Aufgaben und Lösungen zum Buch: Grundlagen integrierter Schaltungen

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1 und Lösungen zum Buch: Grundlagen integrierter Schaltungen Kapitel 1: 1.1 Was bezeichnet die Strukturgröße in der Halbleiterindustrie, und welche Vorteile bzw. Nachteile bringen eine Verkleinerung der Strukturgröße bei digitalen und analogen Bauteilen? Die Strukturgröße ist die kleinste Struktur, die mit der vorhandenen Technologie hergestellt werden kann. Eine kleinere Strukturgröße bedeutet mehr und schnellere Funktionen sowie eine höhere Wirtschaftlichkeit bei der Produktion von ICs. Die Betriebsspannung muss jedoch gesenkt werden. 1.2 Bei einer Strukturgröße von 0,8 µm wird ein Aktivgebiet von 5,76 µm 2 für einen MOS- Transistor benötigt. Wie viele MOS-Transistoren lassen sich dann auf einem cm 2 integrieren? 1cm 2 = 10x10 mm 2 = 100mm mm 2 = 100 x 1000 x 1000 µm 2 = µm µm 2 / 5,76µm 2 = Erläutern Sie den Begriff ASIC und nennen Sie die Vorteile eines ASICs gegenüber einer konventionell aufgebauten Schaltung! ASIC = Anwendungsspezifischer Integrierter Schaltkreis oder Application Specific Integrated Circuit ASICs Sind keine Standard-ICs, sondern werden nach den Anforderungen speziell für den Kunden angefertigt. Die Vorteile sind: - enormen Platzersparnis - Zahl der Bauelemente verringert - hohe Bestückungskosten der Platine gesenkt - Qualität verbessert - Mehr Funktionen - Know how Schutz

2 Kapitel 2: 2.1 Silizium ( 14 Si) steht in der vierten Hauptgruppe und in der dritten Schale des Periodensystems der Elemente. Skizzieren Sie das Energieniveauschema für 0 K und 300 K! 2.2 Die Eigenleitung eines Halbleiters wird bestimmt durch die intrinsische Ladungsträgerdichte. Wovon ist die intrinsische Ladungsträgerdichte abhängig? Temperatur und Bandlücke Es gilt: 3/ 2 E n i = c T exp G 2 k T 2.3 Welche unterschiedlichenn Widerstandstypen gibt es in einer integrierten, elektronischen Schaltung? Erläutern Sie die Vor- und Nachteile! Polywiderstand: hohe Ströme und Spannungen möglich, viele Platz Aktivgebietswiderstand: klein aber spannungsabhängig, 2.4 Wodurch entstehen die Leckströme in einem pn-übergang? Eigenleitung in der Grenzschicht 2.5 Für den Bau von Prozessor- und Speicher-Chips werden überwiegend MOS-Transistoren eingesetzt. Welchen Vorteil hat der MOS-Transistor gegenüber dem Bipolar-Transistor? benötigt nur beim Schalten einen kurzfristigen Stromfluss

3 Kapitel 3: 3.1 In der normalen Umgebungsluft befindet sich eine Vielzahl unterschiedlicher partikularer Kontaminationen. Nennen Sie mindestens 5 verschiedene Herkunftsquellen für partikulare Verunreinigungen in der Umgebungsluft. 1. feinste Sand- & Gesteinskörner ( µm) 2. mechanische Reibung 3. Nukleation (Entstehung von Nanopartikeln in der Luft) 4. Sea-Spray-Partikel Salzkristalle (Natrium & Chlor) 5. Biologische Prozesse (Blütenpollen, Pflanzenfasern ( µm), Bakterien (1 10 µm), Vieren (0,01µm) 6. Künstliche Partikel Quellen (Abgase, Landwirtschaft, Fasern & Flusen von Bekleidung) 3.2 Wie wird verhindert, dass Partikel die Waferoberfläche erreichen können? Die Wafer werden von gefilterter Reinstluft umspült 3.3 Erläutern Sie den Zusammenhang zwischen dem Yield, der Komplexität der Schaltung, der Chipgröße und der Reinraumbedingungen! kleinere Strukturgröße bedeutet kleinerer Yield größere Chipfläche bedeutet kleinerer Yield geringere Reinheit der Produktionsumgebung bedeutet kleinerer Yield Kapitel 4: 4.1 Der größte Teil der ICs und der Leistungshalbleiterbauelemente werden aus Silizium hergestellt. Warum werden zur Herstellung von integrierten Schaltungen Wafer verwendet, die aus einkristallinem Reinstsilizium hergestellt werden? Nennen Sie mindestens zwei Gründe! Der Wafer muss ein Einkristall sein um auf der Oberfläche überall die gleichen Bedingungen zu haben. Er muss hoch rein sein um eine geringen Eigenleitung zu gewährleisten 4.2 Nennen Sie mindestens zwei Eigenschaften der Waferoberfläche, die sich bei verschiedenen Millerschen Indizes unterscheiden! Oxidation und Ätzeigenschaften

4 Kapitel 5: 5.1 Für die Herstellung von CMOS-Bauteilen werden Schichten mit Hilfe der thermischen Oxidation erzeugt. Nennen Sie die chemische Gleichung für die Hauptreaktion der trockenen und der feuchten Oxidation! Lösung trockene Oxidation Si + O 2 SiO 2 feuchte Oxidation Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H Zur Isolierung der Leiterbahnen werden SiO 2 -Schichten verwendet. Welches Verfahren wird hierfür eingesetzt? Begründen Sie Ihre Antwort. Thermische Oxidation kann nur auf freien Silizium erfolgen Auf Aluminium muss dem zu Folge eine Abscheidung von SiO 2 stattfinden. Außerdem besitzt Aluminium eine Schmelztemperatur von 600 C, bei thermischer Oxidation würde die Leiterbahn somit schmelzen und zerstört werden. Es muss daher ein PECVD-Verfahren eingesetzt werden. 5.3 Beschreiben Sie die beiden wichtigsten PVD-Verfahren und nennen Sie Vor- und Nachteile beider Verfahren! Vorteile des Sputtern: bessere Schichthaftung und Möglichkeit Legierungen aufzubringen Vorteile des Aufdampfen: geringe thermische Belastung der Wafer

5 Kapitel 6: 6.1 In der optischen Lithographie werden drei unterschiedliche Verfahren eingesetzt, die sich in ihrem Anlagenaufbau unterscheiden. Nennen Sie die drei Verfahren und erläutern Sie deren Vor- und Nachteile! Kontaktbelichtung: preiswerte Anlagen mit guter Auflösung, Kratzer auf der Wafer- und der Maskenoberfläche Abstandsbelichtung: preiswerte Anlagen mit schlechter Auflösung, keine Kratzer auf der Wafer- und der Maskenoberfläche Projektionsbelichtung: sehr teure Anlagen mit extrem hoher Auflösung 6.2 Ziel eines modernen Lithografieverfahrens ist es, einen minimalen Abstand auflösbarer Strukturen bei größtmöglicher Schärfentiefe darzustellen. Erläutern Sie den Einfluss der Wellenlänge und der numerischen Apertur auf Schärfentiefe und Auflösung! kleine Wellenläge bedeutet hohe Auflösung und geringe Schärfentiefe große Apertur bedeutet hohe Auflösung und geringe Schärfentiefe 6.3 Nennen Sie die drei Komponenten in einem Positiv-Fotolack und erläutern Sie die jeweilige Funktion. Sensitizer: lichtempfindliche Teil Matrixmaterial: bestimmt die Ätzeigenschaften Lösemittel: bestimmt die Viskosität Kapitel 7: 7.1 Aus welchen Komponenten besteht eine nasschemische Ätzlösung und erläutern Sie die jeweiligen Funktionen! Ätzsubstanz: ätzt das Material Puffer: sorgt für eine gleichmäßiges Ätzen über viele Chargen Wasser: bestimmt die Ätzzeit 7.2 Erläutern Sie den Begriff Selektivität am Beispiel der Nassätzung von SiO 2 auf Si. SiO 2 wird selektiv mit Flusssäure geätzt, ohne dass die Siliziumoberfläche angegriffen wird

6 7.3 Als Strukturierungsverfahren hat sich in der Halbleitertechnik das RIE-Ätzen durchgesetzt, mit dem sehr anisotrop geätzt werden kann. Dabei kann der Ätzcharakter zu mehr chemisch oder zu mehr physikalisch verändert werden. a) Erläutern Sie welche Bedingungen gegeben sein müssen, um eine hohe Anisotropie des Ätzprozesses zu erreichen! Die Temperatur muss so eingestellt sein, dass das chemische Ätzten noch nicht beginnt. Die notwendige Aktivierungsenergie wird durch die Beschleunigungsspannung der Ionen in der Ätzanlage geliefert. b) Welche Parameter in der Ätzanlage müssen verändert werden, um den chemischen (physikalischen) Anteil des Ätzprozesses zu erhöhen? um den chemischen Anteil zu erhöhen muss die Temperatur erhöht werden um den physikalischen Anteil zu erhöhen muss die Beschleunigungsspannung erhöht werden c) Wie verändert sich das Ätzergebnis hinsichtlich der Isotropie und der Selektivität dabei? je höher der chemische Anteil ist umso größer wird die Isotropie und Selektivität Kapitel 8: Aufgabe 8.1 Nennen Sie drei Verfahren zum Dotieren von Halbleitern und erläutern Sie die Vor- und Nachteile. Legierungsverfahren: sehr hohe Temperaturen, nur hohe Dotierungen möglich Diffusionsverfahren: hohe Temperaturen, auch niedrige Dotierungen möglich Ionenimplantation: niedrige Temperaturen, einstellbare Dotierungen möglich

7 Kapitel 9: 9.1 Zur Herstellung einer CMOS-Struktur wird häufig ein LOCOS-Prozess verwendet. Geben Sie die grundlegenden Fotoebenen in einer sinnvollen Reihenfolge an, so dass ein funktionsfähiger Prozess entsteht! Ebene 1: Herstellen der Wannen Ebene 2: Erzeugen der Aktivgebiete und deren Isolation durch ein Feldoxid Ebene 3: Einstellung der Schwellspannung und Erzeugung des Gateoxides Ebene 4: Erzeugen der Gateelektrode Ebene 5: LDD-Implantation Ebene 6: Erzeugen von Drain- und Sourcegebieten der NMOS-Transistoren Ebene 7: Erzeugen von Drain- und Sourcegebieten der PMOS-Transistoren Ebene 8: Erzeugen der Bauelementeisolation (Zwischenoxid) und der Kontaktlöcher Ebene 9: Erzeugen der ersten Leiterbahnebene Ebene 10: Erzeugen der Isolierung und der Via-Kontaktlöcher Ebene 11: Erzeugen der zweiten Leiterbahnebene Ebene 12: Erzeugen der Schutzschicht (Passivierung) und der freien Bondpads 9.2 Wodurch ist die Notwendigkeit des Aufbringens einer Titannitrid-Schicht zwischen den Silizium-Kontaktstellen und den Aluminiumleiterbahnen begründet? Siliziumatome lösen sich sonst im Aluminium und es entstehen Spikes 9.3 Die Passivierung der Schaltung soll aus einer Si-Nitrid-Schicht bestehen. Welches Herstellungsverfahren wird dazu verwendet? PECVD (da dieses Verfahren nur niedrige Temperaturen benötigt) Kapitel 10: 10.1 Geben Sie die Teilschritte für die Endfertigung nach dem Wafertest bis zum verkaufsfähigen Schaltkreis an. Backgrinden, Sägen, Die-Bonding, Draht-Bonding, Molding 10.2 Begründen Sie, weshalb beim Reflow-Löten von Halbleiter-SMD-Bauelementen als Oberflächenmontage eine kurze Lötzeit gefordert werden muss. um die Temperaturbelastung der ICs gering zu halten 10.3 Begründen Sie, warum der Moldmasse noch Quarzpulver zugegeben wird! zum Anpassen des thermischen Ausdehnungskoeffizienten

8 Kapitel 11: 11.1 Erläutern Sie die Begriffe Funktionsfähigkeit und Zuverlässigkeit! Funktionalität bedeutet, dass die festgelegten Spezifikationen eingehalten werden. Eine hohe Zuverlässigkeit bedeutet, dass die ICs bei gegebenen Umwelteinflüssen für lange Zeit funktionsfähig bleiben Welchen Vorteil und welchen Nachteil hat der Burn-In-Prozess? Der Burn-In-Prozess erhöht die Zuverlässigkeit einer Charge. Es ist jedoch ein sehr teurer Prozess.