Trzy rozwiązania metrologiczne na potrzeby charakteryzacji 3D w nanoskali
Zasada określana mianem „prawa Moore’a” stanowi, że liczba tranzystorów zawartych w układach scalonych ulega podwojeniu w przybliżeniu co dwa lata. Wzrost liczby tranzystorów w tym tempie skutkuje zwiększoną funkcjonalnością obwodów, zmniejszeniem zapotrzebowania na energię oraz, co najważniejsze, obniżeniem kosztów. Jednak w przemyśle produkcji układów półprzewodnikowych, rozwój materiałów i procesów, a także wydajność i kontrola produkcji zależą w dużym stopniu od dokładnych rozwiązań metrologicznych pozwalających na optymalizację osiągów i maksymalną redukcję problemów. W ramach finansowanego przez Unię Europejską projektu METRO4-3D przeprowadzono badania skuteczności trzech narzędzi metrologicznych wykorzystywanych do badania szeregu aspektów układów półprzewodnikowych. Ocena różnych technologii W dzisiejszych czasach badania metrologiczne muszą coraz częściej być przeprowadzane na urządzeniach w nanoskali. Celem projektu METRO4-3D było badanie technologii obejmujących różne dziedziny metrologii, takie jak charakterystyka materiałowa (chemiczna), elektryczna oraz analiza defektów, wykorzystujące analizy 3D. W tym celu w ramach projektu wykorzystano trzy narzędzia oceny. W pierwszej kolejności został wykorzystany spektrometr masy jonów wtórnych wykorzystujący pomiar czasu przemieszczania światła z wbudowanym mikroskopem z sondą skanującą, który profiluje (w prawdziwym 3D) skład materiałów i przeprowadza analizę defektów. Ponadto badacze wykorzystali także narzędzie microHALL – zautomatyzowane rozwiązanie do pomiaru rezystancji powłoki, wykorzystane w celu badania właściwości elektrycznych. Trzecim wykorzystanym rozwiązaniem był mikroskop akustyczny PVA-TePla, działający w zakresie częstotliwości do 2 GHz, zastosowany w celu badania wad takich jak pęknięcia lub rozwarstwienia w cienkich warstwach układów scalonych. Ocena technik rozpoczęła się od określenia podstawowych cech tych narzędzi przy wykorzystaniu próbek referencyjnych, które miało miejsce przed rozpoczęciem badania układów o coraz większej złożoności w celu ustalenia granic możliwości badanych narzędzi. „Przed rozpoczęciem realizacji projektu METRO4-3D istniały wprawdzie podstawy teoretyczne dotyczące wykorzystania tych rozwiązań w metrologii, a także zostały przeprowadzone próby laboratoryjne, jednak nadal konieczne było sprawdzenie przydatności tych urządzeń w przemyśle wytwarzania układów półprzewodnikowych”, twierdzi koordynator projektu dr Thierry Conard. Projekt przyniósł szereg ważnych i interesujących wniosków. Jednym z przykładów jest wykorzystanie rozwiązania microHALL do badania charakterystyki elektrycznej pojedynczego „grzebienia” – trójwymiarowej struktury, na której opierają się nowoczesne tranzystory – o wymiarach wynoszących nawet 20 nanometrów. Wynik ten był niespodzianką dla badaczy z racji tego, że wymiary te są mniejsze od wykorzystywanych sond. Badania z wykorzystaniem spektrometru masy jonów wtórnych dokonującego pomiaru czasu przemieszczania światła, połączonego z mikroskopem z sondą skanującą pozwolił na profilowanie trójwymiarowe o wysokiej jakości elementów o wymiarach wynoszących do 500 nanometrów, a także poprawę stanu wiedzy na temat profilowania głębokości struktur do poziomu 20 nanometrów. Wykorzystanie akustycznego mikroskopu pracującego w paśmie gigahercowym pozwoliło na niedestruktywne badanie wiązań hybrydowych z rozdzielczością do 1 mikrometra i granicą wykrywalności na poziomie kilkuset mikronów. „Zebrane dzięki tym narzędziom informacje i dane na temat aspektów elektrycznych, chemicznych i strukturalnych badanych układów pozwalają nam dużo lepiej zrozumieć zależność między nimi”, twierdzi dr Conard. „Co więcej, z racji tego, że wykorzystane w ramach projektu technologie stanowią standardowe rozwiązania, można je wykorzystać do badania wielu urządzeń i systemów, nie tylko półprzewodników. Należy jednak zauważyć, że niektóre protokoły są dostosowane do poszczególnych układów i urządzeń”. Więcej niż suma elementów składowych Dzięki zapewnieniu lepszego wglądu w zaawansowane technologie procesowe oraz rozwojowi innowacyjnych narzędzi pozwalających na wykrywanie wad i defektów, projekt METRO4-3D pomaga ograniczać koszty produkcji półprzewodników, marnotrawstwo zasobów i czas wprowadzenia na rynek nowych produktów. „Półprzewodniki odgrywają niezwykle ważną rolę w wielu obszarach życia, między innymi dlatego, że stanowią główny składnik urządzeń wykorzystywanych przez nas każdego dnia, takich jak telefony komórkowe. Poza tym stanowią nieodzowny element wielu dziedzin nauki, między innymi nauk przyrodniczych. Wyniki naszego projektu przełożą się na możliwość zastosowania opracowanych rozwiązań w wielu domenach”, twierdzi dr Conard. Jako że wszystkie urządzenia badawcze wykorzystane w ramach projektu są obecnie dostępne na rynku, w przyszłości zespół zamierza zająć się maksymalizacją korzyści wynikających z połączenia kilku technologii metrologicznych oraz stałym ulepszaniem protokołów pomiarowych.
Słowa kluczowe
METRO4-3D, półprzewodnik, elektronika, tranzystor, obwody, metrologia, spektrometria, sondy, nanoskala, czujniki, telefony komórkowe
