Semiconductor technology & processing

10 min

“Metrologie is geen kost-factor, maar een ‘profit center’”

De laatste jaren is er heel wat vooruitgang geboekt in het domein van metrologie, en dat is cruciaal om te kunnen blijven innoveren in halfgeleider-technologie. Wilfried Vandervorst, Senior Fellow bij imec en Professor aan de KU Leuven, lijst de belangrijkste trends en hoogtepunten op. 

Scroll

Intro

Metrologie kan je het best omschrijven als een grote verzameling van sub-domeinen, waarbij elk domein gelinkt kan worden aan een specifieke analysetechniek. Denk bijvoorbeeld aan  secondary ion mass spectroscopy (SIMS), een techniek om de samenstelling van een materiaal(oppervlak) te bepalen, met toepassingen naar organische en anorganische structuren. Een ander sub-domein is ‘scanning probes’, een verzameling van vele concepten om onder andere topografie, adhesie, hardheid en chemische eigenschappen te meten, en onze eigen spreading resistance microscopy (SSRM), die gebruikt wordt om het profiel van ladingsdragers in een halfgeleider te bepalen. De laatste jaren hebben heel wat van die technieken een belangrijke evolutie doorgemaakt, en zijn ze voldoende matuur geworden om in te zetten in het onderzoek naar of in de productie van halfgeleidertoepassingen. Belangrijke trends hierbij zijn de lab-to-fab-transitie en de toenemende focus op volume, automatizatie en doorlooptijden.

Orbi-trap SIMS: een revolutionaire verbetering van de massaresolutie

De afgelopen jaren is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in het sub-domein van SIMS. SIMS laat toe om de samenstelling van een materiaaloppervlak te bestuderen door een energetische ionenbundel op een sample te laten inslaan. De secundaire ionen die hierdoor vrijkomen, worden geanalyseerd met behulp van een massaspectrometer. De introductie van een nieuw massaspectrometrie-concept, de Orbi-trap, heeft in 2017 geleid tot een significante verbetering (10-50x) van de massaresolutie (> 250.000), en van de nauwkeurigheid in de massabepaling (< 2ppm). Hierdoor kunnen zelfs zeer complexe moleculen eenduidig geïdentificeerd worden. Oorspronkelijk ontworpen voor toepassingen in biologische en medische studies (single cell proteomics), betekenen deze eigenschappen ook een enorme sprong voorwaarts voor de analyse-precisie en interpretatie van de SIMS-data in de halfgeleidertechnologie. Deze nieuwe techniek zullen we kunnen inzetten voor de analyse van onder andere photoresists, self-assembled monolayers, of om twee elementen van elkaar te onderscheiden die nauwelijks in massa verschillen (zoals arseen en germanium). De techniek is ook uitermate geschikt voor het self-focusing SIMS concept, door imec ontwikkeld voor de analyse van zeer kleine structuren.

Hybride metrologie: 1 + 1 = 3

De voorbije jaren is ‘hybride metrologie’ alsmaar belangrijker geworden. Volgens dit concept worden er verschillende metrologietechnieken ingezet om eenzelfde structuur te meten.

Hierdoor kan complementaire informatie (zoals structuur, functionele eigenschappen) gecorreleerd worden, of kunnen onzekerheden van de individuele technieken worden opgeheven. Een mooi voorbeeld hiervan is de combinatie van transmission electron microscopy (TEM, een imaging techniek) met scanning probes (SPM, functionele analyse). De combinatie van de TEM-informatie (structuur, compositie) met de observatie van functionele eigenschappen op nanometer schaal via SPM (of via SSRM voor ladingsdragers, piezo-force voor ferro-elektrische eigenschappen,...) op eenzelfde structuur is een unieke benadering om een diepgaand inzicht in de werking van nieuwe structuren te genereren. Bij de ontwikkeling van de SPM/TEM ‘hybride’ metrologie heeft imec het voorbije jaar een voortrekkersrol gespeeld, met o.a. ook een bijdrage op de IEDM-conferentie. 

Daarenboven is ons team erin geslaagd een doorbraak te forceren op het vlak van meer accurate 3D-analyse door de ‘atom probe’-methode (APT, atom probe tomography) te combineren met AFM. Om een atom probe-meting te kunnen doen, wordt een sample bereid in de vorm van een zeer scherpe naald of ‘tip’. Vanuit deze tip worden ionen verdampt, opgepikt door een positie-gevoelige detector, en individueel geanalyseerd naar massa. De tip fungeert als een ionen-optische component en creëert een beeldvergroting van > 106x . Het resultaat is een 3D-analyse van het sample met een (theoretische) ruimtelijke resolutie < 0.2nm. In de praktijk is de exacte waarde van de vergroting (resolutie) onbekend, omdat de detailvorm van die tip continu wijzigt en tot voor kort niet in-situ kon bepaald worden. De meeste laboratoria en fabrikanten exploreren de integratie van TEM in een APT-systeem als een dure en complexe oplossing voor dit probleem. Door aan te tonen dat de APT-tip met AFM in beeld kan worden gebracht, heeft imec een veelbelovend, eenvoudiger, goedkoper en meer kwantitatief alternatief gedemonstreerd. De verdere exploratie van dit concept zal aangevuld worden met nieuwe complexe data-algoritmes, die in samenwerking met Vision Lab, een imec onderzoeksgroep aan UAntwerpen, zullen ontwikkeld worden.

Een laatste voorbeeld van het toenemend belang van hybride metrologie, is het project waarin imec als eerste (wereldwijd) een SIMS-instrument gecombineerd heeft met in-situ SPM. Hiermee zullen zowel compositie (SIMS) als functionele eigenschappen (electrical SPM) kunnen bepaald worden. In de toekomst zullen we ons onderzoek onder meer richten op het verkennen en aantonen van de mogelijkheden en meerwaarde van deze benadering. 

Het ‘proben’ van kleine ‘confined’ volumes: een uitdaging voor metrologie

Een andere belangrijke doorbraak is de commercialisering van Fourier Transform-scanning spreading resistance microscopy (FFT-SSRM). Deze nieuwe techniek bouwt verder op SSRM, een analysetechniek die jaren geleden op imec is uitgevonden. SSRM is één van de weinige technieken die toelaat om het profiel van ladingsdragers in een halfgeleider te bepalen. Maar de standaard SRRM-technologie (en onderliggende benaderingen) is niet langer toepasbaar op kleine volumes, zoals FinFETs en nanowires, omdat parasitaire weerstanden het signaal verstoren. Imecs FFT-SSRM-concept overkomt dit probleem en werd in 2017 vertaald in een commercieel product dat reeds bij verscheidene partners van imec geïnstalleerd is. 

De komende jaren zal het analyseren van hele kleine structuren (bvb nanodraden 3 tot 4nm in diameter), van 3D-geometrieën en van zogenaamde ‘confined volumes’ (kleine structuren die ingebed zitten in een complexe omgeving zoals wolfraam of oxide) één van de grote uitdagingen vormen voor metrologie. 

Zelfs hoge-resolutietechnieken zoals TEM vereisen een complexe sample-voorbereiding (zogenaamde lamella, < 10nm) en speciale meetprocedures (TEM-tomografie) om toegang te krijgen tot het gebied dat relevant is (bijvoorbeeld het kanaal onder de metaalpoort in een gate-all-around transistor).  In deze context werken we ook verder aan onze scalpel-AFM-techniek. Hierbij gebruiken we de tip van de AFM-probe ook om op atomaire schaal laagjes weg te snijden en vervolgens opnieuw een lokale functionele meting uit te voeren.

Conceptueel vormt metrologie op nanostructuren een bijzondere uitdaging. Een nanodraad-transistor bijvoorbeeld bevat nog hooguit 500 doperingsatomen. In de source/drain-extensie zijn er dat misschien nog drie. Wat is de statistische relevantie van een meting (het tellen van drie atomen) op zo’n enkelvoudig device? Wat is nog de betekenis van het concept ‘concentratie’ op nanometer-schaal? Om kwantitatieve analyses te kunnen blijven doen, zullen we onder andere nieuwe metrieken moeten invoeren, bijvoorbeeld de gemiddelde afstand tot het volgende atoom. Ook de stochastische variabiliteit van de eigenschappen van de onderzochte structuren (zoals fluctuaties in de dopering) moet mee in rekening gebracht worden. 

Trend: array-gebaseerde metrologie, gevoeligheid en statistische relevantie

Als gevolg van deze statistische limitaties ontwikkelt ‘array’-gebaseerde metrologie zich als een belangrijke trend. In plaats van dure tools (met zeer hoge resolutie) in te zetten om bijvoorbeeld enkelvoudige transistoren (of devices) te meten, gaan we meten op arrays van devices met relatief beperkte resolutie (door ‘brede’ bundels te gebruiken).

Hier is het de onderliggende fysica van de meettechniek die de informatie weet te beperken tot de relevante structuren, en die het signaal van zijn omgeving onderdrukt. Door het simultaan opmeten van vele devices in parallel verbetert de kwaliteit van het meetsignaal en worden statistisch relevante data bekomen. Voor technieken als Raman-spectroscopie, micro-four point probe, RBS (Rutherford backscattering spectroscopie) en SIMS heeft imec oplossingen ontwikkeld die toelaten om effecten zoals CD-variatie, strain en compositie-variaties in array-structuren te meten en te interpreteren.

In de verre toekomst verwacht ik dat metrologie verder in die richting zal evolueren. Een groot aantal technieken die nu volop in ontwikkeling zijn, zoals Orbi-trap SIMS, TEM-tomografie of atom probe/AFM, zullen dan volop ingezet worden in het onderzoek naar en de productie van halfgeleidertoepassingen. Verwacht wordt dat bijvoorbeeld ook TEM en AFM, die vandaag vooral gebruikt worden als analysetechnieken voor enkelvoudige devices, ook naar array-gebaseerde technieken zullen evolueren. Deze analysetechnieken zullen ook meer en meer in-line worden ingezet; inline TEM, inline SIMS, inline XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) zullen dan een commodity zijn.

Metrologie als ‘profit center’

Voor de halfgeleiderindustrie vormt de financiering van al deze ontwikkelingen de keerzijde van de medaille. Enerzijds lopen de kosten hoog op door de toenemende complexiteit van de halfgeleiderontwikkelingen en vraag naar hogere resolutie. Bijvoorbeeld, de resolutie opdrijven van 1nm naar een halve nm is een gigantische stap voor de metrologie-ontwikkelaar. Anderzijds wordt de markt voor metrologie de laatste jaren gekenmerkt door monopolisering. Voor technieken als SIMS, atom probe,... is er bijvoorbeeld telkens maar 1 marktspeler. Door een gebrek aan competitie is de vooruitgang dan ook erg traag en duur.

Metrologie is geen kostfactor, maar een ‘profit center’ voor de industrie. Een aantal jaren geleden publiceerde VLSI Research een studie waaruit bleek dat er voor iedere dollar die in metrologie werd geïnvesteerd, een return was van 10 dollar. Het snel en juist analyseren van halfgeleider-devices versnelt de technologie-ontwikkeling, leidt tot een snellere toename van de yield. Naast geavanceerde apparatuur vormt ook een fundamentele kennis over metrologie een belangrijke hoeksteen voor het verdere succes in technologie-ontwikkeling en hoge-volume productie. Voor een omgeving als imec is het verwerven van fundamenteel inzicht de essentie van de meerwaarde die we leveren aan onze partners. Daarom blijven we investeren in een performante metrologie-groep met sterke wetenschappelijke onderbouw. Ook design voor testability moet de nodige aandacht krijgen. Het voorzien van de test arrays nodig voor het meten van array-structuren en teststructuren die ‘vriendelijk’ zijn voor de metrologie zijn cruciaal om optimale resultaten te behalen.

Biografie Wilfried Vandervorst

Wilfried Vandervorst behaalde een Master of Science (electronic engineering) aan de KU Leuven in 1977, en een doctoraat in de Toegepaste Fysica aan dezelfde universiteit in 1983. In 1983-1984 werkte hij als consultant in het domein van materiaal-karakterisatie bij Bell Northern Research, Ottawa, Canada. In 1984 begon hij bij imec te werken, waar hij Directeur werd van het departement materiaal-karakterisatie. In 1990 werd hij ook Professor aan de KU Leuven (departement fysica) waar hij een cursus geeft over materiaal-karakterisatie en doctoraatstudenten begeleidt. Na internationaal peer review werd hij in 2001 verkozen tot imec Fellow voor zijn buitengewone wetenschappelijke bijdragen aan de halfgeleider-metrologie. In 2013 werd hij Senior imec Fellow. Hij richt zich vooral op het geavanceerd onderzoek naar metrologie en materialen (materiaalinteracties) voor halfgeleidertechnologie. Hij is mede-auteur van meer dan 600 papers in peer-reviewed journals, gaf meer dan 150 presentaties op uitnodiging en is mede-uitvinder van meer dan 60 patenten. 

Deze website maakt gebruik van cookies met als enige doel het analyseren van surfgedrag, zonder enige commerciële insteek. Lees er hier meer over. Lees ook ons privacy statement. Sommige inhoud (video's, iframes, formulieren,...) op deze website zal pas zichtbaar zijn na het accepteren van de cookies.

Accepteer cookies