Analyse von Chips auf atomarer Ebene

GF-Labore nutzen die neuesten Technologien, um das fast Unsichtbare zu sehen

von Gary Dagastine

"Die Herstellung von Halbleitern ist keine Raketenwissenschaft - sie ist viel schwieriger", lautet ein gängiger Scherz in vielen Halbleiterfabriken. Auch wenn Raketenwissenschaftler anderer Meinung sein mögen, so steht doch außer Frage, dass die Entwicklung und Herstellung der heutigen wichtigen Chips viele unglaublich schwierige technische Herausforderungen mit sich bringt.

Schließlich handelt es sich um kleine Siliziumstücke, die Millionen oder Milliarden von Transistoren enthalten können. Sie bestehen aus 40, 60 oder mehr Schichten von Materialien mit einzigartigen elektrischen Eigenschaften und mit Merkmalen, die sich den Abmessungen von DNA-Molekülen nähern - nur wenige Nanometer. Die Transistoren sind auf immer kompliziertere Weise miteinander verbunden, so dass die gesamte Verdrahtung eines fingernagelgroßen Chips aneinandergereiht eine Länge von Metern ergeben würde.

Aber wie können wir wissen, was in einem so komplexen System tatsächlich vor sich geht? Wie können wir erfahren, ob es Konstruktionsprobleme, elektrische Fehler, thermische Effekte oder andere Überraschungen gibt, die sich auf die Leistung auswirken werden? Und wie können wir sicherstellen, dass der Herstellungsprozess so effizient wie möglich ist?

Die Antworten lassen sich mithilfe einer breiten Palette an Charakterisierungstechniken in unseren weltweiten Analyselabors ermitteln. GlobalFoundries (GF) verfügt über einige der führenden technischen Experten auf diesem Gebiet sowie über eines der branchenweit am besten ausgestatteten Labors, das mit modernsten Elektronenmikroskopen und anderen Werkzeugen ausgestattet ist, die für die Untersuchung und Bewertung dieser winzigen und unglaublich komplexen Bauelemente erforderlich sind.

Die eigene C.S.I.-Einheit von GF

"Wir sind die C.S.I.-Einheit bei GlobalFoundries", sagt Julie Lee, Leiterin der globalen analytischen Labors am Hauptsitz und der Produktionsstätte von GF in Malta, New York. "Wir sammeln physikalische Daten von einem Chip während des Herstellungsprozesses, untersuchen ihn bis ins kleinste Detail, um zu sehen, wie seine Leistung verbessert werden kann, und empfehlen der Fabrik, wie diese Verbesserungen umgesetzt werden können.

Das Labor, das Lee leitet, ist die neueste Einrichtung des Unternehmens für physikalische, materielle, elektrische, optische und Verpackungsanalysen. Es ist Teil einer globalen Organisation von Analyselabors mit Niederlassungen in den USA, Singapur und Deutschland, in denen mehr als 250 Ingenieure und Techniker mit einem breiten Spektrum an Fachwissen arbeiten, die die Fab rund um die Uhr unterstützen.

Neben anderen fortschrittlichen Instrumenten verfügt es über hochmoderne Transmissionselektronenmikroskope (TEMs), die Objekte bis zu 2 Millionen Mal vergrößern können. Diese Fähigkeit ermöglicht die Visualisierung auf atomarer Ebene, so dass zum Beispiel die "Dotierung" von Silizium (d. h. die Verunreinigungen, die ihm zur Veränderung seiner elektrischen Eigenschaften zugesetzt werden) sichtbar gemacht und bewertet werden kann. TEMs ermöglichen auch die Analyse von Fehlern, die nicht direkt sichtbar sind, wie z. B. elektrische Defekte.

Mit der Verkleinerung der Halbleiterdimensionen haben sich auch die Mikroskope weiterentwickelt, die für die Betrachtung ihrer Eigenschaften benötigt werden. Das Labor von GF verfügt über einen Mix aus optischen und elektronenbasierten Technologien, so Dr. Frieder Baumann, Leiter des technischen Stabes bei GF.

„Früher waren optische Mikroskope das Arbeitspferd, doch heute werden sie meist in Verbindung mit photonischen Geräten wie ^{der Fotonix™-Plattform} von GF eingesetzt“, sagte er. „Wir verfügen außerdem über eine Reihe von Rasterelektronenmikroskopen (REM), die einen hohen Durchsatz und eine Auflösung im Bereich von wenigen Nanometern bieten. Wir nutzen sie, um bestimmte Materialschichten, wie beispielsweise die Resistschicht eines Chips, zu untersuchen und die Verbindungen oder Verdrahtungen eines Chips auf Risse zu überprüfen. Während SEMs in den vergangenen Jahren die Arbeitspferde der Mikroskopietechnologie waren, dienen sie heute hier bei GF hauptsächlich der Inline-Prüfung, um einen reibungslosen Ablauf des Fertigungsprozesses zu gewährleisten.“

Mit TEMs einen genaueren Blick werfen

Die neueste Entwicklung in der Mikroskopie ist das TEM, das ein größeres Sichtfeld und eine viel höhere Auflösung als das REM bietet und es dem Benutzer ermöglicht, auf einem Bildschirm genau zu sehen, was in der untersuchten Chip-Probe vor sich geht.

TEMs haben sich von einem reinen Abbildungsinstrument zu einem vielseitigen Instrument für eine umfassende physikalische und kompositorische Charakterisierung entwickelt, in Verbindung mit neuen Techniken, die wir zur Vorbereitung von Proben für die Untersuchung verwenden", sagte Baumann. "Es ist fast undenkbar geworden, eine moderne Halbleiterfertigung zu betreiben, ohne ein Werkzeug mit fokussiertem Ionenstrahl (FIB) zu verwenden, um eine Probe vorzubereiten, und ein TEM, um zu verstehen, was in ihr vor sich geht."

Das Team der Analyselabors in Malta, New York und an anderen Standorten von GF verwendet eine Reihe von TEM-Geräten, darunter sowohl ältere als auch neuere Modelle, um mehrere tausend Proben pro Monat unternehmensweit zu untersuchen.

"Es ist erstaunlich, wie weit sich die TEM-Technologie in so kurzer Zeit entwickelt hat und wie vielseitig die heutigen Geräte sind", so Baumann. So ist beispielsweise die Automobilindustrie ein Schlüsselmarkt für GF. Eingebettete Speicher werden für Automobilanwendungen immer wichtiger, da sie nicht flüchtig sind und den rauen Umgebungsbedingungen, unter denen Fahrzeuge arbeiten, standhalten. "Dank unserer fortschrittlichen TEM-Kapazitäten sind wir einer der wenigen Anbieter in der Branche, die jedes einzelne Element der Speicherzelle vollständig charakterisieren können, um festzustellen, ob sie tatsächlich gebaut ist und ordnungsgemäß funktioniert."

Das Leben in den Labors

Neben der fortschrittlichen Mikroskopie bieten die Labors eine breite Palette von Techniken an und sind an vielen Aspekten des Herstellungsprozesses beteiligt, von der Analyse der eingehenden Chemikalien über die Verarbeitung bis hin zum Kundenfeedback.

"Genauso wie die GF-Fabriken rund um den Globus Technologien und Fähigkeiten untereinander austauschen, um weltweit mehrere Produktionsquellen zu schaffen, beteiligen sich auch unsere weltweiten Labore am Technologietransfer", so Lee. "Als globale Labororganisation verfügen wir über Materialingenieure, Physiker, Mathematiker und Techniker. Wir tauschen regelmässig Wissen und Erfahrungen zwischen den globalen Teams in allen Bereichen der physikalischen, chemischen und elektrischen Analyse aus, diskutieren spezifische Probleme und nutzen das Gelernte, um die Produktionsleistung von GF insgesamt zu verbessern."

Letztendlich, so Lee, bereite das Labor ihr und ihren Kollegen auch persönlich große Freude. „Ich finde es sehr bereichernd, in einem Umfeld zu arbeiten, in dem Problemlösung und Innovation im Mittelpunkt stehen. Es ist besonders befriedigend, wenn Lösungen gefunden werden und man die Entwicklung unserer Teammitglieder miterleben kann.“