Silizium- Halbleitertechnologie

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1 Ulrich Hilleringmann Silizium- Halbleitertechnologie 3. überarbeitete und ergänzte Auflage Mit 157 Abbildungen und 35 Übungsaufgaben Teubner B.G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Inhaltsverzeichnis 1 Einleitung Aufgabe 3 2 Herstellung von Siliziumscheiben Silizium als Basismaterial Herstellung und Reinigung des Rohmaterials Herstellung von technischem Silizium Chemische Reinigung des technischen Siliziums Zonenreinigung Herstellung von Einkristallen Die Kristallstruktur Kristallziehverfahren nach Czochralski Tiegelfreies Zonenziehen Kristallfehler Kristallbearbeitung Sägen Oberflächenbehandlung Läppen Scheibenrand abrunden Ätzen Polieren Aufgaben zur Scheibenherstellung 22 3 Oxidation des Siliziums Die thermische Oxidation von Silizium Trockene Oxidation Nasse Oxidation H 2 O 2 -Verbrennung Modellierung der Oxidation 28

3 VIII Inhaltsverzeichnis 3.3 Die Grenzfläche SiO 2 /Silizium 3.4 Segregation 3.5 Abscheideverfahren für Oxid Die Silan Pyrolyse Die TEOS-Oxidabscheidung 3.6 Aufgaben zur Oxidation des Siliziums 4 Lithografie 4.1 Maskentechnik Pattern-Generator und Step- und-repeat-belichtung Direktschreiben der Maske mit dem Elektronenstrahl Maskentechniken für höchste Auflösungen 4.2 Belackung Aufbau der Fotolacke Aufbringen der Lackschichten 4.3 Belichtungsverfahren Optische Lithografie (Fotolithografie) Kontaktbelichtung Abstandsbelichtung (Proximity) Projektionsbelichtung Verkleinernde Projektionsbelichtung Elektronenstrahl-Lithografie Röntgenstrahl-Lithografie Weitere Verfahren zur Strukturierung 4.4 Lackbearbeitung Entwickeln und Härten des Lackes Linienweitenkontrolle Ablösen der Lackmaske 4.5 Aufgaben zur Lithografietechnik

4 Inhaltsverzeichnis IX Atetechnik 5.1 Nasschemisches Ätzen Tauchätzung Sprühätzung Ätzlösungen für die nasschemische Strukturierung Isotrop wirkende Ätzlösungen Anisotrope Siliziumätzung 5.2 Trockenätzen Plasmaätzen (PE) Reaktives Ionenätzen (RTJE) Prozessparameter des reaktiven Ionenätzens Reaktionsgase Ionenstrahlätzen Trockenätzverfahren für hohe Ätzraten 5.3 Endpunktdetektion Visuelle Kontrolle Ellipsometrie Spektroskopie Interferometrie Massenspektrometrie 5.4 Aufgaben zur Ätztechnik 6 Dotiertecliuniikee 6.1 Legierung 6.2 Diffusion Fick'sehe Gesetze Die Diffusion aus unerschöpflicher Quelle Die Diffusion aus erschöpflicher Quelle Diffusionsverfahren Ablauf des Diffusionsprozesses Grenzen der Diffusionstechnik

5 X Inhaltsverzeichnis 6.3 Ionenimplantation Reichweite implantierter Ionen Channeling Aktivierung der Dotierstoffe Technische Ausführung der Ionenimplantation Charakteristiken der Implantation Aufgaben zu den Dotiertechniken Depositionsverfahren Chemische Depositionsverfahren Die Silizium-Gasphasenepitaxie Die CVD-Verfahren zur Schichtdeposition APCVD-Verfahren Low Pressure CVD-Verfahren (LPCVD) Plasma Enhanced CVD-Verfahren (PECVD) Physikalische Depositionsverfahren Molekularstrahlepitaxie (MBE) Aufdampfen Kathodenzerstäubung (Sputtern) Aufgaben zu den Abscheidetechniken Metallisierung und Kontakte Der Metall-Halbleiter-Kontakt Mehrlagenverdrahtung Planarisierungstechniken Der BPSG-Reflow Reflow- und Rückätztechnik organischer Schichten / Spin-On-Gläser Chemisch-mechanisches Polieren Auffüllen von Kontaktöffnungen Zuverlässigkeit der Aluminium-Metallisierung 144

6 Inhaltsverzeichnis XI 8.4 Kupfermetallisierung Aufgaben zur Kontaktierung Scheibenreinigung Verunreinigungen und ihre Auswirkungen Mikroskopische Verunreinigungen Molekülare Verunreinigungen Alkalische und atomare Verunreinigungen Reinigungstechniken Ätzlösungen zur Scheibenreinigung Beispiel einer Reinigungssequenz Aufgaben zur Scheibenreinigung MOS-TechnoIogien zur Schaltungsintegration Einkanal MOS-Techniken Der PMOS Aluminium-Gate-Prozess Die n-kanal Aluminium-Gate MOS-Technik Die NMOS Silizium-Gate-Technologie Der n-wannen Silizium-Gate CMOS-Prozess Schaltungselemente der CMOS-Technik Latchup-Effekt Funktionstest und Parametererfassung Aufgaben zur MOS-Technik Erweiterungen zur Höchstintegration Lokale Oxidation von Silizium (LOCOS-Technik) Die einfache Lokale Oxidation von Silizium SPOT-Technik zur Lokalen Oxidation Die SILO-Technik Poly-buffered LOCOS 200

7 XII Inhaltsverzeichnis Die SWAMI-LOCOS-Technik Graben-Isolation 11.2 MOS-Transistoren für die Höchstintegration Durchbruchmechanismen in MOS-Transistoren Kanallängenmodulation Drain-Durchgriff (Punch-Through) Drain-Substrat Durchbruch (Snap-Back) Transistoralterung durch heiße Elektronen Die Spacer-Technik zur Dotierungsoptimierung LDD n-kanal MOS-Transistoren P-Kanal Offset-Transistoren Selbstjustierende Kontakte 11.3SOI-Techniken SOI-Substrate FIPOS - Füll Isolation by Porous Oxidized Silicon SIMOX - Silicon Implanted Oxide Wafer-Bonding ELO - Epitaxial Lateral Overgrowth Die SOS-Technik SOI-Schichten durch Rekristallisationsverfahren Prozessführung in der SOI-Technik, 11.4 Transistoren mit Nanometerabmessungen 11.5 Aufgaben zur Höchstintegrationstechnik 12 Bipolar-Technologie 12.1 Die Standard-Buried-Collector Technik 12.2 Fortgeschrittene SBC-Technik 12.3 Bipolarprozess mit selbstjustiertem Emitter 12.4 BiCMOS-Techniken 12.5 Aufgaben zur Bipolartechnologie

8 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Montage integrierter Schaltungen 13.1 Vorbereitung der Scheiben zur Montage Verringerung der Scheibendicke Rückseitenmetallisierung Trennen der Chips Ritzen Lasertrennen Sägen/Trennschleifen 13.2 Schaltungsmontage Substrate/Systemträger Befestigungstechniken Kleben Löten Legieren 13.3 Kontaktierverfahren Einzeldraht-Kontaktierung (Bonding) Thermokompressionsverfahren Ultraschallbonden Thermosonic-Verfahren Komplettkontaktierung Spider-Kontaktierung Flipchip-Kontaktierung Beamlead-Kontaktierung 13.4 Endbearbeitung der Substrate 13.5 Aufgaben zur Chipmontage Anhang A: Lösungen der Aufgaben Anhang B: Farbtabelle Oxiddicken Literaturverzeichnis Stichwortverzeichnis