Mit Synchrotronstrahlung kleinste Verschmutzungen auf Halbleitern entdecken

Kleiner, präziser, leistungsstärker und billiger – das ist die Erfolgsformel der Mikro- und Nanoelektronik. Miniaturisierung spielt heute eine entscheidende wirtschaftliche Rolle und trägt maßgeblich zu den Schlüsseltechnologien des 21. Jahrhunderts bei; doch je kleiner die Strukturen, desto anfälliger sind sie für minimale Verschmutzungen.

Im Rahmen des europäischen Kooperationsprojekts ANNA arbeitet die Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB) in ihrem Laboratorium am Elektronenspeicherring BESSY II in Berlin erstmals gemeinsam mit externen Nutzern an ausgewählten Messplätzen für die Nutzung von Synchrotronstrahlung. Die internationale Zusammenarbeit unter dem Dach von ANNA soll europaweite Forschungskompetenz bündeln. In diesem Fall geht es um Erkenntnisse über die physikalisch-chemischen Eigenschaften von Halbleiteroberflächen und Nanoschichten sowie die weitere Entwicklung von referenzprobenfreien Analysemethoden zur Bestimmung der Oberflächenkontamination und Schichteigenschaften.

Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an physikalische Grenzen. Neben der Erforschung neuer Materialien steht beim aktuellen Kooperationsvorhaben die Untersuchung von Halbleiteroberflächen im Vordergrund: Einerseits, weil deren Eigenschaften bei der Aufbringung von z.B. Nanoschichten eine große Rolle spielen und andererseits, weil kleinste Oberflächenkontaminationen Bauteile, wie z.B. Transistoren, unbrauchbar machen können.

Die Analytik von Oberflächenkontamination oder Schichteigenschaften beruht in der Regel auf der Verwendung von chemischen Vergleichsproben. Da allein aufgrund des monatlichen Aufkommens von 20 bis 30 neuen Nanoschichtsystemen zunehmend geeignete Referenzmaterialien für die Kalibrierung konventioneller, analytischer Verfahren fehlen, entwickeln PTB-Wissenschaftler ein physikalisches Analyseverfahren, das komplett auf Vergleichsproben verzichtet: die referenzprobenfreie Röntgenspektrometrie.

Sie gewährleistet eine schnelle und zerstörungsfreie Prüfung mit hoher Zuverlässigkeit und Genauigkeit und ist sogar in der Lage, Mehrfachschichtsysteme vom Nanometerbereich bis zu einer Gesamtdicke von einigen Mikrometern zu analysieren. Die Grundlage für dieses Messverfahren ist die Nutzung absolut kalibrierter und wohl charakterisierter Instrumentierung wie z.B. der verwendeten Röntgendetektoren, bei deren Kalibrierung mit Synchrotronstrahlung die PTB auf eine mehr als 25 jährige Erfahrung bei BESSY I und II zurückblicken kann. Die gleiche Instrumentierung ermöglicht auch die Bestimmung von für die Halbleiteranalytik relevanten atomaren Fundamentalparametern mit kleinen Unsicherheiten.

Erste externe Nutzer dieses Forschungsprojekts sind Europas führendes Halbleiterforschungszentrum IMEC (Belgien) und die Forschungsgruppe für analytische Chemie um Professor Bernd Kolbesen an der Johann-Wolfgang-Goete-Universität Frankfurt. Ausschlaggebend für die Kooperation mit der PTB ist ANNA (European Integrated Activity of Excellence and Networking for Nano and Micro-Electronics Analysis), eine Initiative im Rahmen des

6. Forschungsrahmenprogramms der Europäischen Union.

ANNA bündelt die europaweite Forschungskompetenz. Beteiligt sind 12 Projektpartner aus 7 Ländern: Drei Halbleiterunternehmen und neun wissenschaftliche Einrichtungen mit halbleiteranalytischen sowie metrologischen Kernkompetenzen wollen durch gemeinsame Forschungsaktivitäten und eine engere Vernetzung den Herausforderungen der rasant fortschreitenden Halbleiterentwicklung begegnen.

ANNA sieht vor, die auf diese Weise gewonnenen Erkenntnisse über die Bereitstellung akkredierter Messplätze auch an externe europäische Nutzer weiterzugeben und ihnen im Rahmen des „Transnational Access“-Programms Zugang zu entsprechend ausgerüsteten Laboren zu geben. Die PTB öffnete nun als erster ANNA-Partner ihre Türen für die gemeinsame Nutzung von Forschungsinfrastruktur und Know-how.

Ansprechpartner in der PTB:
Dr. Burkhard Beckhoff, Arbeitsgruppe 7.14 Röntgenspektrometrie, Telefon 030-6392 5091, E-Mail: Burkhard.Beckhoff@ptb.de