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2002 | Buch | 3. Auflage

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Silizium-Halbleitertechnologie

verfasst von: Ulrich Hilleringmann

Verlag: Vieweg+Teubner Verlag

Buchreihe : Teubner Studienbücher Technik

Enthalten in: Professional Book Archive

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Über dieses Buch

Das vorliegende Studienskript "Silizium-Halbleitertechnologie" ist aus der Vorlesung "Halbleitertechnologie" entstanden, die seit dem Winter­ semester 1989/90 an der Universität Dortmund und seit 1999 auch an der Universität Paderbom gelesen wird. Um die rasante Entwicklung der Prozesstechnik berücksichtigen zu können, ist der Inhalt der inzwischen auf zwei Semester ausgedehnten Vorlesung um fortschrittliche Integra­ tionstechniken erweitert worden. Ziel dieses Buches ist es, den Studenten der Elektrotechnik, Informatik, Physik, aber auch den Schaltungstechnikern und den Ingenieuren in der Prozesstechnik sowie den Auszubildenden in den Zweigen der Mikro­ technologie, die Realisierung und den Aufbau integrierter Schaltungen zu veranschaulichen. Es umfasst die Kristallherstellung, die verschiedenen Prozessschritte der Planartechnik einschließlich der CMOS-Prozess­ führung und die Montagetechniken für integrierte Schaltungen. Die Übungsaufgaben sollen zur Überprüfung des Verständnisses dienen und gleichzeitig dazu beitragen, die Größenordnungen der verwendeten Parameter abschätzen zu können. Ergänzend zu den grundlegenden Verfahren der Mikroelektronik sind wichtige weiterführende Integrationstechniken berücksichtigt worden, um dem interessierten Leser die Verfahren der Höchstintegration verständlich darlegen zu können. Neben den seit Jahren zur Verfügung stehenden Basisprozessen sind heute durch die Einführung neuer Materialien veränderte Arbeitsschritte erforderlich geworden.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter
1. Einleitung
Zusammenfassung
Die Entwicklung der Mikroelektronik — von den ersten integrierten Schaltungen bis hin zu Speicherbausteinen mit einer Kapazität von 4 Gbit/Chip — demonstriert die Leistungsfähigkeit der Halbleitertechnologie in eindrucksvoller Weise. Strukturgrößen von 120 nm Weite, die noch vor wenigen Jahren mit optischer Lithografietechnik als unerreichbar galten, werden zurzeit in der Produktion eingesetzt. Ein Ende der Miniaturisierung ist bislang nicht absehbar /1/.
Ulrich Hilleringmann
2. Herstellung von Siliziumscheiben
Zusammenfassung
Als Ausgangsmaterial für Halbleiterbauelemente und integrierte Schaltungen hat das Element Silizium die größte Bedeutung erlangt: Mikroprozessoren, Speicherchips und Logikschaltungen sowie die anwendungsspezifischen Schaltkreise (ASIC) werden nahezu ausschließlich im Siliziumsubstrat hergestellt. Auch Leistungshalbleiter wie Thyristoren und ein großer Teil der Einzeltransistoren bzw. Dioden sind aus diesem Element gefertigt.
Ulrich Hilleringmann
3. Oxidation des Siliziums
Zusammenfassung
In der Halbleitertechnologie sind Oxidschichten als Isolatoren für die elektrische Funktion der Bauelemente erforderlich. Siliziumdioxid wird aber auch als Hilfsschicht zur Maskierung während der Herstellung der integrierten Schaltungen eingesetzt. Der jeweiligen Anforderung entsprechend sind Verfahren zum Aufbringen von Oxiden auf die Siliziumscheibe entwickelt worden, die sich in Wachstum und Qualität der entstehenden Schicht unterscheiden.
Ulrich Hilleringmann
4. Lithografie
Zusammenfassung
In der Planartechnik erfolgt die lokale Bearbeitung der Siliziumscheiben mit Hilfe lithografischer Verfahren. Die Strukturen werden zunächst über eine Fotomaske in einem dünnen, strahlungsempfindlichen Film, meist einer organischen Fotolackschicht, auf der oxidierten Halbleiterscheibe erzeugt und in speziellen Ätzverfahren in die darunter liegenden Schichten übertragen. In einigen Fällen, z. B. bei der Ionenimplantation, dient der Fotolack selbst als lokale Maskierung; eine Maskenübertragung durch Ätzen ist hier nicht erforderlich.
Ulrich Hilleringmann
5. Ätztechnik
Zusammenfassung
In der Halbleitertechnologie müssen die Materialien Siliziumdioxid, Siliziumnitrid, Polysilizium, Silizium, Aluminium sowie Wolfram und Titan mit ihren jeweiligen Metallsiliziden geätzt werden. Die Ätztechnik dient dabei zum ganzflächigen Abtragen eines Materials oder zum Übertragen der Struktur des lithografisch erzeugten Lackmusters in die darunter liegende Schicht. Für diese Aufgabe bieten sich einerseits nasschemische Ätzlösungen an, zum anderen eignen sich speziell entwickelte Trockenätzverfahren zur geforderten präzisen Strukturübertragung vom Lack in das Material.
Ulrich Hilleringmann
6. Dotiertechniken
Zusammenfassung
Mikroelektronische Schaltungselemente bestehen aus lokal unterschiedlich dotierten Bereichen eines Kristalles, d. h. in den ursprünglich homogenen Kristall werden im Verlauf der Herstellung gezielt unterschiedliche Dotierstoffe eingebracht, die in festgelegten Gebieten der Halbleiteroberfläche zu einer Verstärkung, Abschwächung oder Umkehrung der Substratdotierung führen. Die eingebrachte Dotierung ändert die elektrischen Eigenschaften des Siliziums. Je nachdem, ob dem Kristall Akzeptoren oder Donatoren zugesetzt werden, wird das Halbleitermaterial p- oder n-leitend, wobei die Nettodotierstoffkonzentration den elektrischen Widerstand bestimmt. Im p-leitenden Material bilden Löcher (Defektelektronen) die Majoritätsladungsträger, im n-leitenden Silizium sind es die Elektronen.
Ulrich Hilleringmann
7. Depositionsverfahren
Zusammenfassung
Das Ziel der Depositionsverfahren ist die reproduzierbare Erzeugung homogener partikelfreier Schichten, die eine hohe elektrische Qualität besitzen und gleichzeitig eine geringe Konzentration an Verunreinigungen aufweisen. Diese Schichten sollten sich bei möglichst geringer Temperatur auf allen anderen in der Halbleitertechnologie verwendeten Materialen spannungsfrei abscheiden lassen. Die für diese Zwecke entwickelten Depositionsverfahren lassen sich in chemische und physikalische Abscheidetechniken unterteilen. Sowohl einkristalline als auch polykristalline und amorphe Schichten können mit den verschiedenen Techniken auf die Silizium- bzw. die Scheibenoberfläche aufgebracht werden.
Ulrich Hilleringmann
8. Metallisierung und Kontakte
Zusammenfassung
Die Metallisierung stellt den elektrischen Kontakt zu den dotierten Gebieten der integrierten Schaltungselemente her und verbindet die einzelnen Komponenten eines Chips durch Leiterbahnen. Sie führt die Anschlüsse über weitere Leiterbahnen zum Rand des Chips und wird dort zu Kontaktflecken (“Pads”) aufgeweitet, die als Anschluss für die Verbindungsdrähte zwischen Chip und Gehäuse oder zum Aufsetzen von Messsonden für die Parametererfassung zum Schaltungstest auf ungesägten Scheiben dienen.
Ulrich Hilleringmann
9. Scheibenreinigung
Zusammenfassung
Die Produktion von integrierten Schaltungen mit einigen Tausend bis zu mehr als eine Milliarde Transistoren erfordert absolute Sauberkeit, da jede Verunreinigung zu einer Veränderung der Struktur an der Scheibenoberfläche bzw. der Dotierungs- und Ladungsverhältnisse im Kristall führt. Diese wirken sich negativ auf die Ausbeute an funktionsfähigen Elementen sowie die Zuverlässigkeit und Langzeitstabilität der Schaltungen aus.
Ulrich Hilleringmann
10. MOS-Technologien zur Schaltungsintegration
Zusammenfassung
Zur Herstellung digitaler integrierter Schaltungen haben die MOS-Technologien die größte wirtschaftliche Bedeutung erlangt, da sie die wesentlichen Forderungen nach hoher Packungsdichte, kleiner Verlustleistung und geringer Prozesskomplexität in positiver Weise miteinander verbinden. Innerhalb dieser Technologien besitzen heute die CMOS-Prozesse gegenüber den Einkanal-Technologien (N-/PMOS) die führende Rolle, denn sie weisen sowohl im statischen Zustand als auch im dynamischen Betrieb die geringste Leistungsaufnahme auf. Trotzdem werden hier zur Verdeutlichung der gewachsenen Komplexität der Integrationstechniken zunächst die Einkanal-MOS-Technologien erläutert:
  • p-Kanal-Aluminium-Gate-Prozess auf n-Substrat;
  • n-Kanal-Aluminium-Gate-Technik auf p-Substrat;
  • n-Kanal-Silizium-Gate-Technologie auf p-Substrat.
Ulrich Hilleringmann
11. Erweiterungen zur Höchstintegration
Zusammenfassung
In der bisher behandelten Planartechnik wächst das Feldoxid ganzflächig auf der Siliziumoberfläche auf. Anschließend werden die Stellen, an denen Diffusionen bzw. Implantationen erfolgen sollen, durch nasschemisches Ätzen freigelegt. Die entstehenden Stufen zwischen der Oberfläche des Feldoxides und dem freigeätzten Siliziumsubstrat führen während der Fotolackbeschichtung zu Lackansammlungen und begrenzen damit die Auflösung der Fotolithografietechnik.
Ulrich Hilleringmann
12. Bipolar-Technologie
Zusammenfassung
Bipolartransistoren weisen im Vergleich zu den MOS-Bauelementen hohe Schaltgeschwindigkeiten bis weit in den GHz-Bereich hinein in Verbindung mit großen Steilheiten und damit hervorragenden Treibereigenschaften auf. Jedoch ist der Flächenbedarf dieser Schaltungselemente infolge der erforderlichen Isolationen — zumindest in den SBC-(“Standard Buried Collector”-) Techniken — im Vergleich zu den MOS-Strukturen sehr hoch.
Ulrich Hilleringmann
13. Montage integrierter Schaltungen
Zusammenfassung
Nach der Integration der MOS- oder Bipolar-Schaltungen stehen die getesteten Chips auf Waferebene funktionsbereit zur Verfügung. Für ihren Einsatz ist aber zusätzlich eine gegen äußere Einflüsse schützende, genormte Gehäusebauform mit einem für den Anwender zugänglichen elektrischen Anschlussraster notwendig. Diese Anforderungen werden mit Hilfe der Montagetechnik erfüllt, die folgende Funktionen und Aufgaben übernimmt:
  • Bereitstellen einer mechanisch definierten Gehäusebauform, die für das automatische Bestücken von Platinen gut geeignet ist;
  • Auffächern des feinen elektrisch Anschlussrasters auf dem Chip zu einem dem Anwender zugänglichen Anschlussraster;
  • Herstellen der elektrischen Verbindung zwischen den Anschlüssen der Halbleiterschaltung (“Pads”) und den Innenanschlüssen des Gehäuses;
  • Abführen und Verteilen der Verlustwärme der Halbleiterschaltung;
  • Schutz gegen Umwelteinflüsse und mechanische Beschädigungen.
Ulrich Hilleringmann
Backmatter
Metadaten
Titel
Silizium-Halbleitertechnologie
verfasst von
Ulrich Hilleringmann
Copyright-Jahr
2002
Verlag
Vieweg+Teubner Verlag
Electronic ISBN
978-3-322-94119-0
Print ISBN
978-3-519-20149-6
DOI
https://doi.org/10.1007/978-3-322-94119-0