Silizium- Halbleitertechnologie
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1 Silizium- Halbleitertechnologie Von Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann Priv.-Doz. an der Universität Dortmund 2., überarbeitete und erweiterte Auflage Mit 152 Bildern B. G. Teubner Stuttgart Leipzig 1999
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 dotierten Siliziums Die thermische Oxidation von Silizium Trockene Oxidation Nasse Oxidation H 2 O 2 -Verbrennung Modellierung der Oxidation Die Grenzfläche SiO 2 /Silizium Segregation 32
3 VI Inhaltsverzeichnis 3.5 Abscheideverfahren für Oxid Die Silan Pyrolyse Die TEOS-Oxidabscheidung Aufgaben zur Oxidation des Siliziums 36 4 Lithografie 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 4.4 Lackbearbeitung Entwickeln und Härten des Lackes Linienweitenkontrolle Ablösen der Lackmaske 4.5 Aufgaben zur Lithografietechnik 5 Ätztechnik 5.1 Nasschemisches Ätzen Tauchätzung Sprühätzung Ätzlösungen für die nasschemische Strukturierung Isotrop wirkende Ätzlösungen Anisotrope Siliziumätzung
4 Inhaltsverzeichnis VII 5.2 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 81 6 Dotiertechniken Legierung Diffusion 86 r Fick'sche Gesetze Die Diffusion aus unerschöpflicher Quelle Die Diffusion aus erschöpflicher Quelle Diffusionsverfahren Ablauf des Diffusionsprozesses Grenzen der Diffusionstechnik Ionenimplantation Reichweite implantierter Ionen Channeling Aktivierung der Dotierstoffe Technische Ausführung der Ionenimplantation Charakteristiken der Implantation Aufgaben zu den Dotiertechniken 110
5 VIII Inhaltsverzeichnis 7 Depositionsverfahren Chemische Depositionsverfahren Die Silizium-Gasphasenepitaxie Die CVD-Verfahren zur Schichtdeposition APCVD-Verfahren Low Pressure CVD-Verfahren (LPCVD) Plasma Enhanced CVD-Verfahren (PECVD) 7.2 Physikalische Depositionsverfahren Molekularstrahlepitaxie (MBE) Aufdampfen Kathodenzerstäubung (Sputtern) 7.3 Aufgaben zu den Abscheidetechniken 8 Metallisierung und Kontakte 8.1 Der Metall-Halbleiter-Kontakt 8.2 Mehrlagenverdrahtung Planarisierungstechniken Der BPSG-Reflow Reflow- und Rückätztechnik organischer Schichten Spin-On-Gläser Chemisch-mechanisches Polieren Auffüllen von Kontaktöffhungen 8.3 Zuverlässigkeit der Aluminium-Metallisierung 8.4 Kupfermetallisierung 8.4 Aufgaben zur Kontaktierung 9 Scheibenreinigung 9.1 Verunreinigungen und ihre Auswirkungen Mikroskopische Verunreinigungen Molekulare Verunreinigungen Alkalische und atomare Verunreinigungen 9.2 Reinigungstechniken
6 Inhaltsverzeichnis IX 9.3 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 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 Lokale Oxidation von Silizium SPOT-Technik zur Lokalen Oxidation Die SILO-Technik Poly-buffered LOCOS Die SWAMI-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 Selbstjustierende Kontakte 217
7 X Inhaltsverzeichnis 11.3S0I-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 Aufgaben zur Höchstintegrationstechnik Bipolar-Technologie Die Standard-Buried-Collector Technik Fortgeschrittene SBC-Technik Bipolarprozess mit selbstjustiertem Emitter BiCMOS-Techniken Aufgaben zur Bipolartechnologie 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
8 Inhaltsverzeichnis XI 13.3 Kontaktierverfahren Einzeldraht-Kontaktierung (Bonding) Thermokompressionsverfahren Ultraschallbonden Thermosonic-Verfahren Komplettkontaktierung Spider-Kontaktierung Flipchip-Kontaktierung Beamlead-Kontaktierung Endbearbeitung der Substrate Aufgaben zur Chipmontage 279 Anhang A: Lösungen der Aufgaben 280 Anhang B: Farbtabelle Oxiddicken 299 Literaturverzeichnis 300 Stichwortverzeichnis 302
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