Silizium- Planartechnologie

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1 Hans Günther Wagemann, Tim Schönauer Silizium- Planartechnologie Grundprozesse, Physik und Bauelemente Teubner B. G.Teubner Stuttgart Leipzig Wiesbaden

2 Vorwort V Übersicht über den Stoff des Buches V Inhaltsverzeichnis IX Symbole XIII 1. Technologische Grundprozesse Die Planartechnologie des Silizium Mikrolithographie Thermische Oxidation des Silizium Diffusion Diffusionsmechanismen und Diffusionskoeffizient Diffusionsprofile Diffusion aus einer unerschöpflichen Quelle Diffusion aus einer erschöpflichen Quelle Reinigung der Siliziumoberfläche Ätzverfahren der Siliziumbauelemente Durchführung von Dotierstoff-Diffusionen Simulation der Prozesstechnologie Ionenimplantation von Dotierstoffen Herstellung von Epitaxie-Schichten Metallisierung Aluminium-Metallisierung Polysilizium-Leiterbahnen Silicon-Gate-Technik Refraktärmetall-Beschichtungen CMOS-Prozesstechnologie 35

3 2. Grundlagen der Halbleiterphysik für Siliziumbauelemente Die Grundgleichungen Die Ladungsträgerdichten im thermischen Gleichgewicht Das Fermi-Dirac-Integral Näherungen für nicht-entartete Halbleiter Bestimmung der Gleichgewichts-Fermi-Energie bei neutralem, dotiertem Halbleiter-Material Die Eigenleitungsdichte und ihre Abhängigkeit von der Temperatur Temperaturabhängigkeit des Bandabstandes Temperaturabhängigkeit der effektiven Zustandsdichten Koeffizienten der Driftstromanteile Koeffizienten der Diffusionsstromanteile Quasi-Fermi-Energien Drift- und Diffusionsstrom für den Fall des Nicht-Gleichgewichts der Ladungsträger Feldstrom Diffusionsstrom Die Überschuss-Rekombinationsrate in den Kontinuitätsgleichungen Vorbemerkung Die Überschuss-Rekombinationsrate Herleitung der Überschuss-Rekombinationsrate nach der Shockley-Read-Hall- Theorie Interpretation der Überschuss-Rekombinationsrate nach der Shockley-Read- Hall-Theorie Die Lebensdauer Die Poisson-Gleichung Halbleiterrechnungen bei Niedrig- und Hochinjektion Niedriginjektion Hochinjektion Integrierte Widerstände und Kondensatoren Integrierte Widerstände Widerstand diffundierter Störstellenprofile Vermessung von diffundierten Widerständen Vier-Spitzen-Methode Differentielle Leitwert-Technik Optische Vermessung der Junction-Tiefe Weitere Verfahren zur Vermessung des Widerstandes einer Halbleiterprobe. 96

4 XI 3.2 Integrierte Kondensatoren MOS-Varaktor Kapazität des pn-übergangs Der pn-übergang Planare Silizium-Dioden und ihre Kennlinien Shockley-Modell der Diodenkennlinie Erweitertes Modell der Diodenkennlinie durch Berücksichtigung der RLZ- Rekombination Die Überschussrekombinationsrate der Raumladungszone Einfluss der RLZ-Oberfläche Die Diodencharakteristik bei hohen Aussteuerungen Sperrverhalten der Diode Zusammenfassung der Diodencharakteristik Der Metall-Halbleiter-Kontakt Einführung Das ideale Energiebändermodell des Metall-Halbleiter-Kontaktes Entstehung des Bändermodells eines Metall-Halbleiter-Übergangs Anmerkung zum Modell des Kontaktes zwischen Metall und p-leitendem Silizium Das reale Energiebändermodell des Metall-Halbleiter-Kontaktes Metall-Halbleiter-Übergang nach Temperaturbehandlung Strom-Spannungskennlinie von Schottky-Dioden Der Kontaktwiderstand Vorfaktor 1/4 der mittleren Geschwindigkeit für den Halbraum Die Halbleiteroberfläche anhand des MOS-Varaktors Vorbetrachtung zum idealisierten MOS-Varaktor Die Raumladungsschicht an der Halbleiteroberfläche Diskussion der Oberflächen-Raumladung Der Potential- und Energiebänderverlauf eines MOS-Varaktors Austrittsarbeit des Halbleiters Spannungsumlauf um das MOS-System Bändermodell für ein Silicon-Gate-System Berücksichtigung von Phasengrenzzuständen 159

5 XII Inhaltsverzeichnis 6.5 Der Kapazitätsverlauf eines idealen MOS-Varaktors Die reale Halbleiteroberfläche, Messgrößen und Messmethoden C(U)-Grundversuch und Auswertung Abschlussbemerkungen zur Halbleiteroberfläche und zum MOS-Varaktor Der reale MOS-Transistor MOSFET-Kennlinien Die Schwellenspannung Subthreshold-Betrieb von MOSFETs Kennlinien von miniaturisierten MOSFETs Kurzkanalverhalten der Schwellenspannung Heiße Ladungsträger Kapazitäten und Ersatzschaltbild des MOSFETs SPICE-Parameter / Level Gleichspannungsübertragungseigenschaften des CMOS-Inverters Schaltverhalten des CMOS-Inverters Abschaltverhalten der Ausgangsspannung Einschaltverhalten der Ausgangsspannung Dynamische Verlustleistung des CMOS-Inverters Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen 203 Literaturverzeichnis 205 Index ; 207