Messverfahren helfen Qualität von Wafern und Chips zu optimieren

Ein spektakulärer Durchbruch gelang Prof. Jürgen Rüdiger Niklas in seiner Arbeitsgruppe am Institut für Experimentelle Physik der TU Bergakademie Freiberg bei der Entwicklung neuer Messverfahren zur Untersuchung von Halbleiterwafern. Damit ist es jetzt wesentlich gezielter möglich, die Produktion von zum Beispiel Silizium- Wafern und darauf hergestellter Chips zu optimieren.
Die Verfahren ermöglichen mit hoher Ortsauflösung eine berührungs- und zerstörungsfreie detaillierte Analyse elektrischer Eigenschaften von Wafern, auch an dünnen Oberflächenschichten, so genannten Epitaxieschichten.„Darauf haben wir dreißig Jahre gewartet", so der Kommentar eines Kollegen, als Prof. Niklas die Ergebnisse jüngst im Verein Silicon Saxony vorstellte. Mit den jetzt vorliegenden Messverfahren ergeben sich neben neuen Möglichkeiten in der Grundlagenforschung auch vielfältige Ansatzpunkte für Prozessoptimierungen und Prozessüberwachungen in der gesamten Halbleiterindustrie, was dort natürlich ein stark wachsendes Interesse hervorruft.
In die Fachliteratur sind diese neuen Methoden als "microwave detected photoconductivity" (MDP) und "microwave detected photo induced current transient spectroscopy" (MD-PICTS) eingegangen. Warum die innovative Idee des Freiberger Professors und deren Umsetzung in die Praxis solche Aufmerksamkeit in der Halbleiterbranche weltweit findet, verdeutlichen folgende Fakten.Bei der industriellen Produktion von Halbleiter-Bauelementen fallen erhebliche Kosten dadurch an, dass ein gewisser Prozentsatz der auf den Wafern hergestellten Chips nicht funktioniert. Deshalb werden große Anstrengungen unternommen, Ursachen solcher Ausbeuteprobleme zu ergründen und Abhilfe zu schaffen. „Wenn man bedenkt,“, so Prof. Niklas, „dass es oft weit über hundert verschiedener Prozessschritte bedarf, bis auf der Oberfläche eines Wafers funktionsfähige Elemente entstanden sind, so kann man die Dimension der Probleme erahnen.“ Eine entscheidende Voraussetzung für den Erfolg sind geeignete Messmöglichkeiten, mit deren Hilfe man herausfinden kann, was im Verlauf der Prozessschritte "schiefgegangen" ist. Hier existieren bereits hochentwickelte bildgebende Untersuchungsverfahren, die strukturelle Defekte sichtbar machen, beispielsweise die Folgen eines einzigen winzigen Staubkorns.
Vielerlei Erfahrungen deuten aber darauf hin, dass Fehlfunktionen hergestellter Chips offenbar erheblich auch von elektrisch wirksamen Fehlern der zum Einsatz kommenden Materialien herrühren. Das betrifft zum Beispiel die Beweglichkeit und die Lebensdauer für die Bauteilfunktion wichtiger elektrischer Ladungsträger, sowie die atomaren Ursachen dieser Eigenschaften. Das große Problem war jedoch, dass es hierfür bislang keine gut geeigneten Untersuchungsmethoden gab. So fehlt es auch an fundierten Kenntnissen über die entsprechenden Zusammenhänge. In diese Lücke stießen nun die Freiberger Forscher mit ihren neuen Messverfahren. „In unserer Arbeitsgruppe entwickeln wir neben den Grundlagenuntersuchungen die neuen Geräte in allen Details selbst", betont Prof. Niklas, "was ohne die hohe Motivation und Zusammenarbeit aller Beteiligten so wohl kaum möglich gewesen wäre. Diesen Know-how-Vorsprung wollen wir weiter nutzen.“
Ansprechpartner: 
Prof. Dr. Jürgen Niklas