Микросхема как сандвич: что скрывается внутри

Представьте небольшую записную книжку - страниц на десять. Каждая заполнена некими значками. Можно ли, не раскрывая её, прочесть конкретную страницу? Можно, отвечает Эдуард Рау, ведущий научный сотрудник объединённой лаборатории по микроскопии и электронной микротомографии на физфаке МГУ им. М. В. Ломоносова. Под его руководством разработан оригинальный способ бесконтактного неразрушающего исследования образцов. Правда, в данном случае речь идёт не о записных книжках (этот пример учёный приводит своим студентам для наглядности), а о микроэлектронных устройствах и приборах.

Лаборатория занимается электронно-зондовой диагностикой изделий, материалов и приборов микроэлектроники. В последние годы микроэлектроника интенсивно переходит в наноэлектронику, поэтому исследовательская работа перестраивается нананообласть. Существенно усложняется контроль и диагностика микросхем из-за постоянно уменьшающихся размеров их отдельных компонентов. Когда-то счёт шёл на микроны, потом на субмикроны, а теперь - на десятки нанометров. Это в тысячу раз меньше диаметра человеческого волоса (50 микрон). Например, на больших микросхемах, которые установлены в компьютерных процессорах, размер кристалла составляет несколько миллиметров. А таких элементов там может быть насажено более миллиарда - и всё это на очень малых площадях.

Для справки: Рау Эдуард Иванович, заведующий объединённой лабораторией по микроскопии и электронной микротомографии, созданной Институтом проблем технологий микроэлектроники РАН и физическим факультетом на кафедре физической электроники МГУ; профессор, доктор физико-математических наук.

Рис. 1. Под руководством Эдуарда Рау разработан оригинальный способ бесконтактного неразрушающего исследования образцов.

Микросхемы всё чаще выполняются многослойными - по структуре напоминают сандвич. Если вдруг на каком-то слое происходит сбой в работе, то крайне сложно определить, где именно появился дефект. Структуры-то непрозрачные. В оптике нельзя увидеть каждый элементик - оптические микроскопы не справляются с этой задачей. Но это под силу растровому электронному микроскопу, который позволяет увеличить размер изучаемого объекта в 100 тысяч раз. Именно его учёные используют в своих работах. Заглянуть вглубь, под поверхность образца - основная цель микротомографии («томография» - изображение сечения).

Раньше эту задачу решали следующим образом: изучали поверхность сканирующим микроскопом, потом верхний уровень «спиливали» (химическим травлением или ионными пучками), смотрели второй, третий и т.д. Способ, естественно, разрушающий. Для наглядности профессор Рау проводит аналогию с медициной: это всё равно что в поисках опухоли в организме человека отрезать у него одну за другой части тела.

Рис. 2. Микросхемы всё чаще выполняются многослойными - по структуре напоминают сандвич. Чтобы увидеть каждый их элементик, учёные используют растровый электронный микроскоп.

Позднее группа японских и американских авторов предложила другой метод. Точнее, они восстановили старый, появившийся на заре сканирующей микроскопии - лет 40 назад. Суть его сводилась к ускорению до больших энергий электронов, сфокусированных в зонд.

«Действительно, чем больше энергии у первичных электронов, тем они глубже проникают под поверхность и несут информацию из-под оптически непрозрачной поверхности, - комментирует Эдуард Рау. - Проблема только в том, что при этом детектируются все отражённые электроны. Первичный электрон попадает на поверхность, потом идёт вглубь, отражается на определённой глубине и выходит обратно - на всём пути, туда и обратно, он собирает информацию не только о том слое, где он отразился, допустим, третьем, но и о первом и о втором. Все они тоже несут интегральную по глубине информацию. Мы действительно видим один или второй слой образца, но на фоне размытого изображения либо верхних, либо нижних слоёв. То есть всё наслаивается и даёт облачную, размытую тень».

В лаборатории профессора Рау предложили другой метод - микротомографический, позволяющий получать более качественное изображение отдельных тонких слоёв микроструктуры. Базируется он на детектировании части обратно рассеянных электронов, профильтрованных по их энергии.

«Электроны, отразившиеся на определённой глубине под поверхностью, обладают соответствующей энергией, которая обратно пропорциональна глубине отражаемого слоя, - объясняет Эдуард Рау. - Чем глубже залегает микронеоднородность в трёхмерной структуре, тем больший путь проходит электрон и, соответственно, теряет большую энергию. Детектирование электронов с определённой энергией позволяет визуализировать слой образца на установленной глубине».

Для анализа электронов учёные использовали оригинальный спектрометр с тороидальными электродами. Авторы адаптировали его к растровому микроскопу для получения качественных изображений.

Для справки: проект «Разработка метода нанотомографии и создание аппаратуры для измерений геометрических параметров и топологии наноструктур скрытых под поверхностью» выполнялся с 2008-го по 2010-й год при поддержке ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы». Бюджет проекта составил 20 миллионов рублей.

Чтобы располагать дополнительной информацией о распределении потенциальных барьеров в исследуемой структуре, нужно провести одновременное детектирование электронно-индуцированного потенциала на образце. В этом режиме датчиком сигнала служит металлическое кольцо, помещённое непосредственно между спектрометром и поверхностью тестируемой структуры. Этот сигнал поступает на экран микроскопа, формируя картину всех электрически активных фрагментов полупроводникового кристалла или микросхемы.

Предложенный способ одновременного детектирования в растровом микроскопе двух информативных видеосигналов позволяет осуществить и визуальный послойный мониторинг топологического строения микроструктуры по глубине и электрически активных элементов микросхем. Учёные подчёркивают, что диагностика неразрушающая и не требует электромеханических контактов для доступа к любым элементам микросхемы, что делает её пригодной для тестирования и контроля качества изделия на всех технологических этапах производства прибора. Другими словами, эти методы пригодны как для тестирования объёмного (трёхмерного) строения тонкоплёночных многослойных микро- и наноструктур, так и для картографирования всех электрически активных элементов исследуемого образца (локальных потенциальных барьеров, дефектов полупроводникового кристалла, распределения примесей и скопления рекомбинационных центров).

«Мы продолжаем усовершенствовать свои методы, в частности разрабатываем новые модели для проведения количественных исследований, то есть не только для получения электронно-томографических картинок (изображений), но и интерпретации химического состава, а также глубин залегания фрагментов наноструктур, - говорит Эдуард Рау. - Наша задача комплексная - количественная диагностика трёхмерных микро- и наноструктур».