Als Siemens noch Speicherchips produzierte

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1 Dr. Gert Vogel, Siemens Amberg, Senior Key Expert Material Technologies Als Siemens noch Speicherchips produzierte 32. ITG-Tagung, 12./ , Fehlermechanismen bei kleinen Geometrien ITG-Fachbereich 8.5, Qualität und Zuverlässigkeit integrierter Schaltungen

2 Als Siemens noch Speicherchips produzierte entstanden einige Analysen und REM-Bilder, die einfach zu schade für die Schublade sind. Deshalb zu meinem 30jährigen Siemens-Jubiläum einige Schmankerln aus meiner Zeit als Gesamtprozess-Technologe bei Siemens in München und Regensburg bei DRAM-Speichern 16M von 64 k bis 16 M Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Lebendige Elektronik 16 M Siemens Seite 2 Mai 2015

3 Als Siemens noch Speicherchips produzierte Präparationstechniken: - Bruch angeätzt, vergoldet - HF-Dip (1:100) Teile HNO 3 (65 %) + 0,5 Teile HF (40 %), 17 Sek. Diese Präparation funktioniert sehr gut z. B. bei der Andekoration von n-kanal-, p-kanal-, LDD-Transistoren Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Lebendige Elektronik Seite 3 Mai 2015

4 Präparationen und REM-Bilder Sehr schwierig: Wannenimplantationen sichtbar machen Seite 4 Mai 2015

5 Präparationen und REM-Bilder Schon mal durchgeschaltete Transistoren in der Wanne gesehen? Seite 5 Mai 2015

6 Präparationen und REM-Bilder Teilprozessierte Scheiben REM: Hitachi 570 mit Wolfram-Kathode Proben: Häufig Fototechnik vor und nach dem Ätzen Anforderung an die Präparation: Nicht anätzen! Reiner Materialkontrast! Hohe Auflösung, Aufnahmen bei 20 kv (Hier z. B. Lack seitlich wegbelichtet durch Spiegelung an der Poly1-Schräge) Seite 6 Mai 2015

7 Präparationen und REM-Bilder Messung der Unterätzung nach Fototechnik und Oxid-Ätzung Lack Oxid Seite 7 Mai 2015

8 Präparationen und REM-Bilder Messung der Nitrid-Restdicke nach B-Poly-Ätzung beim 4-Schicht-LOCOS- Stapel Seite 8 Mai 2015

9 Präparationen und REM-Bilder Ein Schmankerl: Fototechnik Direct Contact! Reiner Materialkontrast bei verschiedenen nichtleitenden Materialien! Frage: Mit welcher Präparation der Proben erreicht man solche Bilder? Seite 9 Mai 2015

10 Präparationen und REM-Bilder Seite 10 Mai 2015

11 Spiking bei Kontaktlöchern Wie war das nochmal mit dem Spiking? Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Lebendige Elektronik - H. Föll (Electronic Materials - Script) Silizium löst sich im Aluminium. Ein Spike wächst nach unten ins Silizium und schließt den pn-übergang kurz. Seite 11 Mai 2015

12 Spiking bei Kontaktlöchern - Universität der Bundeswehr München, Vorlesung Halbleitertechnologie Die Lösung des Spiking-Problems: Kein reines Aluminium, sondern mit Silizium gesättigtes Al-Si (1 %) verwenden Später wurde Al-Si-Cu verwendet. (Dass dieses Patent eine Zufallsentdeckung war, wurde übrigens erst nach Jahrzehnten vom Erfinder zugegeben.) Seite 12 Mai 2015

13 Spiking bei Kontaktlöchern Neues Problem: Siliziumausscheidungen in den Aluminium-Leitungen und in den Kontaktlöchern (genannt Blumentöpfe, weil sie nach dem Lift-off aussahen wie das Unterteil eines zerbrochenen Blumentopfes) Seite 13 Mai 2015

14 Spiking bei Kontaktlöchern Das klingt dann in einer Vorlesung zur Silizium-Halbleitertechnologie so: Universität der Bundeswehr München Da bin ich doch in einigen Punkten anderer Meinung! Silizium diffundiert weiterhin aus dem Kontakt ins Aluminium! Es bilden sich weiterhin Aluminium-Spikes im Kontaktloch! Das ist auch der Fall bei undichten Barriereschichten (TiSi), auch hier kommt es ausgehend vom Loch in der Barriere zu Spiking! Neu ist nur, dass sich beim Abkühlen das gelöste Silizium wieder epitaktisch in den Spikes ablagert, und zwar mehr, als aus dem Substrat gelöst wurde! Seite 14 Mai 2015

15 Spiking bei Kontaktlöchern Scheinbar nur am Kontaktlochboden aufgewachsenes Silizium Seite 15 Mai 2015

16 Spiking bei Kontaktlöchern Das hier scheinbar nur am Kontaktlochboden aufgewachsene Silizium setzt sich im Substrat als aufgefüllter Spike fort und schließt den pn-übergang kurz! Seite 16 Mai 2015

17 Spiking bei Kontaktlöchern Lösungsmöglichkeiten für Spiking? 4M-DRAM TiSi-Barriere-Schichten im Kontaktloch Undichte Barriere runde Spikes! Bildung von Alu-Spikes beim Tempern unter der undichten Stelle Epitaktisches Auffüllen mit Silizium beim Abkühlen Sobald das Loch zugewachsen war, nur noch Aufwachsen oben im Aluminium. Unter der Barriere Alu-Reste Seite 17 Mai 2015

18 Spiking bei Kontaktlöchern Beim 1M-DRAM kam man durch Zufall darauf, dass die Verwendung einer oxidierenden Reinigung (statt Flusssäure-Dip) vor dem Aluminium- Sputtern das Problem Spiking beseitigt. Die Oxid-Schicht am Boden des Kontaktlochs ist so dünn, dass Elektronen fast ungehindert durchtunneln können. Andererseits ist die Oxid-Schicht so dick, dass kein Silizium ins Aluminium diffundieren kann! Seite 18 Mai 2015

19 1986 Der V -Effekt Herkunft der Bezeichnung: Aufwachsen von schlechtem Gateoxid 1 in einem V-förmigen Bereich auf den Silizium-Scheiben Auswirkung: Ausbeuteverlust DM pro Tag Dauer bis zur Problemlösung: Ein halbes Jahr! Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Präparation der Gateoxid-1-Testscheibe (Substrat / Gateoxid 1 / Poly 1 strukturiert): Lebendige Elektronik Ätzung mit konzentrierter KOH, bis das schützende natürliche Oxid auf dem Poly-Silizium weggeätzt ist (Selektivität von mehr als 300 : 1). Danach wird das freigelegte Poly-Silizium von der KOH weggeätzt. Erklärung: Bei Poly-Silizium-Strukturen mit einem Fehler im Gateoxid ist das natürliche Oxid einen Hauch dünner als bei perfektem GOX 1. Das reicht, um den Effekt sichtbar zu machen. Seite 19 Mai 2015

20 Der V -Effekt Woher kommt das V im Effekt, und was verursacht ihn? Die Form kommt vom Strömungsverlauf im Cleaner. Ursache für die Gateoxid-Fehler: Metall-Ionen im H 2 O 2 (Wasserstoffperoxid) bei der Reinigung vor der Oxidation. (Die Reinigungsflüssigkeit ist eine Mischung aus Cholin und H 2 O 2.) In Japan bei Toshiba trat der Effekt nicht auf. Unser H 2 O 2 aus Italien war sogar eine Größenordnung sauberer als das in Japan verwendete H 2 O 2 In Japan wurde das frisch produzierte H 2 O 2 in Tanklastern zu den veredelnden Chemiefirmen kutschiert, und deshalb musste von Gesetzes wegen dem H 2 O 2 ein Stabilisator beigefügt werden. In Italien produzierte die veredelnde Chemiefirma ihr H 2 O 2 selbst und brauchte deshalb keine Stabilisatoren. Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Lebendige Elektronik Seite 20 Mai 2015

21 Der V -Effekt V -Effekt, Ursache und Abhilfe: Die minimalen Reste der beigefügten Stabilisatoren reichten aus, um die Metallatome beim japanischen H 2 O 2 zu komplexieren, so dass diese nicht auf die Silizium-Oberfläche gelangen konnten. Beim italienischen H 2 O 2 führte jedes einzelne Metallatom auf der Silizium- Oberfläche zu einer Schwachstelle im nur 12 nm dicken Gateoxid. Da die Verwendung von japanischem H 2 O 2 (Transport nach Deutschland in Passagierflugzeugen in halb gefüllten 20 Liter-Kanistern, einer pro Sitzplatz) auf Dauer zu teuer war, wie auch später der Weg über eine Schiffsladung, wurde dann einfach bei der Reinigung vor Gateoxid ein Tröpfchen Stabilisator beigefügt. Diese spezielle Reinigung in Regensburg hat die Bezeichnung NCB-L bekommen L nach Dr. Lechner, dem Chemiker, der sie eingeführt hat. Inzwischen weiß das keiner mehr. NCB-L heißt jetzt Der Cleaner links. (*NCB = New Clean B ) Seite 21 Mai 2015

22 Der V -Effekt Interessantes am Rande: In der DDR wurde die Ursache für das schlechte Gateoxid 1 nie gefunden, deshalb blieb dort die Ausbeute beim 1 M - Speicher immer weit unter 10 %.* Wieso DDR? Weil damals die Unterlagen für den Toshiba-1M-DRAM bei Siemens beschafft wurden, und deshalb der U61000 dem Siemens/Toshiba-1M-DRAM zum Verwechseln ähnlich sieht.** 1M Siemens * Auf der ZMD-Pilotlinie wurden 1988 rund Muster vom U61000 gefertigt folgten weitere Megabit-Schaltkreise. ** Horst Müller, Manfred Süß, Horst Vogel (Herausgeber): Die Industriespionage der DDR. edition ost, Berlin 2009, ISBN Seite 22 Mai 2015

23 Lebendige Elektronik Die Wüste lebt Bei der Untersuchung von Elektronik-Komponenten blickt man so manchem Monster ins Auge Einführung Präparationstechniken Spiking bei Kontaktlöchern Der V -Effekt Lebendige Elektronik Seite 23 Mai 2015

24 Lebendige Elektronik Verpupptes Insekt Seite 24 Mai 2015

25 Lebendige Elektronik Ameise Quelle: George M. Wenger Failure Signature & Characterization Lab LLC 609 Cokesbury Road, High Bridge, NJ Seite 25 Mai 2015

26 Lebendige Elektronik Schlange Quelle: George M. Wenger Seite 26 Mai 2015

27 Lebendige Elektronik Gecko Quelle: George M. Wenger Seite 27 Mai 2015

28 Lebendige Elektronik Insekten, Schlangen, Geckos Früher waren es Bugs (Käfer) auf Kontakten gab es eigentlich auch schon Säugetiere auf den Proben? Nun ja, es gab zumindest Hinweise darauf! Quelle: Internet-Fund Seite 28 Mai 2015

29 Lebendige Elektronik Vor dreißig Jahren erblickte ich im REM einmal eine seltsame organische Struktur.???* * Polle auf einem 256-k-DRAM Seite 29 Mai 2015

30 Dr. Gert Vogel, Senior Key Expert Material Technologies Siemens AG, Amberg, Digital Factory Division, Control Products DF CP QM SQA 5 Thank you!