Rechnerarchitekturen und Mikrosystemtechnik lectures/2008ws/vorlesung/ram
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- Ingeborg Kraus
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1 RAM Rechnerarchitekturen und Mikrosystemtechnik lectures/2008ws/vorlesung/ram Andreas Mäder Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften Technische Aspekte Multimodaler Systeme Wintersemester 2008/2009 A. Mäder 1
2 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie Computer funktionieren... ENIAC: Electronic Numerical Integrator and Computer, 42 A. Mäder 2
3 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie Befehle abgearbeitet werden Von-Neumann-Architektur [PH05] A. Mäder 3
4 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie dazu die interne Hardwarearchitektur aussieht Democom-1 [Lag87] A. Mäder 4
5 RAM Was soll die Vorlesung vermitteln? Wie die Komponenten intern aufgebaut sind x y 0 3 x 0 y 2 x 0 y 1 x 0 y 0 x y 1 3 x 1 y 2 x 1 y 1 x 1 y 0 HA x y 2 3 x 2 y 2 x 2 y 1 x 2 y 0 VA x y 3 3 x 3 y 2 x 3 y 1 x 3 y 0 CPA p 7 p 6 p 5 p 4 p 3 p 2 p 1 p 0 Blockschaltbild A. Mäder 5
6 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie die Komponenten intern aufgebaut sind Netzliste A. Mäder 5
7 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie die Schaltungen funktionieren Transistornetzliste eines Latches A. Mäder 6
8 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie die Schaltungen funktionieren Impulsdiagramm der elektrischen Simulation A. Mäder 6
9 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Wie die Schaltungen funktionieren Layout des Latches A. Mäder 6
10 RAM Was soll die Vorlesung vermitteln? Wie Mikrochips und -Systeme gefertigt werden CMOS Inverter [WE94] A. Mäder 7
11 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Mit welchen Werkzeugen und nach welchen Prinzipien man eine Schaltung mit mehreren Millionen Transistoren entwirft Pentium A. Mäder 8
12 Was soll die Vorlesung vermitteln? RAM Mit welchen Werkzeugen und nach welchen Prinzipien man eine Schaltung mit mehreren Millionen Transistoren entwirft Spezifikation Spezifikation Systemumgebung Algorithmendesign Verhaltensbeschreibung Strukturierung VHDL Simulation unvollständige Spezifikation Schaltungsfehler Architekturdesign synthesefähige hierarchische Struktur +Takt Synthese Library Mapping VHDL Simulation Schaltungsfehler Syntheseparameter Synthese hierarchische Netzliste +Gatterverzögerung synthesegerechtes VHDL Standardzell- / FPGA- Backend VHDL / Verilog Simulation Timingfehler +Leitungslaufzeit Layout Datenbasis Layout (kein VHDL) Entwurfsablauf A. Mäder 8
13 Gliederung RAM 1. Mikroelektronik 2. Mikrosysteme 3. VLSI- und Systementwurf 4. Rechnerarchitektur A. Mäder 9
14 1 Mikroelektronik RAM Gliederung 1. Mikroelektronik Halbleiter Halbleiter-Bauelemente Herstellung von Halbleitermaterial Verfahren zur Chipherstellung Prozesse und Logikschaltungen Speichernde Schaltungen Endliche Automaten 2. Mikrosysteme 3. VLSI- und Systementwurf 4. Rechnerarchitektur A. Mäder 10
15 1.1 Mikroelektronik - Halbleiter RAM Halbleiter Halbleiter stehen zwischen Leitern (z.b.: Metalle) und Isolatoren. bei Raumtemperatur quasi nicht-leitend Leitfähigkeit steigt mit der Temperatur Heißleiter physikalische Erklärung über Bändermodell siehe Kristallstruktur aus 4-wertigen Atomen elementare Halbleiter: Ge, Si Si Si Si Verbindungshalbleiter: GaAs, InSb Si Si Si Si Si Si A. Mäder 11
16 1.1 Mikroelektronik - Halbleiter RAM Leitung im undotierten Kristall Paarentstehung: Elektronen lösen sich aus Gitterverband Paar aus Elektron und Loch entsteht. Rekombination: Elektronen und Löcher verbinden sich quasistatischer Prozess Eigenleitungsdichte n i : temperatur- und materialabhängig Si : 1, cm 3 Ge : 2, cm 3 GaAs : 1, cm 3 bei 300 K 20 C Atomdichte Si : cm 3 es gilt: n 2 i = n n n p Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si Si [Rei98] A. Mäder 12
17 1.1 Mikroelektronik - Halbleiter RAM Dotierung mit Fremdatomen Ein kleiner Teil der vierwertigen Atome wird durch fünf- oder dreiwertige Atome ersetzt. freies Leitungselektron Defektelektron (Loch) Si Si Si Si Si Si Si P Si Si B Si Si Si Si Si Si Si A. Mäder 13
18 1.1 Mikroelektronik - Halbleiter RAM Dotierung mit Fremdatomen (cont.) Donatoren, Elektronenspender: Phosphor, Arsen, Antimon Akzeptoren: Bor, Aluminium, Gallium, Indium Dotierungsdichten Stärke Fremdatome [cm 3 ] schwach n, p mittel n, p stark n +, p Beweglichkeit µ: materialspezifische Größe T = 300 K Si Ge GaAs [cm 2 /(Vs)] Elektronen µ n Löcher µ p Leitfähigkeit: ergibt sich aus Material, Beweglichkeit und Ladungsträgerdichte(n) K = e(n n µ n + n p µ p ) A. Mäder 14
19 1.1 Mikroelektronik - Halbleiter RAM Dotierung mit Fremdatomen (cont.) selbst bei hoher Dotierung ist die Leitfähigkeit um Größenordnungen geringer als bei Metallen Si 1 freier Ladungsträger pro 500 Atome (10 19 / ) Met mindestens 1 Ladungsträger pro Atom Majoritätsträger: Ladungsträger in Überzahl (i.d.r. Dotierung) Minoritätsträger: Ladungsträger in Unterzahl n 2 i = n n n p A. Mäder 15
20 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Dioden Ein P/N-Übergang bildet eine Diode P N I D I F P N I F U 1 P N U 1 I D [Rei98] A. Mäder 16
21 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Dioden (cont.) Diffusionsstrom I D : Ladungsträger diffundieren in das anders dotierte Gebiet Feldstom I F : Löcher und Elektronen verbinden sich, Ladungsträger fehlen Raumladung: dadurch entsteht ein elektrisches Feld, es wirkt der Diffusion entgegen und ein Gleichgewicht stellt sich ein I D I F = 0 Diffusionsspannung U D : material-, temperatur- und dotierungsabhängig U D = kt e 0 Si : 0, 7 V Ge : 0, 3 V ln n An D n 2 i P N A. Mäder 17
22 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Dioden (cont.) Sperrschicht: die Grenzschicht ohne Ladungsträger Sperrrichtung P N I F U 1 Externe und Diffusionsspannung sind gleich ausgerichtet: +-Pol an n-gebiet / -Pol an p-gebiet Sperrschicht wird breiter Energie: e 0 (U D + U) A. Mäder 18
23 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Dioden (cont.) Durchlassrichtung P N I D U 1 Externe und Diffusionsspannung sind unterschiedlich ausgerichtet: +-Pol an p-gebiet / -Pol an n-gebiet Sperrschicht verschwindet ein Strom kann fließen A. Mäder 19
24 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Dioden (cont.) Diodenkennlinie I = I D I F I = I F (e e 0 U kt 1) Kathode n-dotiert Anode p-dotiert A. Mäder 20
25 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren Entsprechen zwei gegeneinander geschaltete Dioden Anschlüsse: Emitter emittiert Ladungsträger in Basis Basis gemeinsamer Anschluß Collector sammelt Ladungsträger aus Basis Typen: NPN-Transistor PNP-Transistor B B E C E C B B E C Im Normalbetrieb sind die Emitter-Basis Diode in Durchlassund die Collector-Basis Diode in Sperrrichtung gepolt E C A. Mäder 21
26 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren (cont.) Funktionsweise: durch die leitende Emitter-Basis Diode wird in der Basis die Minoritätsträgerdichte erhöht. Sind sehr viele Ladungsträger in der Basis, so können sie die Sperrschicht zum Collector durchdringen. Eingangskennlinie Ausgangskennlinienfeld A. Mäder 22
27 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren (cont.) Erklärung nach dem Bändermodell, siehe unbeschaltet A. Mäder 23
28 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren (cont.) Anlegen einer externen Spannung U CE A. Mäder 24
29 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren (cont.) Der leitende Transistor U CE und U BE A. Mäder 25
30 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM Bipolar-Transistoren (cont.) Stromverstärkungsfaktor β: mit einem kleinen Emitter-Basis Strom wird so ein großer Emitter-Collector Strom gesteuert. I C = β I B, typische Werte: 10 < β < obige Überlegungen basieren auf der Emitterschaltung, die zur Leistungsverstärkung benutzt wird. Andere Schaltungsvarianten sowie die unterschiedlichen Betriebsmodi sollen hier nicht weiter diskutiert werden eine kurze Übersicht findet sich z.b. in genaueres in Standardwerken der Elektrotechnik, wie beispielsweise [TS02] A. Mäder 26
31 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren MOS: Metal On Silicon FET : Feldeffekttransistor weteis/tutorium.htm Literatur: [TS02, WE94] unipolarer Transistor: nur eine Art von Ladungsträgern, die Majoritätsträger, ist am Stromfluss beteiligt A. Mäder 27
32 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) Anschlüsse: Source Quelle der Ladungsträger Gate steuert den Stromfluss Drain Senke der Ladungsträger Bulk siehe Herstellungstechnik NMOS Transistor [Rei98] A. Mäder 28
33 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) Funktionsweise: die Ladung des Gates erzeugt ein elektrisches Feld. Durch Inversion werden Ladungsträger unterhalb des Gates verdrängt und ein leitender Kanal zwischen Source und Drain entsteht. MOS-Kondensator [Rei98] A. Mäder 29
34 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) Schwellspannung U P : abhängig von der Dotierungsdichte, den Parametern des MOS-Kondensators (Dicke und Material der Gate-Isolationsschicht)... U P möglichst klein: 0,3... 0,8 V früher: deutlich mehr A. Mäder 30
35 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) U DS U GS U P normaler Betrieb (Triodenbereich) U DS = U GS U P Kanalabschnürung Spannungsabfall zwischen S und D durch den Kanalwiderstand A. Mäder 31
36 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) U DS > U GS U P Kanalverkürzung (Sättigungsbereich) Der Kanal wird weiter verkürzt, die Spannung U DS bewirkt ein virtuell größeres Drain durch Inversion. I D wächst nur noch minimal. kurze Kanäle aktueller Submikronprozesse können allein durch hohe Spannungen U DS leitend werden (Durchgreifbetrieb) einer der Gründe für sinkende Versorgungsspannungen A. Mäder 32
37 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) Kennlinienfeld [Rei98] A. Mäder 33
38 1.2 Mikroelektronik - Halbleiter-Bauelemente RAM MOS-Transistoren (cont.) Typen D Kennlinienfeld oben: N-Kanal, selbstsperrend D P-Kanal N-Kanal G G S D S G G S D S selbstleitend Verarmungs- selbstsperrend Anreicherungstyp A. Mäder 34
39 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Herstellung von Halbleitermaterial Übersicht in: A. Mäder 35
40 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Rohsilizium Siliziumoxid (SiO 2 ): Sand, Kies... ca. 20 % der Erdkruste Herstellung im Lichtbogenofen: Siliziumoxid + Koks SiO 2 + 2C Si + 2CO amorphe Struktur, polykristallin noch ca. 2 % Verunreinigungen (Fe, Al... ) A. Mäder 36
41 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Solarsilizium Ziel: Fremdatome aus dem Silizium entfernen 1. Chemische Bindung des Siliziums Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 Reaktion mit Salzsäure erzeugt SiHCl 3 Trichlorsilan SiCl 4 Siliziumchlorid (10%) SiH 2 Cl 4 div. andere Chlorsilane/Silane FeCl 2, AlCl 3 div. Metallchloride 2. Verschiedene Kondensations- und Destillationschritte trennen Fremdverbindungen ab, hochreines Trichlorsilan entsteht < 1ppm Verunreinigungen A. Mäder 37
42 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Solarsilizium (cont.) 3. CVD (Chemical Vapour Deposition) zur Abscheidung des Trichlorsilans zu elementarem Silizium 4SiHCl 3 Si + 3SiCl 4 + 2H 2 polykristallines Silizium < 0,1ppm Verunreinigungen A. Mäder 38
43 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Siliziumeinkristall Weitere Ziele Einkristalline Struktur erzeugen Reinheit für Halbleiterherstellung erhöhen <, 1ppb ggf. Dotierung durch Fremdatome einbringen Es gibt dazu mehrere technische Verfahren, bei denen das polykristalline Silizium geschmolzen wird und sich monokristallin an einen Impfkristall anlagert. A. Mäder 39
44 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Siliziumeinkristall (cont.) Czochralski-Verfahren (Tiegelziehverfahren) A. Mäder 40
45 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Siliziumeinkristall (cont.) Zonenschmelz- / Zonenziehverfahren A. Mäder 41
46 1.3 Mikroelektronik - Herstellung von Halbleitermaterial RAM Wafer weitere Bearbeitungsschritte: zersägen, schleifen, läppen, ätzen, polieren Durchmesser bis 30 cm 2012: 45 cm [ITRS07] Dicke < 1mm Rauhigkeit nm Markieren: Kerben, Lasercodes... früher flats A. Mäder 42
47 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Technologien Technologien zur Erstellung von Halbleiterstrukturen Epitaxie: Aufwachsen von Schichten Oxidation von Siliziumoberflächen: SiO 2 als Isolator Strukturerzeugung durch Lithografie Dotierung des Kristalls durch Ionenimplantation oder Diffusion Ätzprozesse: Abtragen von Schichten [WE94] A. Mäder 43
48 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Technologien (cont.) Links A. Mäder 44
49 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie Aufwachsen von Schichten an der Oberfläche des Einkristalls durch chemische oder physikalische Prozesse Homoepitaxie: Schicht und Substrat aus gleichem Material Heteroepitaxie: unterschiedliche Materialien Spannungen und Versetzungen im Kristall durch verschiedene Gitterkonstanten A. Mäder 45
50 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Unterschiedliche Verfahren Quellen und Transportmechanismen als Homoepitaxie: Aufwachsen von schwach dotiertem Silizium (p, n ) auf dem Wafer Flüssigphasenepitaxie / LPE (Liquid-Phase Epitaxy): Abscheidung aus einer Flüssigkeit, einer Schmelze A. Mäder 46
51 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Chemische Gasphasenabscheidung / CVD (Chemical Vapor Deposition): Chemische Reaktion mit, bzw. Abscheidung aus einem Gas Chipherstellung Siliziumdioxid polykristallines Si Siliziumnitrid A. Mäder 47
52 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) A. Mäder 48
53 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Physikalische Gasphasenabscheidung / PVD (Physical Vapor Deposition): Kondensation von Materialdampf Chipherstellung Metallisierung mit Al, Cu Oberbegriff für unterschiedlichste Verfahren je nach Art der Verdampfung, des Materialtransports... thermisches Verdampfen Elektronenstrahlverdampfen Sputtern (Zerstäuben) Molekularstrahlepitaxie A. Mäder 49
54 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Elektronenstrahlverdampfen für die Metallisierung A. Mäder 50
55 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Thermisches Verdampfen A. Mäder 51
56 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Sputtern A. Mäder 52
57 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Epitaxie (cont.) Molekularstrahlepitaxie (MBE Molecular Beam Epitaxie) A. Mäder 53
58 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Oxidation Thermische Oxidation Verfahren trocken nass Si + O 2 SiO 2 Si +2H 2 O SiO 2 +2H Temperatur [ C] Oxidation [nm/h] hoch niedrig Dichte wenige vermehrt Oxidladungen Gateoxid Feldoxid (Dickoxid) H 2 O 2 Verbrennung: hohes Schichtwachstum, wenig Oxidladungen verbraucht Silizium aus dem Substrat A. Mäder 54
59 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Oxidation (cont.) Ofen für die thermische Oxidation Abscheideverfahren Sputter-Beschichtung, Silan-Pyrolyse,... dem Prozess muss Silizium zugeführt werden A. Mäder 55
60 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie Übertragung von Strukturen durch einen Belichtungsprozess 1. Lack Auftragen (Aufschleudern) Positivlacke: hohe Auflösung MOS Negativlacke: robust, thermisch stabil A. Mäder 56
61 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) 2. Belichten Maskenverfahren: 1:1 Belichtung, Step-Verfahren UV-Lichtquelle Struktur direkt schreiben: Elektronen- / Ionenstrahl andere Verfahren: Röntgenstrahl- / EUV-Lithografie 3. Entwickeln, Härten, Lack entfernen je nach Lack verschiedene chemische Reaktionsschritte Härtung durch Temperatur... weitere Schritte des Planarprozess A. Mäder 57
62 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Herstellung der Masken: fotochemischer Prozess, der Chromstrukturen auf einer Quarzplatte erzeugt Pattern-Generator belichtet Quarzplatte Abbildung mechanischer Blenden Licht aus Laser-Blitzquellen direkte Belichtung mit Elektronenstrahl Ergebnis: Maske eines Chips im Maßstab 5:1 Reticle Step-and-Repeat Verfahren erzeugen die Wafermaske wiederholte Abbildung und Verkleinerung Ergebnis: Maske eines Wafers A. Mäder 58
63 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Laser Patterngenerator A. Mäder 59
64 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Elektronenstrahlschreiber A. Mäder 60
65 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Maske: Substrat mit Chromstruktur A. Mäder 61
66 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) optische Lithografieverfahren 1:1 Belichtung: Maskeninhalt entspricht Wafer + kostengünstig, hoher Durchsatz Justierprobleme bei Scheibenverzug Vakuumkontakt Auflösung: < 0,6 µm Defektdichte: hoch, mechanische Beschädigung Abstandsbelichtung Abstand: µm Auflösung: 2-3 µm Defektdichte: gering Projektionsbelichtung: direkte Abbildung oder über Wafer-Scan Auflösung: < 0,8 µm Defektdichte: gering A. Mäder 62
67 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Step-Verfahren: Maskeninhalt entspricht Chip + Auflösung, Justierung Durchsatz A. Mäder 63
68 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Step-and-Repeat Step-Scan Abbildungsmaßstab: 1:1 bis 1:5 Auflösung: 0,6 µm bis < 0,1 µm (1:5) Defektdichte: sehr gering extrem aufwändige Anlagen Positioniergenauigkeit Temperaturausgleich Kosten: mehrere Mio. A. Mäder 64
69 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Waferstepper ASML A. Mäder 65
70 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Probleme der optischen Lithografie Auflösung abhängig von der Wellenlänge a = k 1λ NA λ : Wellenlänge k 1 : f(kohärenzgrad des Lichts, optische Eigenschaften) NA : numerische Apertur a 0, 5µm (λ = 400nm) Tiefenschärfe abhängig von der Wellenlänge DOF = ± k 2λ NA 2 DOF ±800nm (λ = 400nm) kleinere Wellenlänge = höhere Auflösung geringere Tiefenschärfe Beugungs- / Reflexionseffekte A. Mäder 66
71 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Optimierungen kurzwelliges Licht, bis 193 nm Phaseneffekte ausnutzen: Phase-Shifting Masken Strukturgrößen kleiner als Lichtwellenlänge nichtaxiale Belichtung Mehrlagen-Resist: mehrlagiger Aufbau der Fotoschicht Glättung der Oberfläche reflexionsvermindernde Schichten Mehrfachbelichtung k 1 < 0, 25 Immersionslithografie NA > 1 a = k1λ NA A. Mäder 67
72 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Intel: Lithography Roadmap (2002) A. Mäder 68
73 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) weitere Lithografieverfahren Röntgenstrahlbelichtung + Auflösung Strahlungsquelle (Synchrotronstrahlung), Maskenmaterial (Gold) Elektronenstrahlschreiben für Kleinstserien: Prototypenfertigung + Auflösung, keine Masken Durchsatz A. Mäder 69
74 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) A. Mäder 70
75 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Ionenstrahlbelichtung + Auflösung, keine Masken Durchsatz A. Mäder 71
76 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Interferenz Lithografie Interferenzeffekte von UV-Laserstrahlen Auflösungen < 50 nm Nanoimprint Lithografie (NIL) Auflösungen < 10 nm verschiedene Verfahrensweisen: thermoplastisch, Kontaktübertragung, elektrochemisch, Photo-/UV-basiert verschiedene Materialien: Quarz, Si, Ni, PDMS (organ. Polymer) A. Mäder 72
77 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) A. Mäder 73
78 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) A. Mäder 74
79 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) A. Mäder 75
80 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Extrem UV Scanner (EUV) reflektive Masken A. Mäder 76
81 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) Intel EUV-Testanlage A. Mäder 77
82 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Lithografie (cont.) zukünftige Technologie, erste Testanlagen in Betrieb (Planung Intel: 32nm in 2009) vielfältige Probleme Leistung der EUV-Quelle Maskenmaterial Genauigkeiten, thermische Ausdehnungen... Beispiel: Oberflächen A. Mäder 78
83 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Dotierung Fremdatome in den Siliziumkristall einbringen Diffusion Diffusionsofen ähnlich CVS-Reaktor gaußförmiges Dotierungsprofil Konzentration der Dotieratome nimmt ab A. Mäder 79
84 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Dotierung (cont.) Ionenimplantation Beschuss mit Ionen Beschleunigung der Ionen im elektrischen Feld Über die Energie der Ionen kann die Eindringtiefe sehr genau eingestellt werden Temperung notwendig: Erhitzen des Einkristalls zur Neuorganisation des Kristallgitters A. Mäder 80
85 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Dotierung (cont.) Ionenimplantation A. Mäder 81
86 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Ätztechnik Verfahren nasschemisch: mit flüssiger Säure Plasma- / Barrelätzen: reaktive Radikale durch Gasentladung Reaktives Ionenätzen Sputterätzen: rein physikalisches Verfahren Ätzprofile: A = 1 v l v v lateral/vertikal isotrop: gleichmäßig in alle Richtungen Mikroelektronik anisotrop: mit Vorzugsrichtung Mikromechanik Abhängig von: Verfahren, Ätzmittel, Kristallorientierung... A. Mäder 82
87 1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM Ätztechnik (cont.) Ätzlösung für dünne Schichten (Mikroelektronik) A. Mäder 83
1.4 Mikroelektronik - Verfahren zur Chipherstellung RAM
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