentes tecnologías La metrología depende cada vez más de dispositivos a nanoescala. METRO4-3D se propuso investigar tecnologías en las diferentes áreas de la metrología, a saber: caracterización de materiales (química), caracterización eléctrica y caracterización de defectos mediante el empleo de análisis en tres dimensiones (3D). Para tal fin, el proyecto adoptó tres herramientas de evaluación. En primer lugar, empleó un espectrómetro de masas de iones secundarios de tiempo de vuelo (ToF-SIMS, por sus siglas in inglés) con un microscopio de sonda de barrido (SPM, por sus siglas en inglés) integrado que perfila (en 3D real) la composición de los materiales y realiza un análisis de fallos. En segundo lugar, empleó un microHALL (una herramienta automatizada para medir la resistencia laminar), a través del muestreo de las propiedades eléctricas. Y, en tercer lugar, empleó un microscopio acústico que funciona en un rango de frecuencias de hasta 2 Gigaherzios PVA TePla para investigar defectos como grietas o delaminación en las capas ultra finas de los circuitos integrados. La evaluación de las técnicas comenzó con la calificación de las características básicas de estas herramientas, mediante el empleo de muestras de referencia, antes de investigar dispositivos de creciente complejidad para establecer el rendimiento final de las herramientas. El doctor Thierry Conard, coordinador del proyecto, comenta: «Tanto la teoría metrológica básica como la validación en el laboratorio estaban ya definidas para cada una de estas herramientas antes de METRO4-3D. Sin embargo, su aplicabilidad aún tenía que ser evaluada en la industria de los semiconductores». Varios de los resultados del proyecto son dignos de mención. Por ejemplo, en lo que respecta al trabajo con el microHALL, el equipo logró utilizar el sistema para medir las características eléctricas de una sola rebaba de laminación (estructuras 3D en las que se basan los transistores modernos) hasta un tamaño de 20 nanómetros. Este resultado fue sorprendente, ya que estas dimensiones son inferiores al tamaño de las sondas. El trabajo con el TOFSIMS-SPM demostró la alta calidad del perfilado 3D de rebabas de laminación con un tamaño de 500 nanómetros y una mejor comprensión del perfilado de profundidad de las estructuras hasta un tamaño de 20 nanómetros. El microscopio acústico de GHz permitió la examinación no destructiva de enlaces híbridos con una resolución de hasta un micrómetro y un límite de detección de hasta unos pocos cientos de micrones. El doctor Conard comenta: «Gracias a estas herramientas, la combinación de información eléctrica, química y estructural recopilada en los propios dispositivos permite comprender mejor su relación. Además, como las técnicas son genéricas, pueden emplearse en una gran variedad de dispositivos y sistemas, no solo en los semiconductores. Con todo, algunos protocolos siguen siendo específicos del dispositivo». Más que la suma de sus partes METRO4-3D ayuda a reducir los costes de fabricación de semiconductores, el despilfarro de recursos y el tiempo de comercialización de nuevos productos al proporcionar información sobre tecnologías de los procesos avanzadas y desarrollar herramientas innovadoras de detección de fallos. El doctor Conard comenta: «La tecnología de semiconductores no solo es útil en dispositivos que utilizamos a diario, como los teléfonos móviles, sino que también desempeña un papel relevante en la tecnología de las ciencias de la vida y en muchos otros ámbitos. Este proyecto aportará una amplia gama de aplicaciones». Una vez ya comercializados los tres instrumentos, la investigación futura del equipo se centrará en la maximización de los beneficios que ofrezca la combinación de varias técnicas de metrología y en la mejora continua de los protocolos de medición.
Palabras clave
METRO4-3D, semiconductor, componentes electrónicos, transistores, circuitos, metrología, espectrometría, sondas, nanoescala, sensores, teléfonos móviles
