Kwaliteit van chips wordt steeds beter

Een verontreiniging op een verkeerde plaats kan de werking van een schakeling nadelig beïnvloeden. Met de nieuwe techniek kunnen de effecten van verontreinigingen op het chipmateriaal worden vastgesteld. “Het gaat hierbij om ongewenste stoffen op maar ook in de chips”, zegt David Muller, wetenschapper van Bell Labs. Om de ongewenste stoffen op het oppervlak van de chip op te sporen, wordt gebruik gemaakt van een speciale elektronenmicroscoop, een scanning transmission electron microscope. Het beeld dat dit instrument oplevert, geeft een duidelijke indicatie van het basismateriaal en de aanwezige verontreinigingen. “Het werkt tot ons genoegen niet alleen aan de oppervlakte, door de scan-techniek kunnen we ook binnenin het siliciumkristal kijken. Dit is een primeur”, aldus Muller. Meten Het meetinstrument bevat een miniem naaldje met een zeer scherpe punt, die op korte afstand boven de chip heen en weer wordt bewogen. Via het naaldje kan worden gemeten hoeveel vrije elektronen zich vlak bij de naaldpunt bevinden. Dat is een maat voor de hoeveelheid verontreinigingen in het substraat van de chip. Bij de chipfabricage van een aantal jaren geleden maakte het niet zoveel uit als kleine hoeveelheden van een ander materiaal in of op de chip terecht kwamen. Muller: “Nu de spoorbreedtes steeds kleiner worden, gaan die extra vervuilingen wel een rol spelen. Als je niet oppast raakt door zo’n ongecontroleerde vervuiling een heel circuit waardeloos.” Schaaleffecten Op de zogeheten nanoschaal, waar de hedendaagse en vooral toekomstige halfgeleidercircuits worden gemaakt, spelen bovendien onvermoede factoren een rol. Het blijkt niet meer zo te zijn dat een bepaalde concentratie verontreinigingen in het silicium altijd hetzelfde effect heeft. Om een overmaat aan elektronen te kweken in een halfgeleider, moet het substraat worden voorzien van deeltjes fosfor. Voor een goede werking van de schakeling is een bepaalde hoeveelheid moleculen van het verontreinigende materiaal per volume-eenheid nodig. Onderzoeker Peter Voyles van Bell Labs zegt: “Reken je met kubieke centimeters, dan weten we heel goed hoeveel elektronen er vrijkomen bij een bepaalde mate van verontreiniging. Ga je naar kubieke millimeters dan kunnen we ook nog heel aardig voorspellen wat er zal gebeuren, maar op nog kleinere schaal gaan we de mist in. Het blijkt, dat een groot deel van de verontreiniging niet-actief is. Met andere woorden: dat materiaal levert geen extra elektronen op in het substraat. Via allerlei metingen met de nieuwe microscoop willen we uitvinden waarom dat zo is.” Het vinden van de enkele vreemde atomen in een plakje silicium lijkt heel sterk op het zoeken naar de spreekwoordelijke naald in de hooiberg. “Je kunt trouwens pas zeggen dat je iets gevonden hebt als je weet hoe het er uit moet zien. Onze mensen moesten dus getraind worden in het gebruik van de nieuwe microscoop. Daarvoor hebben we een aantal proefstukjes silicium gemaakt, met een dikte van slechts tien atomen. In eerste instantie werd gewerkt met ultrazuiver silicium, dus zonder enige verontreiniging. Het aftasten van die plakjes leverde een ijkpatroon op, waar alleen verschillen in dikte van de plak en eventuele randeffecten zichtbaar werden.” “Daarna werden daarin enkele atomen van de stof antimonium aangebracht, volgens de bekende dotatietechnieken die we kennen uit de reguliere chipsproductie. Nu konden we de twee situaties goed met elkaar vergelijken. Met een beetje oefening zijn onze mensen in staat om zelfs een enkel atoom op te sporen”, aldus Voyles. Softwarefilter De onderzoekers maken gebruik van een ultramoderne uitvoering van de scanning tunneling electron microscope (STEM), die vrijwel geen afwijkingen introduceert in het beeld. De gegenereerde beelden worden overigens niet direct door de onderzoekers bekeken, ze worden eerst gefilterd via software. Door dat proces worden ongewenste onzuiverheden uit het beeld verwijderd. Bovendien wordt ieder opgenomen beeld ook nog eens berekend met behulp van een simulatieprogramma. Die laatste programmatuur maakt een beeld, op basis van wiskundige vergelijkingen. In de praktijk blijken de gemeten en de berekende beelden zeer goed overeen te komen. ”Zeker voor het geoefende oog zijn de overeenkomsten frappant”, aldus Voyles. De onderzoekers hebben hun bevindingen reeds neergelegd in een artikel in het blad Nature.