Analyse von Halbleitern
vom Rohmaterial bis zum fertigen IC

Ein Halbleiter ist ein Feststoff dessen elektrische Leitfähigkeit sich abhängig von der Temperatur zwischen der von Isolatoren und Leitern bewegt. Typische Halbleiter basieren auf den Elementen Silizium oder Germanium. Aber auch Verbindungen wie Galliumarsenid oder Indiumphospid (III-V Halbleiter) und einige organische Materialien weisen halbleitende Eigenschaften auf. Sowohl durch die Wahl des Halbleitermaterials, als auch durch gezielte Modifizierungen (Dotierung, Implantation) können die Charakteristika eines Halbleiters verändert werden. In Kombination mit ausgefeilten Strukturierungsmethoden (Lithographie, Abscheiden von Isolatorschichten, Ätzprozessen, …) entstehen so elektronische Bauelemente (z.B. Dioden, Transistoren), die in nahezu allen elektronischen Geräten wie Computern, Autos, Solarmodulen oder Taschenlampen zum Einsatz kommen.

Die Leistungsfähigkeit und Lebensdauer von Halbleiterbauelementen hängt empfindlich von der Reinheit der verwendeten Ausgangmaterialien und der Präzision der vielen einzelnen Prozessschritte bei der Herstellung ab. Aus diesem Grund wird die Produktion von Halbleitern zur Sicherung der Qualität durch verschiedenste analytische Techniken engmaschig überwacht. Diese Techniken kommen aber auch bei der Entwicklung immer kleinerer Halbleiterstrukturen und zur Fehleranalytik standardmäßig zum Einsatz.

Im Labor der Tascon GmbH gehört die Analyse von Halbleitern seit mehr als 20 Jahren zu unserem Aufgabenspektrum. Für unserer Kunden Charakterisieren Halbleiter vom Rohmaterial bis hin zum fertigen IC. diese Analysen setzen wir oberflächenanalytische Methoden wie die REM/EDX, die ToF-SIMS, XPS oder LEIS zur zielgerichteten Beantwortung der jeweiligen Fragestellung ein. Die nachfolgende Liste gibt Ihnen einen Überblick über typische Analysen, die wir im Auftrag unserer Kunden durchführen.

Analyse hochreiner Halbleitermaterialien
Bestimmung der chemischen Volumenzusammensetzung eines Halbleiters

Reinstsiliciumwafer werden durch einen mehrschrittigen Prozess aus Einkristallstäben hergestellt. Abhängig vom späteren Einsatzzweck können bereits beim Ziehen der Einkristalle Dotierstoffe zugegeben werden. Gleichzeitig sind unbeabsichtigte Kontaminationen (engl.: trace impurities) wie z.B. Kohlenstoff oder Fremdmetalle unerwünscht. Daher setzten viele Halbleiterproduzenten Analysentechniken wie die ToF-SIMS oder ICP-OES (MS) ein, um die chemische Zusammensetzung frisch hergestellter Wafer quantitativ zu untersuchen. Diese Verfahren werden auch bei der Analyse von III-V Halbleitern genutzt. Allerdings geht es bei diesen III-V Halbleiteranalysen oft nicht nur um Dotierungen und Spurenverunreinigungen, sondern auch um das Mischungsverhältnis der Matrixelemente. Das Tiefenprofil im linken Teil des folgenden Bildes (Fig. 1a) zeigt ein Beispiel einer solchen Analyse an einem SiGe Multischichtsystem, das die Möglichkeiten der Quantifizierung mit dem ToF-SIMS Verfahren verdeutlicht.

Tiefenprofil eines SiGe-Multischichtsystems und eines Bor-Implants

Neben der Charakterisierung von Halbleitermaterialien werden auch (teil-)prozessierte Halbleiterstrukturen regelmäßig in unseren Laboren untersucht. Typische Fragestellungen sind etwa die Veränderung oberflächennaher Bereiche durch temperaturgetriebene Migrations- und Diffusionsprozesse oder auch Erfolgskontrollen von Implantationsprofilen, die der gezielten Veränderung elektrischer Eigenschaften des Halbleitermaterials dienen. Ein solches Profil von Bor in Silicium zeigt Fig. 1b.

Analyse der Oberfläche eines Halbleiters

Selbst wenn das Volumen eines Halbleiters keine chemischen Auffälligkeiten zeigt, kann die Oberfläche eines Halbleiters sehr wohl verunreinigt sein. Verunreinigungen können sowohl in Form von Partikeln aber auch als dünne filmische Verunreinigung vorliegen.

Partikelverunreinigungen werden heute durch den Einsatz modernster Reinraumtechnik während der Produktion möglichst minimiert. Treten Partikel dennoch auf, ist die Rasterelektronenmikroskopie (REM-EDX) im Labor der Tascon meist erste Wahl bei der REM Abbildung eines verborgenen DefektsUrsachenforschung. Bei diesen Sauberkeitsanalysen werden Partikel lokalisiert, die Partikel-Topographie ermittelt und die elementare Zusammensetzung der Partikel bestimmt. Sollte die REM/EDX Hinweise auf organische Verunreinigungen liefern, können ToF-SIMS Analysen Aufschluss über die organische Zusammensetzung der untersuchten Partikel geben.

Das ToF-SIMS Verfahren ist auch sehr gut geeignet, um filmische Verunreinigungen zu analysieren. Filmische Verunreinigungen bestehen oft aus Prozessrückständen (z.B. Fotolacken, Tensiden), Adsorbaten aus der Reinraumluft (z.B. Weichmacher, Fette) oder Kontaminationen durch Werkzeuge und können mit der ToF-SIMS empfindlich nachgewiesen und identifiziert werden. Gleichzeitig erfasst die ToF-SIMS Methode auch elementare Rückstände, so dass anorganische Rückstände (z.B. Schleifmittel einer Politur, Salze) ebenfalls nachweisbar sind.

Analyse extrem dünner Schichten
Quantifizierung der Zusammensetzung, Schichtdicken und –geschlossenheit

Aufgrund der fortschreitenden Miniaturisierung integrierter Schaltkreise, steigt seitens der Halbleiterindustrie das Interesse an extrem dünnen metallischen oder isolierenden Schichten. LEIS Spektren von ALD Filmen mit verschiedener ZykluszahlDie Charakterisierung extrem dünner Schichten, die z.B. mit dem ALD Verfahren hergestellt wurden, erfolgt in unserem Labor vornehmlich mit der niederenergetischen Ionenstreuung (Low energy ion scattering (LEIS)). Die LEIS ist ein Verfahren, das quantitative Elementanalysen der äußersten Atomlage ermöglicht und so Untersuchung von Wachstumsprozessen und die Bestimmung von Schichtgeschlossenheit und mittlerer Schichtdicken erlaubt. Das hier gezeigte Beispiel von ALD Tantalpentoxidschichten auf SiO2, diente zur Optimierung des ALD-Prozesses und zur Bestimmung der bis zur Schichtgeschlossenheit notwendigen ALD-Zykluszahl.

Weitere Details zu ähnlichen Analysen von ALD Filmen finden Sie nach dem Anklicken des Links.

Analyse unbekannter Schichtaufbauten und Nachweis von Verunreinigungen an Grenzflächen und lokalisierten Defekten

Halbleiterstrukturen bestehen oft aus sehr vielen aufeinanderfolgenden Einzelschichten und komplexen Strukturen. Werden bei elektrischen oder spektroskopischen Tests Auffälligkeiten beobachtet, stellt sich die Frage, an welcher Stelle des komplexen dreidimensionalen Schichtsystems die Ursache hierfür zu finden sein könnte. Dabei ist die Zahl der Fehlermöglichkeiten sehr groß, so dass idealerweise eine Analysetechnik zur Charakterisierung eingesetzt wird, die eine Untersuchung des kompletten Schichtaufbaus und einen empfindlichen Nachweis aller Elemente in einer Analyseschritt ermöglicht. Moderne ToF-SIMS Geräte bieten diese Möglichkeiten, so dass die Charakterisierung komplexer Multischichtsysteme zur Identifizierung möglicher Fehler in vielen Fällen problemlos durchgeführt werden kann. Auf diese Art können typische Fragen nach Verunreinigungen oder Oxidation an Grenzflächen, Fremdmetallen in Schichten, Schichtdurchmischungen, Schichtdickenvariationen oder punktuelle Schichtdefekte (Buried defects) zügig beantwortet werden. Ein typisches Beispiel einer solchen Analyse einer metallischen Beschichtung für eine optische Anwendung finden Sie hier.

Aber auch im Bereich der organischen Halbleiter werden ähnlich gelagerte Fälle für Ausfälle verantwortlich gemacht. So beobachtet man analog zu den anorganischen Systemen auch in organischen Halbleitern Verunreinigungen, Durchmischungen, Dickenvariation oder Defekte von Schichten oder oxidative Zerfälle von Molekülen, die mittels organischer ToF-SIMS Tiefenprofile oder hochauflösender Hybrid-SIMS Analysen genauer untersucht werden können.

Analyse von Bondflächen und Bondierungsfehlern

Fertig prozessierte Halbleiterchips (engl. Dies) werden mittels dünner Drähte an sogenannten Bondierungspunkten (engl. bond pads) kontaktiert (vgl. REM Bild). REM Bild von Bond-PadsBeim Drahtbonden können verschiedene Fehlerbilder (z.B. Ablösen des Bandierungsflächen aufgrund eines fehlerhaften Schichtaufbaus, Abheben des Bonddrahts, Bond Pad Verfärbungen oder Korrosion, …) beobachtet werden, deren Ursache abhängig vom genauen Fehlerbild durch geeignete Analysen ermittelt werden kann. Ein Beispiel einer XPS Analyse einer verfärbten Bond pad Oberfläche finden sie hier.

Weitere typische Halbleiterfragestellungen

Neben den hier etwas detaillierter vorgestellten Analysen an Halbleitermaterialien erreichen uns wiederkehrend Fragen zu folgen Themenbereichen:

  • Analyse von Implantationsprofilen
  • Migration von Metallen (z.B. Dendritenbildung von Cu)
  • Versprödung von Materialien
  • Diffusionsprozesse in Halbleiterschichten
  • Packaging: Fehler beim Verguß oder Korrosionsschutzbeschichtung von Halbleitern und Leiterplatten
  • Aufklärung unbekannter Halbleiter-Schichtstrukturen zum Schutz eigener Patente (Reverse Engineering)
  • Grundlagenuntersuchungen zur Diffusion von Halbleitermatrialien

Tascon GmbH – Ihr Labor für die Analyse von Halbleitern

Sollte sich Ihre Fragestellung nicht unter den oben beschriebenen Beispielen typischer Analysen an Halbleitern bei der Tascon finden, sprechen Sie uns gerne an. In einem unverbindlichen Beratungsgespräch ermitteln wir Ihren individuellen Bedarf an Analytik und bieten Ihnen eine passgenaue analytische Lösung zu Ihrer Fragestellung an.

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