Silizium-Planartechnologie

Frontmatter

1. Technologische Grundprozesse

Zusammenfassung

Die Siliziumplanartechnologie wird in diesem Kapitel unter dem Gesichtspunkt der Erzeugung von Halbleiterstrukturen für integrierte Schaltungen erörtert. Unter Planartechnologie versteht man eine Reihe aufeinanderfolgender Einzelprozessschritte, die an einkristallinen Halbleiterscheiben durchgeführt werden. Die wichtigsten Prozesse sind Lithographie, Oxidation, Diffusion, Ionenimplantation, Ätztechnik, Epitaxie und Metallisierung. Damit wurden weitere Verfahren zur Erzeugung von pn-Übergängen (Legierung und Ziehen aus der Schmelze) in Spezialanwendungsbereiche verdrängt. In der Planartechnologie werden die einzigartigen Eigenschaften der oxidierten Siliziumoberfläche (amorphes Siliziumdioxid SiO₂) ausgenutzt:

• Chemische Stabilität und damit Passivierung der Siliziumoberfläche, auch bei hohen Temperaturen (T≤1300°C)
• Diffusionshemmende Wirkung gegenüber Fremdatomen
• Feinstrukturierbarkeit von SiO₂-Schichten auf Silizium
• Hohe elektrische Durchbruchfeldstärke (wichtig z. B. für den MOSFET).

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

2. Grundlagen der Halbleiterphysik für Siliziumbauelemente

Zusammenfassung

Der folgende Satz von 6 Gleichungen, davon 5 partielle Differentialgleichungen 1. Ordnung, beschreibt alle Phänomene der Siliziumbauelemente im technischen Betriebsbereich −55°C ≤ T ≤ +125°C. Vier Gleichungen verknüpfen orts- und zeitabhängig die Ladungsträgerkonzentrationen (oder Dichten) \(n(\vec r,t),p(\vec r,t)\) und die Stromdichten \({\vec j_n}(\vec r,t),{\vec j_p}(\vec r,t)\) von Elektronen und Löchern (Indizes n und p) mit Hilfe von Koeffizienten und Summanden. Eine weitere Gleichung formuliert die Gesamtstromdichte aus den beiden Anteilen der Ladungsträger. Die sechste Gleichung ist die Poisson-Gleichung, die die elektrische Verschiebungsdichte \(\vec D(\vec r,t)\) mit der Raumladungsdichte \(\rho (\vec r,t)\) verknüpft.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

3. Integrierte Widerstände und Kondensatoren

Zusammenfassung

Beide Typen passiver Bauelemente werden unter dem Gesichtspunkt behandelt, sie als Teile eines integrierten Schaltkreises im Rahmen der Planartechnologie des Siliziums herzustellen oder als eigenständige parasitäre Bereiche nachzuweisen. Integrierte Induktivitäten mit ausreichender Induktivität lassen sich in der Planartechnologie nicht realisieren. Bei höchsten Frequenzen sind aber dennoch die induktiven Eigenschaften von Leiterbahnen nicht zu vernachlässigen.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

4. Der pn-Übergang

Zusammenfassung

Silizium-Dioden werden im Rahmen der Planartechnologie durch Diffusion oder Implantation hergestellt. Es werden z. B. ins homogen dotierte n-leitende Grundmaterial an dafür vorgesehenen Stellen Bor-Atome eingebracht, die eine oberflächennahe p-leitende Schicht erzeugen. Dabei entsteht ein planarer pn-Übergang, wie er für zahlreiche Siliziumbauelemente typisch ist (z. B. für die Source- und Drain-Inseln im MOS-Transistor; für die Aufeinanderfolge von Emitter- und Basis-Schicht beim Bipolartransistor u. a.). Den Querschnitt einer planaren Silizium-Diode zeigt Abb. 4.1, die Strom-Spannungskennlinien für Germanium, Silizium und Galliumarsenid bei T= 25°C werden in Abb. 4.2 dargestellt

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

5. Der Metall-Halbleiter-Kontakt

Zusammenfassung

Der Metall-Halbleiter-Übergang ist in zwei Anwendungsgebieten von großer Bedeutung:

• für die Kontaktierung von Halbleiterbauelementen,
• bei Schottky-Dioden.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

6. Die Halbleiteroberfläche anhand des MOS-Varaktors

Zusammenfassung

Im Mittelpunkt der Theorie der MOS-Bauelemente steht der Halbleiterbereich unter der Gate-Elektrode mit der Halbleiteroberfläche. Insofern wenden wir uns diesem Bereich zwischen den beiden pn-Übergängen zu den Source- und Drain-Kontakten eines MOS-Transistors (s. Abb. 6.1) zunächst zu. Diese Struktur, die eigentliche MOS-Schichtenfolge umfassend, heißt MOS-Kondensator (oder MOS-Varaktor). Am MOS-Varaktor wird die Beschreibung der Halbleiteroberfläche unter Wirkung elektrischer Felder (“Feldeffekt”) erarbeitet.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

7. Der reale MOS-Transistor

Zusammenfassung

Innerhalb von integrierten Schaltkreisen ist der MOS-Transistor¹ das häufigste Basiselement. Aufbau und Herstellung von MOS-Transistoren wurden bereits in Abschnitt 1 beschrieben. Abb. 7.1 zeigt noch einmal die Struktur eines n-MOSFET und ein dazugehöriges Layout.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

8. Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen

Zusammenfassung

Wir haben nun die Grundlagen der Siliziumplanartechnologie, der Simulation und der Modellrechnungen zur Halbleitertechnik schließlich die Grundformen der Bauelemente (engl. device) der Festkörperelektronik bis zur (niedrigsten) Integrationsstufe (“Komplexität”) des CMOS-Inverters entwickelt. Die Umsetzung bzw. Anwendung für einen industriellen Herstellungsprozess von marktgängigen Bauelementen bedarf jedoch noch eines erheblich größeren Aufwands.

Hans-Günther Wagemann, Tim Schönauer

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