Mit dem Trend zu leistungsfähigeren und höher integrierten IC-Designs steht die Mikroelektronikbranche vor wachsenden Herausforderungen, da Schichtdicken weiter abnehmen und die Strukturen innerhalb dieser Schichten zunehmend kompakter werden. Bestehende Verfahren zum Delayering solcher fortschrittlichen IC-Chips sind zunehmend kostenintensiv, fehleranfällig und in ihrer Anwendbarkeit eingeschränkt.

Für eine erfolgreiche Fehleranalyse und ein präzises Reverse Engineering moderner IC-Chips sind innovative Materialabtragsverfahren erforderlich, die eine gleichmäßige und exakt kontrollierte Entfernung von Material im Nanometerbereich über die gesamte Chipfläche ermöglichen. Das primäre Ziel des Delayerings besteht darin, die Bestandteile eines IC-Chips in einer einzigen, gleichmäßigen Ebene freizulegen. Ein fehlerhafter Prozessschritt kann benachbarte Schichten durchdringen und Materialien sowie Strukturen freilegen, die nicht zur Ziel­ebene gehören. Erfolgreiche Delayering-Techniken müssen daher glatte, homogene und planare Oberflächen erzeugen – im Mikro-, Nano- oder sogar im atomaren Maßstab.

Diese Herausforderung wird durch die Vielzahl unterschiedlicher Materialien innerhalb einer IC-Schicht zusätzlich verstärkt. Aufgrund ihrer spezifischen physikalischen Eigenschaften reagieren diese Materialien unterschiedlich auf den Materialabtrag. Effiziente Abtragsprozesse müssen diese Unterschiede berücksichtigen und gleichzeitig eine präzise Steuerung, hohe Prozessstabilität und eine qualitativ hochwertige planare Oberfläche über den gesamten Chip hinweg gewährleisten. Delayering umfasst verschiedene Verfahren, um diese Anforderungen zu erfüllen, indem die Abtragsraten gezielt kontrolliert werden, sodass eine gemeinsame planare Ebene für Fehleranalyse und Messtechnik entsteht.

Universeller Materialabtrag

IBE kann durch einen physikalischen Prozess, das sogenannte Sputtern, nahezu jede Art von Material abtragen und stellt damit ein universelles Ätzverfahren dar. Metalle, Legierungen, Isolatoren, Halbleiter, kohlenstoffbasierte Materialien sowie komplexe Mehrschichtverbunde können gezielt bearbeitet werden. Darüber hinaus ermöglicht IBE eine präzise Steuerung des Materialabtrags durch die Anpassung von Ionenstrahlparametern wie Energie, Ionenstromdichte und Einfallswinkel, die den Sputterprozess maßgeblich beeinflussen.

Materialselektivität

Durch die Auswahl geeigneter Prozessgase für das Ionenstrahlätzen lassen sich die Materialabtragsraten optimieren, sodass ein Material gegenüber einem anderen bevorzugt geätzt werden kann. Diese Eigenschaft, bekannt als Ätzselektivität, ermöglicht den gleichmäßigen Abtrag der unterschiedlichen Materialien innerhalb einer IC-Schicht und führt zu den glatten, planaren Oberflächen, die für eine effektive Analyse erforderlich sind.

Präzision im Nanometermaßstab

Während IBE in der Lage ist, auch mehrere zehn Mikrometer dicke Materialien – beispielsweise obere Passivierungsschichten – abzutragen, stellt insbesondere die Möglichkeit des Materialabtrags bis hinunter auf atomare Ebenen einen entscheidenden Fortschritt im Bereich des IC-Delayerings dar. Die hohe Präzision und Wiederholgenauigkeit von IBE ermöglichen eine Auflösung im Nanometerbereich und reduzieren Fehler wie Unterätzen oder Überätzen der Zielschicht erheblich.

Oberflächenplanarisierung

Viele IC-Chips weisen Oberflächenschichten auf, die zunächst nicht eben sind, sondern hervorstehende Strukturen enthalten. IBE bietet hier entscheidende Vorteile, da durch kontrollierte Ionenstrahlwinkel gezielt erhöhte Bereiche abgetragen werden können, um eine glatte und gleichmäßig planare Oberfläche zu erzielen. Im Gegensatz zu mechanischen Polierverfahren, die auf Suspensionen (Slurries) und physikalischer Krafteinwirkung basieren, erfolgt der Materialabtrag bei IBE auf molekularer oder atomarer Ebene.

Großflächige Gleichmäßigkeit

Die große Ausdehnung des Ionenstrahls eignet sich ideal für die Bearbeitung von IC-Chips, die typischerweise klein sind (bis zu 25 mm × 25 mm). IBE gewährleistet einen gleichmäßigen Materialabtrag über die gesamte Chipfläche mit einer Nichtgleichmäßigkeit von weniger als 1 %. Diese Eigenschaft ermöglicht die konsistente Fortführung planarer Schichten in tiefere Bereiche der IC-Struktur.

Nichtinvasiver Prozess

Im Vergleich zu konventionellen Verfahren minimiert IBE störende Nebeneffekte, die IC-Schichten verformen oder nachfolgende Messungen beeinträchtigen können. Beispielsweise:

• Mechanisches Polieren birgt das Risiko von Oberflächenkontamination oder verbleibenden mechanischen Schäden.
• Nasschemisches Ätzen kann zu Korrosion oder zum Eindringen von Flüssigkeiten in darunterliegende Schichten führen.
• Trockenplasmaätzen setzt IC-Chips hochdichtem Plasma, Wärme und Strahlung aus, was Oberflächenmaterialien verändern kann.

IBE vermeidet diese Herausforderungen, indem die Exposition gegenüber Volumenplasma, Wärme und Strahlung minimiert wird und so die Integrität der Materialien des IC-Chips erhalten bleibt.