Nearfield maakt 3D-beelden van innerlijke chip met nanometer-nauwkeurigheid

Nearfield Instruments ontwikkelt een nauwkeurige, niet-destructieve meetoplossing op basis van akoestiek. De metrologie-technologie overtroeft de technieken die momenteel beschikbaar zijn om diep in chips te kijken.

Alexander Pil
24 oktober

De miniaturisering in chips bezorgt chipfabrikanten steeds meer hoofdbrekens bij het opsporen van fouten in de productie. Een van de uitdagingen is het controleren van de meest cruciale lagen nadat ze zijn gedeponeerd. De huidige chipmetrologie schiet daar tekort. Ze zijn ofwel zeer destructief – na de analyse werkt het ic niet meer. Of de methode is niet nauwkeurig – de meting ligt te ver van het aandachtsgebied.

Tot nu toe gebruiken chipfabrikanten vaak optische technologieën voor het checken van de overlay (de positie-nauwkeurigheid van een laag ten opzichte van de laag eronder). Dat kan met markeringen, maar die zijn vrij groot, typisch 25 bij 25 micrometer. Bij de meer geavanceerde op scatterometrie gebaseerde metrologiesystemen, zoals de Yieldstar van ASML, zijn die markers iets kleiner (5 bij 5 micrometer), maar nog steeds fors in vergelijking met de details op een moderne chip.

3D-structuren op chips steeds complexer

Omdat de markers zoveel ruimte innemen, liggen ze buiten de chip, op de zaaglijnen. Het probleem is dat de features verder krimpen en de 3D-structuren op chips steeds complexer worden. Het ligt voor de hand dat het steeds moeilijker is om de overlay van nanometer-structuren te checken aan de hand van micrometer-grote targets.

‘Deze lokale effecten op het ic zelf nemen ongeveer tweederde van het metrologiebudget voor hun rekening’, zegt Hamed Sadeghian, ceo en oprichter van het Rotterdamse bedrijf Nearfield Instruments.

Daarnaast is de overlay afhankelijk van de plaats op de wafer. De gemeten overlay bij een referentiemerkje hoeft niet representatief te zijn voor de overlay op de dies. Daarom gebruikt de industrie tegenwoordig ook elektronenmetrologie om optische technieken aan te vullen.

Een daarvan is elektronenmicroscopie voor kritische dimensies (CD-SEM). Overlay bepalen met SEM gaat met hoge voltages en werkt slechts voor een beperkt aantal lagen. Elektronen kunnen bij het meten onder fotolak leiden tot modificaties van deze resist. Dat kan zich vervolgens vertalen in fouten tijdens de etsprocessen die volgen. Verder dringen elektronen niet door metaallagen. Transmissie-elektronenmicroscopie (TEM) is te gebruiken voor analyse, maar is destructief, extreem lokaal. De hele wafer gaat daarna in de prullenbak.

Semiautomatisch meetinstrument ontworpen door Nearfield Instruments voor verdere ontwikkeling van akoestische microscopietechniek gecombineerd met AFM, waarmee ook customer wafer/applicatie-evaluatie gedaan kan worden.

Optiek en elektronen kijken niet door alle lagen

Optische metrologie en elektronenmicroscopen kunnen niet door alle lagen kijken. Sadeghian legt uit: ‘Tegenwoordig worden steeds meer metalen zoals wolfraam, ruthenium en andere ondoorzichtige materialen zoals amorfe koolstof gebruikt in chips, vooral in de kritische 3D-structuren. Die zijn ondoorzichtig voor fotonen en elektronen. Dus zie je niet wat er onder het oppervlak zit.’

Destructieve technieken zoals TEM of een combinatie van ionenstralen met elektronen – ‘dig & see’ – worden gebruikt om dieper te graven. Maar beiden zijn destructief. De gemeten wafer kan niet terug in het productieproces. ‘Tot nu toe is er gewoon geen werkend alternatief’, aldus Sadeghian.

Grotere golflengtes geen optie voor leading edge metrologie

Infrarood licht kan wel door materialen heen dringen, maar dat resulteert in een lagere resolutie en robuustheid. Sadeghian: ‘De resolutie is onvoldoende, want er is een groot verschil tussen de details die je kunt onderscheiden met 450 nanometer of 1 micrometer golflengte. Dat betekent dat je ongevoelig bent voor sommige overlay-fouten. Daarmee komt het niet echt in aanmerking voor inline-procesbewaking in leading-edge nodes.’

Een andere oplossing is het verkleinen van de marker. Sommige gespecialiseerde metrologiebedrijven kiezen hiervoor. Afmetingen van 500 bij 500 nanometer liggen in het verschiet. Dit zou voldoende zijn, maar de aanpak is achterhaald wanneer je echt op deviceniveau moet meten.

Metrologie op basis van akoestiek

Dit is de aanpak waarop Nearfield Instruments focust, met metrologie op basis van akoestiek. ‘Gewone akoestische microscopie is extreem grof’, zegt Sadeghian. ‘In het beste geval kun je met geluidsgolven details van enkele tientallen micrometers detecteren. Zeker niet onder een micrometer, laat staan in het nanometergebied.’

Nearfield Instruments integreert akoestische microscopietechniek in zijn platform voor atoomkrachtmicroscopie (AFM). ‘We gebruiken onze AFM-sonde om naar geluid te luisteren’, legt Sadeghian uit. Daarbij stuurt een akoestische transducer een geluidsgolf door de lagen van de wafer, legt hij. ‘De golf interacteert met alle overgangen en oppervlakken en weerkaatst. Het patroon van die gereflecteerde golf en het tijdstip van aankomst bevat een grote hoeveelheid informatie over de onderliggende structuren.’

Stap voor stap scant het systeem van Nearfield Instruments over een chip. Bij elke stap – die zo klein kan zijn als enkele tienden van een nanometer – genereert de akoestische transducer een geluidspuls. De reflecties vormen een puntenwolk die kan worden vertaald naar een uitgebreid patroon van de onderliggende lagen.

‘We hebben laten zien dat we structuren tot 19 nanometer kunnen detecteren. Testobjecten met kleinere kenmerken hebben we nog niet kunnen analyseren omdat we ze nog niet hadden,’ vertelt Sadeghian. ‘Maar onze modellen laten zien dat we nog kleinere structuren aankunnen.’

Het helpt dat het apparaat, met de codenaam Audira, gebruik kan maken van informatie die tijdens eerdere metingen (van eerdere lagen) is verzameld. Voor toepassingen zoals bij de productie van dram of logische chips willen fabrikanten de structuur na elke laag meten. ‘Je kunt de informatie van eerdere lagen gebruiken bij de analyse van de bovenste laag’, legt Sadeghian uit. ‘Sommige chips, zoals geheugens, hebben een periodieke structuur. Daarmee kun je de nauwkeurigheid van de meting verbeteren.’

Keuze tussen akoestiek en elasticiteitsmetingen

Nearfield Instruments heeft nog een andere truc achter de hand. Met de AFM-sonde kunnen lokale elasticiteitsvariaties worden gemeten. ‘Dit is heel waardevol voor ondiepe kenmerken’, zegt Sadeghian. ‘Het is alsof je je matras aanraakt en kunt voelen waar de veren zitten. Je controleert op variaties in elasticiteit.’

De elasticiteit aan het oppervlak kan veel onthullen over de structuren eronder. ‘Vooral voor ondiepe details in het device is deze aanpak heel eenvoudig, maar nuttig’, stelt Sadeghian. ‘Samen met onze klanten maken we de receptuur: wanneer moeten we akoestiek gebruiken en bij welke frequenties en voor welke lagen zijn lokale elasticiteitsmetingen het beste.

Als klanten de technologie van Nearfield Instruments ten volle willen benutten, moeten ze hun vaak streng bewaakte productieproces openbaar maken. Vormt dat een probleem? ‘Nee’, antwoordt Sadeghian. ‘Ze weten dat ze een metrologie-uitdaging hebben en erkennen dat ze zich open moeten stellen om ons in staat te stellen de best passende metrologie-oplossing te bieden. We kunnen ons systeem bovendien perfect gebruiken zonder dat wij alle procesdetails kennen.’

Uiterst precieze mechatronica

Detecteren onder het oppervlak is één ding. Daaruit een nauwkeurige beschijving destilleren, is een heel ander verhaal. ‘Je moet de ondergrond en het oppervlak meten en de resultaten vergelijken, de reproduceerdbaarheid moet beter zijn dan 0,1 nm, 3 sigma. Dat vereist een grote mate van stabiliteit en robuustheid, kortom uiterst precieze mechatronica,’ weet Sadeghian.

Nearfield Instruments heeft het voordeel dat het kan voortbouwen op het platform dat het eerder ontwikkelde voor zijn geautomatiseerde high-throughput 3D Scanning Probe Metrologie. ‘We hebben ons systeem vergeleken met wat KLA Tencor aanbiedt met zijn Advanced Imaging Metrology-technologie. Dat is het doel dat onze potentiële klanten geven’, zegt Sadeghian. ‘We hebben de resultaten van KLA Tencor voor een voorgeprogrammeerde overlay-fout geëvenaard.’

Ondanks die positieve benchmark concurreert Nearfield niet met de Archer van KLA Tencor of de Yieldstar-oplossingen van ASML. ‘We zijn nog steeds veel langzamer dan optiek, maar natuurlijk is optische meetsnelheid een doel waar we naar streven’, geeft Sadeghian toe. ‘We vervangen ze nog niet.’

Akoestische metrologie voor feedback en kalibratie

Voorlopig is symbiose wat Sadeghian voor ogen heeft. ‘Onze technologie is niet-destructief, nauwkeurig en geeft extra informatie over wat er onder het oppervlak zit. Chipproducenten kunnen onze oplossing dus gebruiken voor de lagen die ze met bestaande technieken niet kunnen meten. Wij zullen complementair zijn, vooral voor die lagen waar een lagere doorvoer (aantal wafers per uur) acceptabel is. Aangezien wij meer details blootleggen, kunnen zij de output gebruiken voor feedback en kalibratie van de andere systemen.’

Nearfield Instruments claimt dat zijn onder-de-oppervlakte-metrologie TEM en deels CD-SEM technologie voor overlay en verborgen defecten zal vervangen. ‘Die methoden zijn extreem traag, extreem lokaal en destructief,’ somt Sadeghian op. ‘Onze akoestische aanpak is daar echt superieur.’

Volgend jaar lanceert het Nederlandse bedrijf zijn Process Development Tool en verscheept het naar hun launching customer. ‘Niet voor grote volumes, maar om potentiële klanten de kans te geven onze technologie te ontdekken en in te passen in hun proces.’

Voor Nearfield Instruments is verbetering van de doorvoer van groot belang. ‘Momenteel doen we tien tot twintig wafers per uur, afhankelijk van de complexiteit’, zegt Sadeghian. ‘Ons doel is om op gelijke hoogte te komen met chipproductiemachines, zodat je ons product voor alle wafers kunt gebruiken.’

Een manier om dit te bereiken is door het aantal scankoppen uit te breiden, een weg die Nearfield Instruments al volgt met zijn Quadra-platform. ‘We zijn van plan om van vier naar honderd koppen te gaan. Daarvoor werken we aan een platform waarbij alle koppen onafhankelijk van elkaar zullen bewegen’, onthult Sadeghian.

De tweede aanpak is slimmer meten. ‘Om de overlay te bepalen is het niet altijd nodig om de hele overlaystructuur te scannen’, legt Sadeghian uit. ‘Met een intelligentere strategie kun je het aantal verplichte punten verminderen en het proces serieus versnellen.’ Volgens zijn stappenplan zal Nearfield Instruments over ongeveer vijf jaar de productiesnelheid van chips kunnen evenaren.

Dit artikel is tot stand gekomen in nauwe samenwerking met Nearfield Instruments.