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Cool Silicon-Projekt entwickelt neue Untersuchungsverfahren für Chipfertigung

Die Chipherstellung verändert sich. Neue Fertigungsmethoden und immer kleinere Strukturen machen auch innovative Verfahren erforderlich, mit denen die Schaltkreise untersucht werden können. Das ist das Ziel eines Teilprojektes des sächsischen Spitzenclusters Cool Silicon: "Cool Analytics soll durch die Anwendung innovativer Analyseverfahren die Unternehmen dabei unterstützen, Fertigungsprozesse bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen zu optimieren", sagt Projektkoordinatorin Sonja Richter von X-FAB. "Dabei setzt Cool Analytics vor allem auf die Atomsondentomographie sowie auf Röntgenmikroskopie und Röntgentomographie."

 

Die Atomsondentomographie soll sich für die Optimierung der Fertigung nichtflüchtiger Speicher („non volatile memory“ – NVM) einsetzen lassen. Dabei werden zunehmend ultradünne Schichten verwendet. Wegen der hohen Anforderungen an die Ladungshaltung in diesen Speicherschichten – auch bei hohen Temperaturen – ist es erforderlich, die Elementverteilung darin möglichst genau zu kennen, um die Schichten dahingehend zu optimieren, dass keine Leckpfade entstehen.

 

Bei ihren Untersuchungen wollen sich die Forscher zunächst auf Sonos-basierte NVM-Speicher konzentrieren. Sie erhoffen sich von der Atomsondentomographie, dass sie dank dieser innovativen Analysemethode den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die elektrischen Eigenschaften der NVM-Speicherzellen besser verstehen. Für die Hersteller solcher Chips bedeutet dieses Wissen bares Geld. Denn einerseits ermöglichen diese Erkenntnisse die Erhöhung der Ausbeute bei der Produktion von NVM-Schaltkreisen durch eine verbesserte Prozessstabilität sowie die Verkürzung von Lernzyklen.

 

Andererseits soll das Projekt letzten Endes eine Verringerung der Betriebsspannungen und Leistungsaufnahme von NVM-Speicherelementen ermöglichen. Ein besseres strukturelles Verständnis der Ladungsspeicherung in SONOS-Zellen und die Kenntnis der wesentlichen Einflussparameter sollen zugleich Wege zur weiteren Verkleinerung der Strukturen eröffnen. Die Integration unterschiedlicher funktionaler Gruppen wie Speicher, Analog und Hochvolt auf einem Chip führt zu Verkürzung von Leitungswegen und ermöglicht die Herstellung besonders verlustarmer Schaltkreise.

 

Die hochaufgelöste Röntgenanalytik wird zur Optimierung der Gefügequalität von On-Chip-Verdrahtungen genutzt, die beispielsweise in neuen Prozessoren Verwendung finden sollen. Der Einsatz röntgenographischer Verfahren mit verbesserter Ortsauflösung, insbesondere Röntgenmikroskopie und -tomographie, soll es ermöglichen, Mechanismen der Defektbildung in Interconnect-Strukturen von Mikroprozessoren besser zu verstehen. Die Wissenschaftler wollen damit die Lebensdauer der Prozessoren deutlich erhöhen. Sie setzen zugleich auf eine verbesserte Ausbeute in der Fertigung, und eine Verringerung des Energieverbrauchs der Produkte durch Herabskalierung und Optimierung der Interconnect-Geometrie und den Einsatz neuer Materialien.

 

An Cool Analytics beteiligen sich die Chiphersteller X-FAB Dresden und Globalfoundries mit seinem Standort Dresden sowie die Forschungsinstitute Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien CNT, Fraunhofer- Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Dresden. Das Forschungsprojekt wird durch den Freistaat Sachsen mit 0,94 Millionen Euro gefördert.Die Chipherstellung verändert sich. Neue Fertigungsmethoden und immer kleinere Strukturen machen auch innovative Verfahren erforderlich, mit denen die Schaltkreise untersucht werden können. Das ist das Ziel eines Teilprojektes des sächsischen Spitzenclusters Cool Silicon: "Cool Analytics soll durch die Anwendung innovativer Analyseverfahren die Unternehmen dabei unterstützen, Fertigungsprozesse bei der Herstellung von mikroelektronischen Bauelementen zu optimieren", sagt Projektkoordinatorin Sonja Richter von X-FAB. "Dabei setzt Cool Analytics vor allem auf die Atomsondentomographie sowie auf Röntgenmikroskopie und Röntgentomographie."

 

Die Atomsondentomographie soll sich für die Optimierung der Fertigung nichtflüchtiger Speicher („non volatile memory“ – NVM) einsetzen lassen. Dabei werden zunehmend ultradünne Schichten verwendet. Wegen der hohen Anforderungen an die Ladungshaltung in diesen Speicherschichten – auch bei hohen Temperaturen – ist es erforderlich, die Elementverteilung darin möglichst genau zu kennen, um die Schichten dahingehend zu optimieren, dass keine Leckpfade entstehen.

 

Bei ihren Untersuchungen wollen sich die Forscher zunächst auf Sonos-basierte NVM-Speicher konzentrieren. Sie erhoffen sich von der Atomsondentomographie, dass sie dank dieser innovativen Analysemethode den Einfluss verschiedener Prozessparameter auf die elektrischen Eigenschaften der NVM-Speicherzellen besser verstehen. Für die Hersteller solcher Chips bedeutet dieses Wissen bares Geld. Denn einerseits ermöglichen diese Erkenntnisse die Erhöhung der Ausbeute bei der Produktion von NVM-Schaltkreisen durch eine verbesserte Prozessstabilität sowie die Verkürzung von Lernzyklen.

 

Andererseits soll das Projekt letzten Endes eine Verringerung der Betriebsspannungen und Leistungsaufnahme von NVM-Speicherelementen ermöglichen. Ein besseres strukturelles Verständnis der Ladungsspeicherung in SONOS-Zellen und die Kenntnis der wesentlichen Einflussparameter sollen zugleich Wege zur weiteren Verkleinerung der Strukturen eröffnen. Die Integration unterschiedlicher funktionaler Gruppen wie Speicher, Analog und Hochvolt auf einem Chip führt zu Verkürzung von Leitungswegen und ermöglicht die Herstellung besonders verlustarmer Schaltkreise.

 

Die hochaufgelöste Röntgenanalytik wird zur Optimierung der Gefügequalität von On-Chip-Verdrahtungen genutzt, die beispielsweise in neuen Prozessoren Verwendung finden sollen. Der Einsatz röntgenographischer Verfahren mit verbesserter Ortsauflösung, insbesondere Röntgenmikroskopie und -tomographie, soll es ermöglichen, Mechanismen der Defektbildung in Interconnect-Strukturen von Mikroprozessoren besser zu verstehen. Die Wissenschaftler wollen damit die Lebensdauer der Prozessoren deutlich erhöhen. Sie setzen zugleich auf eine verbesserte Ausbeute in der Fertigung, und eine Verringerung des Energieverbrauchs der Produkte durch Herabskalierung und Optimierung der Interconnect-Geometrie und den Einsatz neuer Materialien.

 

An Cool Analytics beteiligen sich die Chiphersteller X-FAB Dresden und Globalfoundries mit seinem Standort Dresden sowie die Forschungsinstitute Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien CNT, Fraunhofer- Institut für Werkstoff- und Strahltechnik IWS und Fraunhofer-Institut für Zerstörungsfreie Prüfverfahren IZFP in Dresden. Das Forschungsprojekt wird durch den Freistaat Sachsen mit 0,94 Millionen Euro gefördert.