Semiconductor technology & processing

5 min

Paul van der Heide over metrologie van transistoren

“Op lange termijn zal de industrie nieuwe benaderingen moeten vinden voor metrologie; een mogelijk scenario zijn MEMS-gebaseerde analytische componentjes” 

Scroll

Paul van der Heide, Director Materials and Components Analysis bij imec

Om te blijven voldoen aan de Wet van Moore gaat de halfgeleiderindustrie tot het uiterste om nieuwe transistorarchitecturen te ontwikkelen. Vaak worden daarbij ook nieuwe materialen ingezet. Dat vraagt op zijn beurt om nieuwe analyse-mogelijkheden, zowel voor materiaal-karakterisatie als voor in-line metrologie. Behalve voor basisonderzoek, worden deze analysetechnieken ingezet bij de kritische stappen van de halfgeleider-fabricage. Daar meten ze, bijvoorbeeld, de dikte en samenstelling van een dunne film, het doperingsprofiel van het source/drain-gebied van een transistor, of de aard van defecten aan het oppervlak van een wafer. Deze benadering wordt gebruikt om de “time to data” te verminderen. We kunnen immers niet wachten tot na de volledige fabricage om te weten of een chip al dan niet werkt. Elke processtap kost geld, en het duurt maanden om een volledig functionele chip te maken.

Nieuwe analysetechnieken worden werkelijkheid

Recente vooruitgang in instrumentatie en rekenkracht hebben de weg gebaand naar heel wat nieuwe, interessante analysemogelijkheden.

Een voorbeeld is de ontwikkeling van coherente bronnen. Coherente fotonen-bronnen worden al ingezet om de atomaire en elektronische structuur van materialen te achterhalen, maar dat kon tot nog toe alleen maar in grote, specifieke faciliteiten voor synchrotron-straling. Nieuwe ontwikkelingen maakten nu ook ‘table-top’ coherente fotonen-bronnen mogelijk, die weldra ook ingang zullen vinden in de lab-/fab-omgeving voor halfgeleiderontwikkelingen.

De toegenomen rekenkracht die nu binnen handbereik ligt, laat ons ook toe om deze bronnen optimaal te benutten – door beeldverwerkingstechnieken zoals ptychografie in te zetten. Met ptychografie kunnen we de complexe patronen, die volgen uit de interactie van coherente elektronen- of fotonen-bronnen met een sample, verwerken tot herkenbare beelden. En dit alles met een resolutie die de golflengte van de uitgestuurde golven benadert, zonder dat hiervoor lenzen nodig zijn (lenzen hebben immers de neiging om afwijkingen te introduceren). Deze technieken kunnen we inzetten in heel wat toepassingsdomeinen, gaande van niet-destructieve beeldvorming van oppervlakte- en sub-oppervlaktestructuren, tot het monitoren van chemische reacties in een tijdschaal van sub-femto-seconden. 

Vandaag vinden ook heel wat nieuwe ontwikkelingen plaats op het gebied van detectoren. En daar kunnen heel wat analyse-technieken die we vandaag gebruiken, hun voordeel uit halen. Zo kunnen we nu met technieken zoals transmission electron microscopy (TEM) en scanning transmission electron microscopy (STEM) beelden maken van zowel zware als lichte elementen, en dit met atomaire resolutie. Wanneer we deze evolutie combineren met de alsmaar toenemende rekenkracht, dan kunnen we daarmee ook andere beeldvormingstechnieken zoals tomografie, holografie, ptychografie, differentieel fase-contrast beeldvorming,... verder ontwikkelen. Uiteindelijk zullen we met TEM/STEM in veel meer detail kunnen kijken naar atomen in bijvoorbeeld 2D-materialen (zoals MoS2). Maar het opent ook mogelijkheden om elektrische velden en magnetische domeinen met ongeziene resolutie in kaart te brengen. 

Oplossingen die iets betekenen

De halfgeleiderindustrie evolueert razendsnel. Sinds het begin van de 21ste eeuw zagen we heel wat disruptieve technologieën opkomen; technologieën die worden ingezet in een alsmaar meer gefragmenteerde wereld van toepassingen. Het gaat niet langer alleen maar over de centrale verwerkingseenheid. Er worden heel wat andere toepassingen nagestreefd, zoals het internet der dingen, autonome voertuigen, draagbare interfaces tussen mens en elektronica, enz, en elk van deze toepassingen heeft unieke vereisten en analytische noden. In dit boeiende halfgeleiderlandschap staan wij voor de gigantische uitdaging om de juiste ondersteunende infrastructuur te ontwikkelen, met de juiste voorzieningen op het gebied van analyse. Een infrastructuur waar ook de juiste mensen op de juiste plaats zijn, en waar betekenisvolle oplossingen worden ontwikkeld die een waardevolle impact hebben. We kunnen letterlijk alles analyseren, maar we moeten ons steeds de vraag stellen: wat is belangrijk? Analyse is immers erg kostelijk.   

Voor ik bij imec begon te werken, bekleedde ik gelijkaardige posities bij enkele van de grote chip-fabrikanten. Aangezien de mensen daar niet altijd de tijd hebben om alle mogelijke interessedomeinen te verkennen (en zo zijn er heel wat), werken ze samen met instellingen zoals imec.

Voorbij de huidige analytische mogelijkheden

Binnen tien tot vijftien jaar zullen we een heel verschillend landschap zien. Ik ben er zeker van dat bestaande technieken zoals TEM/STEM nog vaak gebruikt zullen worden – misschien meer dan we vandaag beseffen (we zien TEM/STEM al opduiken in de fab). Maar we zullen ook ontwikkelingen zien die de grenzen verleggen van wat mogelijk is. Dat zal gaan van een toenemend gebruik van hybride metrologie (waarbij de resultaten van verschillende analysetechnieken en processtappen gecombineerd worden), tot de ontwikkeling van nieuwe innovatieve benaderingen.

Om dat laatste te illustreren, neem ik het voorbeeld van secondary ion mass spectrometry (SIMS). Bij de techniek van SIMS valt een energetische ionenbundel in op een sample, waardoor atomen die dicht bij het oppervlak zitten, het oppervlak verlaten. Een klein percentage daarvan wordt geïoniseerd en gaat doorheen een massaspectrometer, die de ionen van elkaar scheidt volgens hun verhouding van massa-over-lading. Wanneer dit gebeurt in de dynamische SIMS-mode, kan een diepteprofiel van de samenstelling van het sample worden bepaald. Vandaag kunnen we met deze techniek de inkomende energetische ionenbundel niet richten op een zogenaamd ‘confined volume’, bijvoorbeeld op een stip die de grootte heeft van een transistor. Maar bij imec werden nieuwe concepten ingevoerd die geleid hebben tot zogenaamde 1,5D SIMS en self-focusing SIMS (SF-SIMS). Deze benaderingen zijn gebaseerd op de detectie van elementen die zich in herhaalde array-structuren bevinden, waardoor gemiddelde en statistisch significante informatie wordt bekomen. Op deze manier kon de ruimtelijke limiet van SIMS overwonnen worden.

Daarnaast zijn er bij imec andere interessante ontwikkelingen gaande, bijvoorbeeld in de domeinen van atom probe tomography (APT), photoelectron spectroscopy (PES), Raman spectroscopy, Rutherford back scattering (RBS), scanning probe microscopy (SPM), enz. Een belangrijke mijlpaal was de ontwikkeling van Fast Fourier Transform-SSRM (FFT-SSRM) bij imec. Hiermee kunnen we met ongeëvenaarde gevoeligheid de ladingsverdeling in FinFETs meten. 

Imec heeft deze techniek ook vertaald naar een commercieel product, en geïnstalleerd bij verschillende partners. Het imec-team dat hiervoor in 2017 verantwoordelijk was, heeft daarvoor van één partner zelfs een award gekregen.

Nieuwe analytische benaderingen?

De komende tien tot vijftien jaar vormt het kostenplaatje misschien wel de grootste uitdaging voor materiaal-karakterisatie en in-line metrologie. Die uitdaging dwingt ons om naar nieuwe benaderingen te zoeken. Vandaag maken we gebruik van erg gespecialiseerde technieken ontwikkeld op exclusieve en dure platformen. Maar waarom zouden we geen gebruik maken van micro-elektro-mechanische systemen (MEMS) die gelijktijdig verschillende analyses in parallel kunnen uitvoeren, misschien zelfs in situ? We zouden ons scenario’s kunnen inbeelden waarbij een heel ‘leger’ van deze componentjes een ganse wafer scant in een fractie van de tijd die daar nu voor nodig is. Of we kunnen, als alternatief, deze componentjes in specifieke gebieden voor wafer-test-structuren incorporeren. We zouden deze MEMS-gebaseerde componentjes zelfs herbruikbaar of wegwerp-baar kunnen maken. Dat zou een revolutionaire doorbraak kunnen betekenen. Het is natuurlijk een gigantische uitdaging, maar als we dat kunnen waarmaken, dan zou dat een significante impact hebben op de halfgeleiderindustrie. 

Biografie Paul van der Heide

Paul van der Heide is Directeur van Materials and Component Analysis (MCA) bij imec in Leuven, België. MCA richt zich op a) het ondersteunen van de noden van imec’s O&O-groepen op het gebied van materiaal-karakterisatie, en b) het verkennen, ontwikkelen en implementeren van geavanceerde karakterisatie-mogelijkheden voor de micro-elektronika-industrie van morgen. Voor hij bij imec kwam werken, bekleedde Paul posities bij GLOBALFOUNDRIES, Malta, NY (waar hij de analyselabs begeleidde bij hun end-to-end ondersteuning (chemisch, fysisch en elektrisch) van CMOS-fabricage en -O&O), Samsung, Austin, TX (waar hij instond voor de installatie en het managen van het oppervlakte-analyselab ter ondersteuning van hoge-volume CMOS fabricage), en de University of Houston (waar hij op ‘graduate’ en ‘undergraduate’ niveau les gaf in fysische scheikunde en oppervlakte-analyse, en ook manager was van de MRSEC SIMS-XPS faciliteit). Paul behaalde een doctoraat in de fysische scheikunde aan de University of Auckland, Nieuw-Zeeland, is auteur van ~100 publicaties in internationale journals (peer reviewed), is auteur van twee boeken, gaf verschillende lezingen op uitnodiging, en was chairman/co-chairman en/of lid van comités van heel wat internationale wetenschappelijke conferenties en symposia. 

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