Nano-Röntgentomographie für Prozesskontrolle und Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie1

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1 Nano-Röntgentomographie für Prozesskontrolle und Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie1 Stefan Braun 1, Ehrenfried Zschech 2, Wenbing Yun 3 1 Fraunhofer-Institut für Werkstoff- und Strahltechnik, Winterbergstr. 28, D Dresden, Deutschland Tel: +49 (0) , Fax: +49 (0) , stefan.braun@iws.fraunhofer.de 2 AMD Saxony LLC & Co. KG, Wilschdorfer Landstr. 110, D Dresden, Deutschland, Tel: +49 (0) , Fax: +49 (0) , ehrenfried.zschech@amd.com 3 Xradia Inc., 5052 Commercial Circle, Concord, CA 94520, USA Kurzfassung Die zerstörungsfreie Abbildung von sub-50nm Strukturen und Defekten stellt eine Herausforderung für Prozesskontrolle und Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie dar. In den letzten Jahren wurden hochauflösende Röntgenmikroskope mit Drehanoden-Röhren entwickelt, die in einem Analytik-Labor in unmittelbarer Nähe einer Halbleiter-Fab betrieben werden können. Diese TXM/XCT-Systeme bieten eine neue Möglichkeit der zerstörungsfreien 3D-Abbildung von Schaltkreis-Strukturen, ohne dass eine zerstörende Probenpräparation (z. B. die Herstellung von Querschnittsproben) erforderlich ist. Das Potential von TXM/XCT-Laborsystemen zur Fehlerlokalisierung in mikro- und nanoelektronischen Bauelementen wird diskutiert. Anwendungen für backend-of-line-strukturen scheinen in den nächsten Jahren realistisch, z. B. zur Abbildung von Hohlräumen (voids) und von organischen Verunreinigungen (residuals) in on-chip-interconnects. Fresnel-Zonenplatten ermöglichen heute eine Auflösung von 30 bis 50 nm im harten (multi-kev) Energiebereich der Röntgenstrahlen, jedoch erscheinen 10 nm und darunter mit neuen Röntgenoptiken erreichbar zu sein. Keywords: Röntgenmikroskopie, TXM, Röntgentomographie, XCT, Röntgenoptiken, ZFP, Prozesskontrolle, Prozesskontrolle, Fehleranalyse, Halbleiterindustrie 1 Einleitung Die zerstörungsfreie Abbildung von sub-50nm Strukturen und Defekten stellt eine Herausforderung für Prozesskontrolle und Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie dar. Die Verfügbarkeit von Röntgenquellen mit hoher Brillanz, von präzisen, fokussierenden Röntgenoptiken und von effizienten CCD- Flächendetektoren hat wesentlich zur Entwicklung der hochauflösenden Röntgenmikroskopie - transmission X-ray microscopy (TXM) - und der hochauflösenden Röntgentomographie - X-ray computed tomography (XCT) - beigetragen, mit dem Ziel, räumliche Auflösungen von 50 nm und darunter zu erreichen [1,2]. In den letzten Jahren wurden hochauflösende Röntgenmikroskope mit Drehanoden-Röhren entwickelt, die in einem Analytik-Labor in unmittelbarer Nähe einer Halbleiter-Fab betrieben werden können [3]. Diese TXM/XCT-Systeme bieten eine neue Möglichkeit der zerstörungsfreien 3D-Abbildung von Schaltkreis-Strukturen, ohne dass eine zerstörende Probenpräparation (z. B. die Herstellung von Querschnittsproben) erforderlich ist. Fresnel-Zonenplatten ermöglichen heute eine Auflösung 15 bis 20 nm im weichen und 30 bis 50 nm im harten (multi-kev) Energiebereich der Röntgenstrahlen. Gegenwärtig wird eine Reihe von Konzepten verfolgt, um Röntgenlinsen (einschließlich reflektiver, 53

2 refraktiver und diffraktiver Optiken) für TXM/XCT-Systeme zu entwickeln, die einen Auflösungsbereich von 10 nm und darunter erreichen. 2 Charakterisierung von Mikro- und Nanostrukturen Herausforderungen in der Halbleiterindustrie Die Notwendigkeit, neue analytische Techniken in der Halbleiterindustrie einzuführen ergibt sich aus der der fortschreitenden Verkleinerung von Transistor- und Interconnect-Strukturen sowie aus der Integration von modifizierten oder neuen Schichtmaterialien. In den sub100nm-technologienodes sind wir mit zwei Arten von Nanostrukturen konfrontiert: künstliche Nanoschichten und Nanostrukturen, die mit Hilfe von Abscheide- und Strukturierungsprozessen (Lithographie/Ätzen) hergestellt werden sowie nanostrukturierte Materialien, d. h. Dünnschichtmaterialien mit einer Substruktur (typische Dimension des Gefüges) unter 100 nm. Röntgentechniken bieten ein riesiges Potential und mitunter einzigartige Möglichkeiten für Prozessentwicklung, Prozesskontrolle und physikalische Fehleranalyse [1]. Im speziellen hat die TXM/XCT-Technik ein großes Potential für die Fehlerlokalisierung in onchip-interconnects sowie für die Untersuchung von Degradationsmechanismen (z. B. Elektromigration) in Interconnects [4,5]. 3 Prozesskontrolle und Fehleranalyse für Cu-Leitbahnsysteme Das Potential zur Fehlerlokalisierung in mikro- und nanoelektronischen Bauelementen mit Hilfe von TXM/XCT-Laborsystemen, die im multi-kev-energiebereich betrieben werden, wird sowohl aus Geometrie- als auch aus Kontrastgründen in den nächsten Jahren zuerst für Backend-of-Line- Strukturen angewendet werden, z. B. zur Abbildung von Hohlräumen (Voids) und von organischen Verunreinigungen (Residuals) in metallischen on-chip-interconnects. Multi-keV-Photonen sind in der Lage, den gesamten Interconnect-System (mit > 10 Metallisierungslagen) auf gedünnten Silizium- Substraten bis zu einer Dicke von ca. 100 μm zu durchdringen [6]. Ein wesentlicher Vorteil dieser Technik besteht darin, dass keine aufwändige Probenpräparation, z. B. Schicht-Rückpräparation oder Focused-Ion-Beam(FIB)-Milling zur Herstellung von Querschnittsproben erforderlich ist. Für Labor-TXM-Gerätesyteme und Verwendung von Cr-Kα-Strahlung (5.4 kev) müssen Si-Proben auf eine Dicke von 30 μm oder geringer gedünnt werden [7]. Für Cu-Kα-Strahlung (8.05 kev) erhöht sich diese Dicke auf 100 μm. Bild 1a zeigt eine 2D-Abbildung durch einen abgedünnten Die (70 μm) mit neun Metallisierungslagen Kupfer. Zur Bildaufnahme wurde eine Röntgen-Drehanodenröhre mit Cu-Target verwendet, die Abbildung erfolgte im Zernike-Phasenkontrast-Mode [3]. Die Kupfer- Interconnect-Strukturen sind klar und mit gutem Kontrast aufgelöst. Bild 2 zeigt das entsprechende volume rendering, d. h. eine 3-dimensionale Rekonstruktion, die auf 140 2D-Projektionen basiert [3]. 54

3 (a) (b) Bild 1(a): 2D-Projektion einer 70 μm dicken Si-Substrates mit 9 Cu-Metallisierungslagen für senkrechten Einfall (0 Grad) (0 degree), (b): Volume rendering einer Backend-of-Line-Struktur mit 9 Cu-Metallisierungslagen, basierend auf 140 2D-Projektionen (courtesy of Xradia Inc.) [3] 4 Röntgenoptiken für TXM/XCT mit sub-50nm Auflösung Bei der Herstellung von Röntgenoptiken für TXM/XCT sind in den vergangenen Jahren signifikante Fortschritte gemacht worden, vor allem durch die Anwendung von Verfahren der Nanotechnologie (Schichtabscheidung, Lithographie, ). Gegenwärtig werden unterschiedliche Konzepte für Röntgenoptiken verfolgt (reflektive, refraktive und diffraktive Optiken), um die Ortsauflösung für TXM/XCT zu verbessern. Bisher werden vor allem refraktive Linsen und Fresnel-Zonenplatten genutzt. Mit Fresnel-Zonenplatten ist bisher die höchste Ortsauflösung in abbildenden Röntgenmikroskopen erzielt worden. Eine Fresnel-Zonenplatte besteht aus konzentrischen Ringen und Abständen mit in radialer Richtung abnehmender Zonenbreite. Die erreichbare Ortsauflösung entspricht näherungsweise der Dicke der äußersten (geringsten) Zonenbreite. Um den primären Röntgenstrahl wirkungsvoll zu modifizieren, d.h. um eine hohe Beugungseffizienz zu erzielen, müssen die Zonenplatten hinreichend dick sein. Für derartige hochauflösende und hoch effiziente Zonenplatten müssen Nanostrukturen mit großem Aspektverhältnis hergestellt werden [8]. Gegenwärtig lassen sich im harten Röntgenbereich mit Fresnel-Zonenplatten Ortsauflösungen von 30 bis 50 nm erreichen. Meistens wird Gold als Material für Zonenplatten verwendet, um die erforderliche Höhe der Zonen zu reduzieren (Das optimale Aspektverhältnis ist näherungsweise umgekehrt proportional zur Dichte des Zonenplattenmaterials.): Die Höhe der Zonen einer Silizium-Zonenplatte muss etwas 9x größer sein als die einer Gold- Zonenplatte. Mit reflektive Optiken für harte Röntgenstrahlen kann eine Auflösung bis ca. 40 nm erreicht werden, wenn dynamisch gekrümmte gradierte Vielschichtsysteme verwendet werden [7]. Mit sogenannten Multilayer-Laue-Linsen (MLL), die harte Röntgenstrahlen fokussieren können, werden Spot-Größen von 1 bis 5 nm erwartet [9]. Bild 2 zeigt schematisch die Fokussierung von 55

4 Röntgenstrahlung mittels MLL. Die Herstellung der MLL-Optiken ist völlig anders als für die Fresnel- Zonenplatten: Auf einem atomar glatten Trägermaterial (Siliziumwafer) wird ein tiefengradiertes Nanometer-Vielschichtsystem mit einer Gesamtdicke von typischerweise dgesamt = m abgeschieden. Die Dicken der Einzelschichten in Abhängigkeit vom Abstand zur optischen Achse folgen dabei den auch für Zonenplatten geltenden Regeln der Zonenbreiten. Durch Vereinzelung des Vielschichtsystems in Streifen mit Dicken von w ~ 20 μm und Durchstrahlung quer zur Schichtung kann der Nanometer-Fokussierungseffekt erzielt werden. Erste Ergebnisse mit derartigen MML- Optiken, die Röntgenstrahlen 1-dimensional fokussieren, wurden vor kurzem veröffentlicht [9]. Ein weiteres Konzept beinhaltet die subsequente Anordnung von zwei senkrecht hintereinander angeordneten MLL-Optiken zur 2-dimensionalen Fokussierung in vertikaler und horizontaler Richtung (siehe Bild 3). Bild 2: Schematische Darstellung der Fokussierung von Röntgenstrahlung mittels MML-Optiken. Typische Werte für die einzelnen Parameter sind: MLL-Dicke w ~ μm, Schichtanzahl n max ~ , Doppellagendicke Δr n = 1 50 nm, rn = 0 15 μm, MLL-Verkippung αn = , Fokuslänge f ~ 1 4 mm. Bild 3: Schematische Darstellung von zwei senkrecht hintereinander angeordneten MLL-Optiken zur 2- dimensionalen Fokussierung in vertikaler und horizontaler Richtung. 5 Zusammenfassung Die zerstörungsfreie Abbildung von sub-50nm Strukturen und Defekten eröffnet neue Perspektiven für die Anwendung der Röntgenmikroskopie und -tomographie für die Prozesskontrolle und Fehleranalyse in der Halbleiterindustrie. Anwendungen für backend-of-line-strukturen scheinen in den nächsten Jahren realistisch, z. B. zur Abbildung von Hohlräumen (voids) und von organischen Verunreinigungen (residuals) in on-chip-interconnects. 56

5 In den letzten Jahren wurden hochauflösende Röntgenmikroskope mit Drehanoden-Röhren entwickelt, die in einem Analytik-Labor in unmittelbarer Nähe einer Halbleiter-Fab betrieben werden können. Diese TXM/XCT-Systeme bieten eine neue Möglichkeit der zerstörungsfreien 3D-Abbildung von Schaltkreis-Strukturen, ohne dass eine zerstörende Probenpräparation (z. B. die Herstellung von Querschnittsproben) erforderlich ist. Fresnel-Zonenplatten ermöglichen heute eine Auflösung von 30 bis 50 nm im harten (multi-kev) Energiebereich der Röntgenstrahlen, jedoch erscheinen 10 nm und darunter mit neuen Röntgenoptiken erreichbar zu sein. Multi-Layer-Laue(MLL)-Optiken stellen eine Alternative zur Erhöhung des Auflösungsvermögens von TXM/CTX-Gerätesystemen dar. Eine räumliche Auflösung von 10 nm und besser wird innerhalb der nächsten 5 Jahre erwartet [1,2]. Acknowledgements Die Autoren danken Herrn Andre Nadebohr, Brandenburgische Technische Universität Cottbus, sowie Herrn Dr. Dmytro Chumakov und Frau Yvonne Ritz, AMD Saxony LLC & Co. KG, Dresden, für die Probenpräparation. Wertvolle Diskussionen wurden mit Herrn Dr. Gerd Schneider, BESSY GmbH, Berlin, geführt. Referenzen [1] E. Zschech, A. Diebold, Future Fab Int. 22, 105 (2007) [2] E. Zschech, W. Yun, G. Schneider, Proc. Int. Conf. VUV XV, in press (2008) [3] A. Tkachuk, M. Feser, H. Cui, F. Duewer, H. Chang, W. Yun, SPIE Proc. 6318, 63181D (2006) [4] G. Schneider, G. Denbeaux, E. H. Anderson, B. Bates, A. Pearson, M. A. Meyer, E. Zschech, E. A. Stach, Appl. Phys. Lett. 81, 2535 (2002) [5] G. Schneider, S. Rudolph, M. A. Meyer, E. Zschech, P. Guttmann, Future Fab Int. 19, 115 (2005) [6] A. Nadebohr, AMD Saxony LLC & Co. KG, Dresden and FH Lausitz, Senftenberg, unpublished report (2006) [7] U. Neuhäusler, G. Schneider, Microelectron. Engin. 83, 1043 (2006) [8] U. Neuhäusler, G. Schneider, W. Ludwig, M. A. Meyer, E. Zschech, D. Hambach, J. Phys. D: Appl. Phys. 36, A79 (2003) [9] H. C. Kang, J. Maser, G. B. Stephenson, C. Liu, R. Conley, A. T. Macrander, S. Vogt, Phys. Rev. Lett. 96, (2006) 57

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