Ulrich Hilleringmann. Silizium-Halbleitertechnologie

Transkript

1 Ulrich Hilleringmann Silizium-Halbleitertechnologie

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

3 Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme Ein Titeldatensatz für diese Publikation ist bei der Deutschen Bibliothek erhältlich. Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann ist Leiter des Fachgebietes Sensorik an der Universität Paderborn und lehrt Halbleitertechnologie, Messtechnik, Sensorik und Prozessmesstechnik. 1. Auflage Auflage , überarbeitete und ergänzte Auflage Juli 2002 Alle Rechte vorbehalten B. G. Teubner Stuttgart/Leipzig/Wiesbaden, 2002 Der Teubner Verlag ist ein Unternehmen der Fachverlagsgruppe BertelsmannSpringer. Das Werk einschließlich aller seiner Teile ist urheberrechtlich geschützt. Jede Verwertung außerhalb der engen Grenzen des Urheberrechtsgesetzes ist ohne Zustimmung des Verlags unzulässig und strafbar. Das gilt insbesondere für Vervielfältigungen, Übersetzungen, Mikroverfilmungen und die Einspeicherung und Verarbeitung in elektronischen Systemen. Die Wiedergabe von Gebrauchsnamen, Handelsnamen, Warenbezeichnungen usw. in diesem Werk berechtigt auch ohne besondere Kennzeichnung nicht zu der Annahme, dass solche Namen im Sinne der Waren- und Markenschutz-Gesetzgebung als frei zu betrachten wären und daher von jedermann benutzt werden dürften. Umschlaggestaltung: Ulrike Weigel, Gedruckt auf säurefreiem und chlorfrei gebleichtem Papier. ISBN DOI / ISBN (ebook)

4 Vorwort Das vorliegende Studienskript "Silizium-Halbleitertechnologie" ist aus der Vorlesung "Halbleitertechnologie" entstanden, die seit dem Wintersemester 1989/90 an der Universität Dortmund und seit 1999 auch an der Universität Paderbom gelesen wird. Um die rasante Entwicklung der Prozesstechnik berücksichtigen zu können, ist der Inhalt der inzwischen auf zwei Semester ausgedehnten Vorlesung um fortschrittliche Integrationstechniken erweitert worden. Ziel dieses Buches ist es, den Studenten der Elektrotechnik, Informatik, Physik, aber auch den Schaltungstechnikern und den Ingenieuren in der Prozesstechnik sowie den Auszubildenden in den Zweigen der Mikrotechnologie, die Realisierung und den Aufbau integrierter Schaltungen zu veranschaulichen. Es umfasst die Kristallherstellung, die verschiedenen Prozessschritte der Planartechnik einschließlich der CMOS-Prozessführung und die Montagetechniken für integrierte Schaltungen. Die Übungsaufgaben sollen zur Überprüfung des Verständnisses dienen und gleichzeitig dazu beitragen, die Größenordnungen der verwendeten Parameter abschätzen zu können. Ergänzend zu den grundlegenden Verfahren der Mikroelektronik sind wichtige weiterführende Integrationstechniken berücksichtigt worden, um dem interessierten Leser die Verfahren der Höchstintegration verständlich darlegen zu können. Neben den seit Jahren zur Verfügung stehenden Basisprozessen sind heute durch die Einführung neuer Materialien veränderte Arbeitsschritte erforderlich geworden. Zum Beispiel hat die Metallisierung mit Aluminium die Grenzen einer sinnvollen Skalierung erreicht. Hier hat sich in modemen Prozessen das Element Kupfer durchgesetzt. Es ermöglicht - insbesondere in Verbindung mit neuartigen Dielektrika (e < 4) - höchste Schaltgeschwindigkeiten für die Spitzenprodukte der Mikroelektronik, erfordert aber eine spezielle Strukturierungstechnik. Die Lithografie wird bislang noch von den optischen Verfahren dominiert, jedoch sind die Grenzen dieser Techniken trotz weitreichender Optimierungen absehbar.

5 VI Vorwort Auch in der Skalierung der aktiven Elemente werden Schranken erkennbar. Bei weniger als 1000 Dotierstoffatomen unterhalb der Gateelektrode eines Transistors wachsen statistische Effekte dramatisch an. Eine Gegenmaßnahme kann der Einsatz neuer Materialien für die Gateelektrode sein, deren Austrittsarbeit in der Mitte der Bandlücke des Siliziums liegen muss. Eigene Erfahrungen aus der CMOS-Technologielinie des Lehrstuhls Bauelemente der Elektrotechnik I Arbeitsgebiets Mikroelektronik der Universität Dortmund sowie der Mikrotechnolgie des Fachgebiets Sensorik an der Universität Paderborn runden den Inhalt des Buches ab. Aufgrund der Vielzahl zukünftiger Herausforderungen in der Halbleitertechnologie wurde die vorliegende dritte Auflage des Buchs überarbeitet und in einigen Teilen um neue Techniken erweitert. Damit entspricht der Inhalt auch in den kommenden Jahren dem Stand der Technik. An dieser Stelle möchte ich Herrn Prof. K. Schumacher für die gewissenhafte Ausarbeitung der ersten Unterlagen zur Vorlesung "Halbleitertechnologie" danken, die als Grundlage zur ersten Auflage dieses Buchs dienten. Herrn Prof. K. Goser danke ich für die langjährige Unterstützung meiner Arbeiten in Dortmund, die in wesentlichen Teilen zum Erfolg des Buchs beigetragen haben. Für die Durchsicht der Druckvorlagen danke ich Herrn Dr.-Ing. John T. Horstmann sowie den Herren Dipl.-phys. Ralf Otterbach und Dipl.-phys. Christoph Pannemann. Ganz herzlich danke ich meiner Familie für ihre Unterstützung während der zeitintensiven Ausarbeitung der Unterlagen. Ulrich Hilleringmann Paderborn, im Mai 2002

6 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 0z-Verbrennung Modellierung der Oxidation 28

7 VIII Inhaltsverzeichnis 3.3 Die Grenzfläche Si0 2 /Silizium 3.4 Segregation 3.5 Abscheideverfahren für Oxid Die Silan Pyrolyse Die TEOS-Oxidabscheidung 3.6 Aufgaben zur Oxidation des Siliziums Lithografie 4.1 Maskentechnik Pattern-Generator und Step- und-repeat-belichtung Direktschreiben der Maske mit dem Elektronenstrahl Maskentechniken für höchste Auflösungen Belackung Aufbau der Fotolacke Aufbringen der Lackschichten Belichtungsverfahren Optische Lithografie (Fotolithografie) Kontaktbelichtung Abstandsbelichtung (Proximity) Projektionsbelichtung Verkleinernde Projektionsbelichtung Elektronenstrahl-Lithografie Röntgenstrahl-Lithografie Weitere Verfahren zur Strukturierung Lackbearbeitung Entwickeln und Härten des Lackes Linienweitenkontrolle Ablösen der Lackmaske Aufgaben zur Lithografietechnik 59

8 Inhaltsverzeichnis IX 5 Ätztechnik Nasschemisches Ätzen Tauchätzung Sprühätzung Ätzlösungen für die nasschemische Strukturierung Isotrop wirkende Ätzlösungen Anisotrope Siliziumätzung Trockenätzen Plasmaätzen (PE) Reaktives Ionenätzen (RIE) Prozessparameter des reaktiven Ionenätzens Reaktionsgase Ionenstrahlätzen Trockenätzverfahren für hohe Ätzraten Endpunktdetektion Visuelle Kontrolle Ellipsometrie Spektroskopie Interferometrie Massenspektrometrie Aufgaben zur Ätztechnik 82 6 Dotiertechniken Legierung Diffusion Fick'sche Gesetze Die Diffusion aus unerschöpflicher Quelle Die Diffusion aus erschöpflicher Quelle Diffusionsverfahren Ablauf des Diffusionsprozesses Grenzen der Diffusionstechnik 96

9 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

10 Inhaltsverzeichnis XI 8.4 Kupfermetallisierung Aufgaben zur Kontaktierung Scheibenreinigung Verunreinigungen und ihre Auswirkungen Mikroskopische Verunreinigungen Molekulare Verunreinigungen Alkalische und atomare Verunreinigungen Reinigungstechniken Ätzlösungen zur Scheibenreinigung Beispiel einer Reinigungssequenz Aufgaben zur Scheibenreinigung MOS-Technologien zur Schaltungsintegration Einkanal MOS-Techniken Der PMOS Aluminium-Gate-Prozess Die n-kanal Aluminium-Gate MOS-Technik Die NMOS Silizium-Gate-Technologie Dern-Wannen Silizium-Gate CMOS-Prozess Schaltungs elemente 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

11 XII Inhaltsverzeichnis Die SW AMI-LOCOS-Technik Graben-Isolation 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 Selbst justierende Kontakte SOl-Techniken SOl-Substrate PIPOS - Full Isolation by Porous Oxidized Silicon SIMOX - Silicon Implanted Oxide Wafer-Bonding ELO - Epitaxial Lateral Overgrowth Die SOS-Technik SOl-Schichten durch Rekristallisationsverfahren Prozessführung in der SOl-Technik 11.4 Transistoren mit Nanometerabmessungen 11.5 Aufgaben zur Höchstintegrationstechnik Bipolar-Technologie 12.1 Die Standard-Buried-Collector Technik 12.2 Fortgeschrittene SBC-Technik 12.3 Bipolarprozess mit selbst justiertem Emitter 12.4 BiCMOS-Techniken 12.5 Aufgaben zur Bipolartechnologie

12 Inhaltsverzeichnis XIII 13 Montage integrierter Schaltungen 13.1 Vorbereitung der Scheiben zur Montage Verringerung der Scheibendicke Rückseitenmetallisierung Trennen der Chips Ritzen Lasertrennen Sägenffrennschleifen 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