Elektriske målinger af ultra tynde materialer giver store metrologiske udfordringer i halvlederindustrien:

Transkript

1 esume Elektriske målinger af ultra tynde materialer giver store metrologiske udfordringer i halvlederindustrien: Produktion: elektriske modstandsmålinger skal være reproducerbare med en usikkerhed på <0.1% => M4PP bruges til procesovervågelse. Procesoptimering: elektriske modstandsmålinger skal have høj rumlig opløsning og være reproducerbare => M4PP bruges f.eks. til at minimere procesvariationer under kvalificering af procesudstyr. Forskning: Præcise modstandsmålinger af ultra tynde materialer helt ned til et atomlag samt måling af elektrontæthed og bevægelighed af elektroner via Mikro Hall Effekt => M4PP bruges til forskning i nye materialer som f.eks. III-V materialer og grafen. Mikro Fire-Punkts Proben er udviklet på DTU Nanotech (dengang Mikroelektronik Centret). Måleteknologien er udviklet i samarbejde med Capres A/S. 1af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

2 Elektrisk karakterisering af nanomaterialer i forskningogproduktion Dirch Hjorth Petersen

3 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Transistor 3af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

4 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober 4af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

5 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed 5af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

6 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer 6af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

7 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer Forskning: Mikro Hall Effekt, Magnetic tunnel junctions og grafen 7af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

8 Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Gate Source Drain Source/drain extensions. Ultra-shallow junctions (USJ). C.M. Osburn, et al. (1998). P. Eyben et al af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

9 Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Forskning Elektriske egenskaber af nye materialer f.eks: Ladningsbærerkoncentration Elektron bevægelighed Procesoptimering Uniformitet Produktion Proceskontrol... for tidlig diagnosticering! 9af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

10 Fire-punkts målinger Flademodstand, S Kontaktmodstand + seriemodstand, C V I C c S V I c S 10 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

11 Konventionel metrology Fundamentalt problem med konventionelle 4PP Tyndfilms-penetration Mindre kontakt-kraft Mindre kontakt-tryk 11 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

12 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed 12 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

13 Produktion: proceskontrol Tidlig diagnosticering! D.K. Sadana, IBM Måling på små test pads Krav til procesvariation: typisk <2% Krav til måle reproducerbarhed: <0.1% 13 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

14 Positionsfejl => målefejl µm x 23nm C.L. Petersen et al., Mater. es. Soc. Symp. Proc. 738 (2003) af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

15 Dual configuration små prøver A Uafhængig af in-line positionsfejl! B Præcis måling i spejl-planet! C L.J. van der Pauw, Philips es. ep. (1958).. ymaszewski, J. Phys. (1969). S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 15 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

16 Dual configuration small samples 140 esistance χ (Ω) Measurement Simulation W y W Probe position y/s S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 16 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

17 Dual configuration små prøver C S. Thorsteinsson, et al. ev. Sci. Instrum. (2009). 17 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

18 epeatability and reproducibility epeatability Long term reproducibility Short term reproducibility 3 kev, atoms/cm 2 BF 2 implant. epeatability and reproducibility <0.1 %. D. Kjaer et al., AIP Conf. Proc. 1066, 167 (2008). 18 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

19 Capres MicroSP Mikroskop z-motor M4PP xy-motor Granit sten 19 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

20 Mekanisk støj i produktionsmiljø Mekaniske vibrationer => målefejl! Dynamisk positionsfejl Løsning: Statisk kontakt 20 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

21 Mikro-mekanisk vibrations tolerance Cantilever design Lige L-form Lige L-form Akustisk støj niveau Moderat Høj Måle yield 81 % 100 % 0 % 100 % elativ SD på S 0.17 % 0.05 % NA 0.09 % I samarbejde med Ane Jensen (Capres A/S) 21 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

22 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer 22 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

23 Millisekund laser annealing Ion implantering efterfølges af laser annealing. 1300C. v Laser 23 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

24 Uniformitet af flademodstand Sheet resistance [Ω/ ] Y-position [mm] D.H. Petersen et al., JVST B 26, af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

25 Spatial frequency transfer function Sheet resistance [Ω/ ] el.st.dev. of s [%] µm 10µm 20µm 50µm 100µm 200µm 300µm 350µm 450µm Y-position [mm] Probe pitch [µm] D.H. Petersen et al., JVST B 26, el. peak-to-peak vatiation of s [%] Transfer function magnitude m/ θ s Makroskopisk fire-punkts prober undervurderer S variationer P robe pitch s/ 500μm 40 θ = π/ 2 θ = 0 Practical measurement 12.5μm F. Wang et al., TP 09, af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

26 Mikro S variationer Laser scan retning Overlapningsmønster 2. Laser power densitet 3. Laser power fluktuationer D. H. Petersen et al., JVST B 26, 362 (2008). W. Vandervorst et al., MS 2008 Spring meeting (2008). 26 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

27 Laser optimering Laser power uniformitet 300 Hz støj v Laser (b) s (Ohm/sq) LASE #1 LASE # Y (mm) (c) FT(s(x)) LASE #1 150 mm/s LASE #2 150 mm/s Spatial frequency (1/mm) W. Vandervorst et al., MS 2008 Spring meeting. 27 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

28 Mønstrede shallow trench isolation Pad side length [µm] v Laser E. osseel, et al., TP 09 (2009). 28 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

29 Oversigt Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Mikro fire-punkts prober Produktion: eproducerbarhed Procesoptimering: Variationer Forskning: Mikro Hall Effekt, Magnetic tunnel junctions og grafen 29 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

30 Forskning Mikro Hall Effekt Ladningsprofilering 2D materialer: Grafen Magnetiske tunnel overgange (magnetic tunnel junctions) 30 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

31 Uendelig flade: ingen Hall Effekt! Tangential strøm 31 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

32 Hall Effekt Konventionel Hall Effekt (van der Pauw) Mikro Hall Effekt S 1 en S Flademodstand, S Enhedsladning, e Elektron bevægelighed, µ Elektrontæthed, N S 32 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

33 33 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark Mikro Hall effekt S A A A AA c 2 ' ' 0 ' ' A A AA Modstands differens Modstands gennemsnit S B B B BB c 2 ' ' H H B B BB c ' ' D.H. Petersen, et al., J. Appl. Phys. (2008). z S H H B r Z H z H S Ze B r N Bevægelighed Elektron tæthed

34 Mikro Hall Effekt exp 2 AA' 2 exp P BB' P 1 BB' H 2 3arctan s 2y arctan 3s 2y 2 Measurements Theory 2 Measurements Theory P S µm BB ' H Normalized distance to edge, y/s Normalized distance to edge, y/s D.H. Petersen, et al., TP 08 (2008). 34 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

35 Sammenligning med andre teknikker Ladningsbærertæthed v Laser T. Clarysse, et al., Mater. Sci. and Eng. B (2008). E. osseel, et al., TP 08 (2008). D.H. Petersen et al., JVST B, af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

36 Mikro Hall Effekt μ H /<μ H > Elektron bevægelighed Mobility 0.8 N HS /<N HS > Ladningsbærertæthed Sheet carrier density v rel H 1.3% Laser 0.8 G S /<G S > Fladekonduktans Sheet conductance Position (mm) G S S 1 e HS D.H. Petersen, et al., TP 08 (2008). H N 36 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

37 Ladningsprofiling s,1 s,2 s,3 s,4 s,5 s,6 s,1 s,2 s,3 s,4 s,5 s,6 d j Sublayer flademodstand, s,j s, j j s, j 1 s, j 1 s, j d s, j j s, j esistivitet, j T. Clarysse et al., Nucl. Instr. and Meth. in Phys. es. B (2006). 37 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

38 Ladningsprofiling 1.E+20 Concentration (/cm3) 1.E+19 1.E+18 1.E+17 1.E+16 1.E+15 9 nm SIMS M4PP SP Depth (nm) T. Clarysse et al., JVST B (2008). D. H. Petersen et al., JVST B (2010). 38 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

39 Micro Hall Effekt på grafen 4000 Gated Graphene double layer 4000 Gate, V G Sheet resistance (Ω) μ heff Gate voltage V G (V) Effective Hall mobility μ heff (cm 2 /Vs) Courtesy of Torben M. Hansen 39 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

40 Magnetic tunnel junctions til harddisk læsehoved Tunnel junciton 40 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

41 Multipunkts prober Forskellige afstande Forskellig overflade sensitivitet 41 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

42 Konklusion Metrologiske udfordringer i halvlederindustrien Produktion: eproducerbarhed og tidlig diagnosticering Procesoptimering: Karakterisering af variationer Forskning: Alsidig metrologi til mange formål 42 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

43 Purpose of metrology Michael Current Simon Prussin If you don t look, you won t see! Presentation at the TP 2008, Las Vegas. 43 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark

44 Samarbejdspartnere Peter Bøggild, Ole Hansen, Peter F. Nielsen og Wilfried Vandervorst DTU Nanotech IMEC, Belgien Capres A/S DTU Danchip 44 af 44 DTU Nanotech, Technical University of Denmark