KIT durchleuchtet Siliziumkristalle Röntgenblick für weniger Ausschuss

Kleine Oberflächenfehler können bei der Verarbeitung von Halbleiter-Wafern zu weitläufige Defekten im Inneren und Stufen in großen Oberflächenarealen führen. Das KIT kann ihre Ausbreitung jetzt zerstörungsfrei ihre dreidimensionale Ausbreitung klären.
Kleine Oberflächenfehler können bei der Verarbeitung von Halbleiter-Wafern zu weitläufigen Defekten im Inneren und Stufen in großen Oberflächenarealen führen.

Eine neue Messmethode des KIT macht Defekte im Inneren von Halbleiterkristallen sichtbar. Dadurch kann die Produktion von fehlerhaften Computer-Chips reduziert werden.

Die neue Messmethode kombiniert Röntgenmethoden am Synchrotron KARA des KIT und am Europäischen Synchrotron ESRF in Grenoble mit der sogenannten CDIC-Lichtmikroskopie. Dadurch gewonnene Messdaten können die bestehenden Modelle für die Vorhersage von Defektentstehung und -ausbreitung in Siliziumkristallen verbessern und wichtige Hinweise liefern, wie der Herstellungsprozess von Computer-Chips verbessert werden kann.

Auf jedem Quadratzentimeter der Wafer-Oberfläche werden mittlerweile mehrere Milliarden Transistoren untergebracht. Bereits kleinste Fehler auf und im Kristall führen zum Ausfall tausender dieser winzigen Schaltungen, was betroffene Chips unbrauchbar machen kann und den Ausschuss in die Höhe treibt.

Die Vermessung der Versetzung

Laut Dr. Daniel Hänschke, Physiker am Institut für Photonenforschung und Synchrotronstrahlung des KIT, ist es wichtig zu verstehen, wie sich ein minimaler mechanischer Oberflächenfehler unter typischen Prozesseinwirkungen – zum Beispiel Hitze – in die Tiefe des Kristalls ausbreitet. Hänschke und sein Team konnten nun Versetzungen präzise vermessen und ihre Wechselwirkung untereinander und mit äußeren Einflüssen untersuchen.

Die Forscher untersuchten, wie sich von einem einzigen Oberflächendefekt zahlreiche hexagonale Defektlinien ausbreiten. Allerdings bleiben im Zentrum eines solchen 3-D-Netzwerks einige Bereiche ungestört. »Die auftretende kollektive Bewegung kann auf der gegenüberliegenden Seite des Wafers zu einem Heben oder Senken von beträchtlichen Flächenbereichen führen und störende Stufen bilden, was sich dort dann zum Beispiel nachteilig auf die Fertigung und Funktion von Mikrostrukturen auswirkt«, erläutert Hänschke.

Untersuchung an großen Kristallen

In Kombination mit mathematischen Modellrechnungen ermöglichen die Ergebnisse ein besseres Verständnis der zu Grunde liegenden physikalischen Prinzipien. »Bisherige Modelle beruhen vorwiegend auf Daten, die man an sehr kleinen Kristallproben mit Hilfe der Elektronenmikroskopie gewonnen hat«, erläutert Dr. Elias Hamann, ein weiteres Mitglied des Teams am KIT. »Mit unserer Methode können wir jedoch auch große, flächige Kristalle untersuchen, wie zum Beispiel handelsübliche Wafer«, fügt er an. Nur so könnten die genauen Zusammenhänge aufgedeckt werden, die zwischen anfänglichen, winzigen Originalschäden und den umfassenden daraus folgenden Kristalldeformationen bestehen, welche dann wiederum weit weg vom Ausgangspunkt zu Problemen führen könnten.