Stufenhöhe, Ätztiefe und Rauheit an Halbleiterstrukturen messen: Prozessfehler eingrenzen

Manche Fehlerbilder haben kein Bild. Die Struktur sieht unter jedem Mikroskop unauffällig aus, und trotzdem fällt das Bauteil aus, überschlägt eine Spannung, koppelt ein Wellenleiter nicht mehr oder liefert eine Charge Ausbeuten, die zwei Wochen zuvor noch stimmten. In diesen Fällen ist der aussagekräftige Wert eine Höhe, eine Tiefe oder eine Rauheit, und er liegt unterhalb eines Mikrometers. Dieser Beitrag beschreibt, wie solche Werte an einer Halbleiterprobe entstehen und wie sie den Prozessschritt eingrenzen, der aus dem Ruder gelaufen ist.

Wichtige Punkte im Überblick

Der Unterschied zur Maßprüfung liegt in der Frage, denn hier ist der Ausfall bereits eingetreten und der Messwert soll ihn erklären: Eine zu tief gelaufene Ätzung verweist auf Zeit oder Chemie, eine zu hoch aufliegende Schicht auf Abscheidung oder Planarisierung, eine rauer gewordene Fläche auf Vorbehandlung, Politur oder ein gealtertes Verbrauchsmaterial.
Die Proben sind selten ersetzbar, und ein Tastschnitt fährt mit einer Spitze über genau die Struktur, deren Zustand die Frage beantworten soll, weshalb das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X diese Größen berührungslos an der Probe misst.
Sobald die Struktur eine Vertiefung ist, endet der mechanische Weg, denn in einen wenige Mikrometer breiten Kanal, in eine Durchkontaktierung im Glaswafer und bis auf den Grund eines geätzten Lochs kommt kein Taster, während Tiefe, Flankenverlauf und Bodenzustand optisch darstellbar bleiben.
An Halbleiter- und Substratstrukturen ist die Rauheit häufig der Ausfallmechanismus selbst, mit Anforderungen im Bereich um 0,1 µm Ra, und sie wird flächig ausgewertet, weil eine einzelne Messstrecke die Ursache verfehlt, wenn nur ein Teil der Fläche aufgeraut ist.
Der eigentliche Abnahmetest ist der Vergleich mit dem bisherigen Messverfahren, und er trägt nur an derselben Stelle derselben Probe, mit identischer Messstrecke, identischen Filtern und Kennwerten und mit mehreren Wiederholungen je Verfahren.

Wenn die Ursache eine Höhe ist: Stufe, Ätztiefe und Rauheit als Diagnosewert

Der Unterschied zur Maßprüfung liegt in der Frage. Bei einer Maßprüfung steht eine Toleranz in der Zeichnung und es wird geprüft, ob das Teil sie einhält. Hier ist der Ausfall bereits eingetreten und der Messwert soll erklären, warum. Eine Ätzung, die zu tief gelaufen ist, verweist auf Zeit oder Chemie im Ätzschritt. Eine Schicht, die zu hoch aufliegt, verweist auf Abscheidung oder Planarisierung. Eine Fläche, die rauer geworden ist, verweist auf Vorbehandlung, Politur oder ein gealtertes Verbrauchsmaterial.

Ein dokumentiertes Beispiel macht die Logik greifbar. An Hochfrequenzbauteilen für die Halbleiterfertigung entstehen Überschläge, wenn die Kante des Kupfer- oder Edelstahllaminats nicht sauber verrundet ist und die Oberfläche zu rau bleibt. Gemessen werden deshalb Kantenverrundung und Rauheit, in dokumentierten Anwendungen mit einer Rauheitsanforderung um 0,1 µm Ra an der Fläche. Nicht weil eine Zeichnung es verlangt, sondern weil der Ausfallmechanismus diese beiden Größen benennt.

Berührungslos messen an Proben, die man nicht anfassen darf

Die Proben in diesen Untersuchungen sind selten ersetzbar: Wafer aus einer gesperrten Charge, Bruchstücke, beschichtete Musterstrukturen aus einer Entwicklungsreihe, gedruckte Metallstrukturen im Bereich weniger Mikrometer. Ein Tastschnitt fährt mit einer Spitze über genau die Struktur, deren Zustand die Frage beantworten soll, und hinterlässt im ungünstigen Fall eine Spur im Befund.

Das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X misst diese Größen optisch an der Probe, ohne sie zu berühren. Damit bleibt die Probe für den nächsten Schritt der Untersuchung erhalten, etwa für eine Aufnahme im Elektronenmikroskop oder für einen Querschliff, und dieselbe Stelle lässt sich vor und nach einem Prozesseingriff erneut messen. In Laboren, die im Reinraum arbeiten, kommt hinzu, dass eine berührungslose Messung keinen Abrieb erzeugt.

Stufenhöhe und Schichthöhe unterhalb eines Mikrometers

Eine Stufe zwischen zwei Lagen ist der direkteste Hinweis darauf, dass ein Schichtaufbau nicht so entstanden ist wie geplant. In dokumentierten Anwendungen geht es dabei um Schichten im Bereich einiger Nanometer: An mehrlagigen Dünnschichtaufbauten auf dem Wafer werden die Stufen zwischen Schutzschicht, Funktionsschicht und Siliziumwafer gemessen, bei Schichtdicken in der Größenordnung von zehn Nanometern. Weicht eine dieser Stufen ab, ist klar, welcher der drei Aufbauschritte zu betrachten ist.

Auch in weniger extremen Fällen bleibt die Logik dieselbe. Metallgedruckte Strukturen werden über Schichthöhe und Rauheit beurteilt, Topographien nach dem Bespattern zeigen, ob das Material gleichmäßig aufgetragen wurde, und Glasschichten auf Drucksubstraten geben über ihre Höhe Auskunft über den Auftrag. Wichtig ist die flächige Messung: Ein einzelner Profilschnitt trifft die Fehlstelle nur zufällig, während eine Flächenmessung zeigt, ob die Abweichung lokal ist oder über die ganze Struktur läuft. Das ist der Unterschied zwischen einem Handhabungsschaden und einem Prozessfehler.

Ätzstrukturen, Kanäle und Löcher: an Geometrien messen, die ein Taster nicht erreicht

Sobald die Struktur eine Vertiefung ist, endet der mechanische Weg. Ein Taster kommt nicht in einen wenige Mikrometer breiten Kanal, nicht in eine Durchkontaktierung im Glaswafer und nicht bis auf den Grund eines geätzten Lochs. Gerade dort sitzen aber die Fragen: Ist die Ätzung überall gleich tief gelaufen? Sind die Flanken steil geblieben oder unterätzt? Hat ein Loch am Grund noch Restmaterial?

In dokumentierten Anwendungen werden Kanäle auf Wafern und Durchkontaktierungen in Glaswafern optisch vermessen und dreidimensional dargestellt, einschließlich Tiefe, Flankenverlauf und Bodenzustand. Ein Forschungsinstitut misst genau diese Kombination aus Kanaltiefe und Rauheit, weil die Funktion des Wellenleiters an beiden hängt. Aus dem Vergleich mehrerer Positionen auf derselben Probe lässt sich anschließend eingrenzen, ob eine Maske, eine Anlagenzone oder die Prozesszeit die Abweichung erzeugt hat.

Rauheit als Funktionsmerkmal: warum Ra hier über den Ausfall entscheidet

In vielen Branchen ist Rauheit ein Oberflächenmerkmal unter mehreren. An Halbleiter- und Substratstrukturen ist sie häufig der Ausfallmechanismus selbst. Eine zu raue Fläche hält der Feldstärke nicht stand, streut Licht, verschlechtert die Haftung einer Folgeschicht oder verändert das Benetzungsverhalten beim nächsten Beschichtungsschritt.

Die Anforderungen liegen entsprechend niedrig. In dokumentierten Anwendungen wird an Beschichtungen auf Leiterplatten, an laminierten Kupfer- und Edelstahlflächen und an gedruckten Metallstrukturen im Bereich um 0,1 µm Ra gemessen. Einfache optische Rauheitsmessung löst Werte unterhalb eines Mikrometers nicht mehr auf, sodass solche Fragen oft an ein externes Institut gehen. Sinnvoll ist, neben dem Profilkennwert auch flächige Kennwerte auszuwerten, weil eine einzelne Messstrecke die Ursache verfehlen kann, wenn die Aufrauung nur einen Teil der Fläche betrifft.

Vergleich mit dem bisherigen Messverfahren: der eigentliche Abnahmetest

Fast jede dieser Anwendungen führt an dieselbe Stelle, nämlich zum direkten Vergleich mit dem Verfahren, das das Labor bereits nutzt. Das ist kein Formalismus. Die Historie der Prozessdaten ist mit dem alten Verfahren aufgenommen, und ein neuer Wert ist nur dann brauchbar, wenn er sich in diese Historie einordnen lässt.

Ein Vergleich, der trägt, hält drei Bedingungen ein:

Dieselbe Stelle an derselben Probe, markiert oder über gespeicherte Positionen wieder angefahren, nicht zwei Stellen mit ähnlichem Charakter.
Dieselben Auswerteparameter, also identische Messstrecke, Filter und Kennwerte, weil ein anders gesetzter Filter allein schon eine Abweichung erzeugt.
Mehrere Wiederholungen, damit die Streuung beider Verfahren sichtbar wird und nicht als Differenz zwischen ihnen erscheint.

In dokumentierten Anwendungen deckten sich die Ergebnisse einer optischen Messung und eines vorhandenen Tastschnittgeräts auf diese Weise, in einem anderen Fall taten sie es nicht. Beides gehört zur Erwartung: Wer den Vergleich früh und sauber aufsetzt, weiß schnell, woran er ist.

Messdaten weiterverarbeiten: Export und Auswertung außerhalb des Geräts

In Forschung und Prozessentwicklung ist die Messung selten das Ende der Kette. Die Höhendaten sollen in die eigene Auswerteumgebung, in eine Statistik über mehrere Chargen oder in einen Vergleich mit einem Simulationsergebnis. Mehrere Labore nennen den Datenexport deshalb als harte Anforderung und nicht als Komfortmerkmal, in einem Fall bis hin zur Klärung des CSV-Formats vor der Beschaffung.

Praktisch heißt das: Profil- und Flächendaten müssen das Gerät verlassen können, nicht nur Kennwerte und Bilder. Erst dann lässt sich eine Stufenhöhe über dreißig Proben hinweg gegen ein Prozessparameterprotokoll legen, und erst dann wird aus einer Einzelmessung die Eingrenzung eines Prozessfehlers. Wer diese Anforderung im Beschaffungsprozess formuliert, sollte sie am eigenen Datensatz prüfen und nicht am Datenblatt.

Abgrenzung: was Bildgebung leistet und was Höhenmessung leistet

Die Arbeitsteilung ist in diesen Projekten deutlich ausgesprochen. Sehen, zählen, klassieren und dokumentieren gehören zum Digitalmikroskop: Partikel auf einer Chipfläche, Fehlstellen in einer Struktur, Bruchkanten, Verfärbungen, die Bilddokumentation für den Bericht. Sobald die Antwort eine Zahl unterhalb eines Mikrometers ist, übernimmt das 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X. Ein Labor formuliert es genau so: Rauheit auf dem Wafer geht nur über die Laserscanning-Messung, alles andere bleibt am Digitalmikroskop.

Zwei Nachbarfragen gehören ausdrücklich nicht hierher. Waferdicke, TTV und Ebenheit sind Maßaufgaben der Dimensionsmesstechnik und keine Ursachensuche. Und wo eine ganze Leiterplatte auf Wölbung oder in Profilschnitten betrachtet wird, ist das 3D-Profilometer der Modellreihe VR-6000 das flächig passende Gerät, ebenfalls als Maßaufgabe. Wie ein solcher Befund in eine vollständige Untersuchung eingebettet wird, beschreibt der Beitrag „Fehleranalyse an elektronischen Baugruppen: vom Feldausfall zur belegten Ursache".

Häufige Fragen

F Wann ist eine Höhenmessung die richtige Antwort auf einen Prozessfehler?

Immer dann, wenn das Fehlerbild optisch unauffällig bleibt, der Ausfallmechanismus aber an einer Geometrie hängt. Überschläge deuten auf Kantenverrundung und Rauheit, Haftungsprobleme auf die Oberflächenbeschaffenheit, Funktionsverluste an Kanälen und Gräben auf Ätztiefe und Flankenverlauf. Der gemessene Wert grenzt dann den Prozessschritt ein, in dem die Abweichung entstanden ist.

F Warum wird an Halbleiterproben berührungslos gemessen?

Weil die Probe oft ein Unikat ist und weil eine Tastspitze feine Strukturen, Schichten und Beschichtungen beschädigen kann. Eine optische Messung mit dem 3D Laserscanning-Mikroskop der Modellreihe VK-X lässt die Probe unverändert, sodass dieselbe Stelle mehrfach und auch nach einem Prozesseingriff erneut gemessen werden kann und weitere Untersuchungen möglich bleiben.

F Was misst man an einer Ätzstruktur, das ein Tastschnittgerät nicht liefert?

Alles, was in einer Vertiefung liegt. Schmale Kanäle, Durchkontaktierungen in Glaswafern und geätzte Löcher sind für eine Tastspitze nicht zugänglich, optisch aber in Tiefe, Flankenverlauf und Bodenzustand darstellbar. Zusätzlich liefert die flächige Messung mehrere Positionen auf derselben Probe, woraus sich ablesen lässt, ob eine Abweichung lokal ist oder über die gesamte Struktur läuft.

F Wie vergleicht man eine optische Messung sauber mit dem bisherigen Verfahren?

An derselben markierten Stelle derselben Probe, mit identischer Messstrecke, identischen Filtern und identischen Kennwerten, und mit mehreren Wiederholungen je Verfahren. Nur so wird sichtbar, wie groß die Streuung der beiden Verfahren jeweils ist. In dokumentierten Projekten decken sich die Ergebnisse auf diese Weise, in anderen tun sie es nicht, und genau das soll der Vergleich früh zeigen.

F Gehören Waferdicke und Ebenheit auch in diese Messungen?

Nein. Waferdicke, TTV und Ebenheit sind Maßaufgaben der Dimensionsmesstechnik und werden gegen eine Toleranz geprüft. Die hier beschriebenen Messungen dienen der Ursachensuche: Stufenhöhe, Ätztiefe, Kantenradius und Rauheit werden erhoben, weil ein Ausfall oder eine schwankende Ausbeute erklärt werden muss.

F Warum ist der Datenexport in diesen Projekten so wichtig?

Weil die Messung nur ein Zwischenschritt ist. Profil- und Flächendaten werden in der eigenen Auswerteumgebung mit Prozessparametern, Chargendaten oder Simulationsergebnissen zusammengeführt, und erst diese Verknüpfung grenzt den fehlerhaften Prozessschritt ein. Mehrere Labore nennen den Export deshalb als Bedingung und klären das Dateiformat bereits vor der Beschaffung.

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