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Über dieses Buch

Das Lehrbuch behandelt die Grundlagen und die technische Durchführung der Einzelprozesse zur mikroelektronischen Schaltungsintegration in der Silizium-Halbleitertechnologie. Die Integrationstechnik setzt sich aus einer Vielzahl von sich wiederholenden Einzelprozessen zusammen, deren Durchführung und apparative Ausstattung extremen Anforderungen genügen müssen, um die geforderten Strukturgrößen bis zu wenigen Nanometern gleichmäßig und reproduzierbar zu erzeugen. Das Zusammenspiel der Oxidationen, Ätzschritte und Implantationen zur Herstellung von MOS- und Bipolarschaltungen werden - ausgehend vom Rohsilizium bis zur gekapselten integrierten Schaltung - aus Sicht der Prozessführung erläutert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

In der Einleitung wird die Entwicklung der Mikroelektronik mit der Planartechnik als Grundlage vorgestellt. Ganzflächige Schichtabscheidungen lassen sich mithilfe der Fotolithografie und einer Ätztechnik in lokale Veränderungen der Oberfläche transformieren. Dabei wird auf die Bedeutung der im Folgenden behandelten Einzelprozesse hingewiesen.
Ulrich Hilleringmann

2. Herstellung von Siliziumscheiben

Silizium als Basismaterial für die Halbleiterprozesstechnik wird durch Aufschmelzen von Quarz gewonnen. Es muss aufwändig gereinigt und in einen perfekten Einkristall umgewandelt werden. Anschließend folgen das Zersägen in Scheiben sowie die Oberflächenbehandlung durch Läppen, Ätzen und Polieren.
Ulrich Hilleringmann

3. Oxidation des Siliziums

Siliziumdioxid lässt sich durch thermische Oxidation in einer Sauerstoff enthaltenden Atmosphäre erzeugen. Das Schichtwachstum wird mit einem einfachen Modell über einen linearen und einen parabolischen Anteil beschrieben. Es ist sowohl für die trockene als auch für die feuchte Oxidation gültig. Auch Abscheideverfahren für Siliziumdioxid werden angesprochen.
Ulrich Hilleringmann

4. Lithografie

Ausgehend von der Maskenherstellung und dem Aufbau von Fotolacken wird der Prozess der Fotolithografie erläutert. Dabei werden optische Belichtungsverfahren hinsichtlich ihrer Auflösung und Defektdichte vergleichend diskutiert und alternative Techniken gegenübergestellt. Linienweiten- und Justiergenauigkeitskontrolle sowie das Ablösen des Fotolackes runden das Kapitel ab.
Ulrich Hilleringmann

5. Ätztechnik

Die Eigenschaften nasschemischer Ätzlösungen werden diskutiert. Um aktuelle Strukturweiten zu erzielen, sind zusätzlich Trockenätzprozesse erforderlich, wobei zwischen reaktivem Ionenätzen, Plasmaätzen und Ionenstrahlätzen unterschieden wird. Ätzprozesse für typische Materialien werden beispielhaft vorgestellt. Dabei sind Verfahren zur Endpunktdetektion für eine sichere Prozessführung unentbehrlich.
Ulrich Hilleringmann

6. Dotiertechniken

Ausgehend vom Legierungsverfahren folgen die Modellierung und praktische Durchführung von Diffusion und Ionenimplantation zur Dotierung von Halbleitern. Die Anlagen zur Dotierung werden vorgestellt und speziell bei der Ionenimplantation im Detail besprochen. Eine Analyse parasitärer Effekte auf die resultierende Dotierstoffverteilung rundet das Kapitel ab.
Ulrich Hilleringmann

7. Depositionsverfahren

Die chemischen Abscheideverfahren dienen zur Oberflächenbeschichtung mit leitenden oder isolierenden amorphen oder kristallinen Schichten. Neben der Vakuumabscheidung mit Plasmaanregung wächst die Bedeutung der Atomlagendeposition. Als physikalische Verfahren werden die Kathodenstrahlzerstäubung, das Aufdampfen und die Molekularstrahlepitaxie vorgestellt.
Ulrich Hilleringmann

8. Metallisierung und Kontakte

Der Metall-Halbleiterkontakt weist eine stark vom Material und von der Prozessführung abhängige Strom-Spannungscharakteristik auf, die sich durch Einführung von Kontaktschichten optimieren lässt. Es folgt die Vorstellung von Oberflächenplanarisierungen für die Mehrlagenverdrahtung, zudem werden die Zuverlässigkeit von Aluminium als Leiterbahn und die Kupfermetallisierung behandelt.
Ulrich Hilleringmann

9. Scheibenreinigung

Nach einer Klassifizierung möglicher Verunreinigungen und deren Auswirkungen auf die Ausbeute folgen Reinigungstechniken. Neben der mechanischen Reinigung werden chemische Lösungen zur Beseitigung der Partikel bzw. Störschichten diskutiert. Eine Reinigungssequenz verdeutlicht den erforderlichen zeitlichen Aufwand.
Ulrich Hilleringmann

10. MOS-Technologien zur Schaltungsintegration

Ausgehend von den PMOS- und NMOS-Prozessen in Aluminium-Gate-Technik wird der selbstjustierende NMOS-Prozess mit Polysilizium-Gate dargestellt. Darauf aufbauend folgt eine detaillierte Erläuterung der CMOS-Prozessführung in n-Wannentechnologie einschließlich der erforderlichen Funktionstests nach der Transistorintegration.
Ulrich Hilleringmann

11. Erweiterungen zur Höchstintegration

Verschiedene lokale Oxidationstechniken werden hinsichtlich der erreichbaren Planarität analysiert. Anschließend folgen die Integration von Spacer- und LDD-Strukturen zur Reduktion von Kurzkanaleffekten. Die Schaltungsintegration in SOI-Technik einschließlich der Substratherstellung wird vorgestellt. Nanometer-Transistoren und FINFET-Strukturen runden das Kapitel ab.
Ulrich Hilleringmann

12. Bipolar-Technologie

Die Integration von Bipolar-Transistoren wird auf der Grundlage der Standard-Buried-Collector-Technik eingeführt und anschließend durch alternative Isolationsmethoden verbessert. Daran schließt sich die moderne Integrationstechnik mit selbstjustierendem Emitter an. Die Kombination von Bipolar- und MOS-Transistoren auf einem Substrat als BiCMOS-Prozess wird diskutiert.
Ulrich Hilleringmann

13. Montage integrierter Schaltungen

Zur Einhäusung der Chips müssen die Siliziumscheiben nach der Prozessierung vorbehandelt werden. Anschließend folgen das Zerlegen der Scheiben in Chips, das Einkleben ins Gehäuse sowie die Verdrahtung der Anschlüsse von den Pads auf dem Chip zum Gehäuseanschluss. Neben den Einzeldrahtverfahren werden Komplettkontaktierungsverfahren vorgestellt.
Ulrich Hilleringmann

Backmatter

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