Halbleitertechnologie

Technologie ist im Duden definiert als “Lehre von der Gewinnung und Verarbeitung von Roh- und Werkstoffen zu betriebssicheren technischen Produkten”. Halbleitertechnologie im engeren Sinne ist demgemäß die Verfahrens- und Methodenlehre von der Gewinnung und Verarbeitung von Halbleitermaterialien im Hinblick auf die Herstellung elektrischer Halbleiter-Bauelemente.

Der Gewichtsanteil von Silizium in der Erdrinne beträgt über 20 %. Es kommt in der Natur nicht als Element, sondern nur in Verbindungen vor, wie z.B. hauptsächlich als Quarz (Si0₂) und als Silikate (z.B. Feldspat).

Das von Pfann 1952 für die Höchstreinigung von Germanium entwickelte Zonenreinigungsverfahren besitzt heute für die Reinstdarstellung von Halbleitereinkristallen die größte Bedeutung. Verunreinigungen, die bei der Vorreinigung nicht erfaßt werden, können mit diesem Verfahren meist erheblich reduziert werden. Das Verfahren beruht darauf, daß die Löslichkeit eines Fremdstoffes in einem Halbleitermaterial in der flüssigen und festen Phase im allgemeinen unterschiedlich ist. Eine schmale geschmolzene Zone (Bild 3) wird langsam durch den Halbleiter bewegt.

Mitunter ist es bereits bei der Höchstreinigung der Halbleitermaterialien (Abschnitt 2) möglich, Halbleitereinkristalle von so hoher Kristallqualität herzustellen, wie sie für die Bauelementfertigung erforderlich ist. In diesem Abschnitt werden die drei wichtigsten Methoden der Einkristallzüchtung beschrieben, nämlich wobei insbesondere bei den beiden letztgenannten Methoden auf die für die Halbleiter-Technologie wichtig gewordene Epitaxie eingegangen wird.

Zur Erzielung der für die Bauelemente nötigen Form und Oberflächenbeschaffenheit muß das einkristalline Halbleitermaterial mechanisch und chemisch behandelt werden. Meist werden Scheiben mit einer Dicke zwischen 10 µm und 1 mm und einem Durchmesser zwischen 1 mm und 100 mm aus dem Einkristallmaterial benötigt.

Viele Halbleiterbauelemente benötigen einen oder mehrere pn-Übergänge. Für die Herstellung von pn-Übergängen gibt es mehrere Methoden, vorwiegend Diffusion, Epitaxie und Ionenimplantation. Da die Epitaxie in ihren Grundzügen bereits in den Abschnitten 3.2.1, 3.3.1 und 3.3.2 beschrieben wurde, wird in diesem Abschnitt den Diffusionsvorgängen ein breiterer Raum gegeben. Es werden auch die Diffusionsprozesse berücksichtigt, die bei der Epitaxie eine Rolle spielen. Auch jene Schichtfolgen werden behandelt, die der Diffusionstechnik unzugänglich sind, nämlich schwach dotierte Zonen mit konstanter oder veränderlicher Dotierung auf hochdotiertem Substrat gleichen Leitungscharakters (z. B. nn⁺-Übergänge). Solche Schichtfolgen mit einem bestimmten Leitfähigkeitsprofil, die nur mit der Epitaxie herstellbar sind, stellen in vielen Fällen (z. B. Planartechnologie, vgl. Abschnitt 6 und 8) das Ausgangsmaterial für die Herstellung von pn-Übergängen durch Diffusion dar.

Grundlegendes Merkmal der Planartechnologie ist die Durchführung von verschiedenen technologischen Einzelprozessen auf der Oberfläche von Halbleiterscheiben.

In diesem Abschnitt wird anhand der Silizium Technologie gezeigt, wie die verschiedenen Verfahren der Halbleitertechnologie zur Herstellung von Bauelementen eingesetzt werden. Aus der Fülle der existierenden, verschiedenartigen Halbleiterbauelemente werden nur diejenigen ausgewählt, die auch in integrierten Schaltungen benutzt werden können. Ein wichtiges Verfahren ist dabei die Silizium-Planar-Technologie. Neben der Herstellung von aktiven Bauelementen wie Transistoren wird auch die Realisierung passiver Elemente wie Widerstände und Kondensatoren erläutert.