Sommerschule Mikroelektronik - IHP Einführung in die Mikroelektronik B. K. Glück

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1 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 Einführung in die Mikroelektronik B. K. Glück BTU C-S, Fakultät 5 - Ingenieurwissenschaften & Informatik 1 Historie und Definition 2 Markt 3 Prozessumgebung Struktur der Materie 4 - Einzelprozesse 5 Technologien und Erzeugnisse

2 1 - Historie und Definition 1928 J. E. Lilienfeld & O. Heil: Feldeffekt 1934 O. Heil: Halbleiter-FET 1936 K. Zuse: programmierbare digitale Rechenmaschine Z W. Schottky & E. Spenke: Beschreibung der RLZ im Halbleiter quantitativ; Ergebnis u.a. Schottky-Barriere-Diode 1942 H. Mataré (Telefunken), K. Seiler, H. Welkner: 2- Punktkontakt-Germanium-Dioden à Transistorpatent J. Bardeen, W. H. Brattain und W. Schockley sog. Duo- Punktkontaktdiode aus Poly-Ge à 1948 Transistoreffekt 1954 Firmen Bell und TI substituieren Ge durch Si 1958 Bell Labs: Planartechnik auf Basis hochreinem SiO 2 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 2

3 1 - Historie und Definition 1958 J. S. Kilby (TI) & N. Noyce (Fairchild Semi.) IC (Ge) 1964 RCA: CMOS-IC 1960 H. Welker (Siemens & Halske): GaAs- / InP LED 1968 G. E. Moor & R. Noyce: MOS-Speicher (64bit-RAM) 1971 TI: Patent für einen µp & Intel: 4-bit CPU 4004 (740 khz) 1973 National Semiconductor u.a.: 16-bit CPU 1977 Stanford Univ.: integrierte g-sensoren - MEMS 1979 / 82 Motorola (MC 68000) / AT&T Bell, 32-bit CPU 1985 W. Ehrfeld (KfK): LIGA-Technik 1985 R. F. Curl, H. W. Kroto & R. E. Smalley: Fulleren C AMD, Intel u.a.: 64-bit CPU 2004 A. Geim & K. Novoselov: Graphene Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 3

4 1 - Historie und Definition Definition: Die Mikroelektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik. Bildquelle: 08/2011 Es geht dabei um die Miniaturisierung von elektronischen Bauelementen und um deren funktional und systemorientierte Integration (IC). Die Abmessungen der Grundstrukturen (Gräben, Stege, Schichten) reichen dabei vom µm- bis zum nm-bereich. Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 4

5 2 - Markt Brutto so zia lp ro d ukt El. BE 355 Mrd. US- $ Elektronik Anwender ca Mrd. US- $ Ma sc huinenba u Autom otive Elektronik- G erä te ca Mrd. US- $ Konsum e r EDV C BBCM-Design 2009, ~/abb1v1bthlme1markt.* Unmittelbare Auswirkung des Weltmarktes von IC und MEMS auf nachgeordnete Industriezweige; Datenbasis 2009/10. Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2012 B. K. Glück 5

6 2 - Markt Familie Diskrete Optoelektronik Sensoren High P Analog Application S Analog Logik Speicher DSP MCU MPU Gesamt ,1 15,1 4,5 11,6 20,3 57,8 48,3 7, , ,4 20,1 5, ,1 57 9, ,5 22,2 6,9 16,4 27,3 72, , , , ,8 24,4 40,3 101,4 93,9 16,1 19,5 56, CAGR 4 % 14 % 21 % 12 % 11 % 10 % 11 % 11 % 8 % 9 % 10 % Marktübersicht und Prognose in Mrd. US-$, getrennt nach Produktfamilien [Quelle: Databeans, Markt&Technik 5/2006; Mark&Technik ], Legende: High P = High Performance, Appolication S = Application Specific, DSP = Digital Signal Processor, MPU = Microprocessing Unit, MCU = Microcontroller Unit, CAGR = Compound Annual Growth Rate. Vergleich: Umsatz der Automobilindustrie 2010 in D: 315 Mrd.! Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 6 08 r e v i d i e r t < r e v i d i e r t < ,8 32,5 11,7 22,8 36,9 90,2 82,7 14,6 19,1 53,

7 3 Prozessumgebung - Reinraum Partikel induzierte Effekte: Sieb-Effekt (Maschenweite) Diffusions-Effekt (Energie des Teilchens) Trägheits-Effekt (Masse + Geschwindigkeit) Sperr-Effekt durch Adhäsion der Partikel (Interceptions-Effekt) Elektrostatischer Effekt (Ionen / Dipole / n*e - ) C BBCM-Design 2009, ~/abb1vbthlme1filter.* D P D F Q m Sie b- Effe kt Elektrosta tisc her Effekt Diffusions- Effekt Trä g h e its- E ffe kt Sp e rr- Effe kt Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2012 B. K. Glück 7

8 3 Prozessumgebung - Reinraum Reinräume als Vertikal- (z. B. IHP), Horizontal- (z. B. hmp), Tunnel (z. B. AMTC)- Nest- oder (z.b. HS Lausitz) Inselsysteme. Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2012 B. K. Glück 8

9 3 - Prozessumgebung RR-Standards: FS 209d (USA), VDI- Richtlinie 2083, Industriestandard SEMI E44-95, und Normen ISO/TC 209, ISO 14644, ISO (Biotechnik), ISO RR-Parameter Temperatur, Relative Feuchte, Gehalt an Aerosolen und (F)CKW, Ionisationsgrad, Strömungsgeschwindigkeit, Anzahl der Luftwechsel, Partikelzusammensetzung, Sterilisationsgrad / Keimfreiheit (vorrangig bei MEMS, Medizintech.) Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 9

10 3 Struktur der Materie ohne Antimaterie BB M C ~/ ab b1 v2 bt hm e3 at om.* Baryonen (3 Quarks) und ausgewählte Mesonen (2 Quarks) M esonen B a ry o n e n ( B e is p ie le ) u p (q 0 = + 2 /3 e ) up Q u a rk Q u a rk P ro to n P i + P i 0 g G lu o n Q u a rk A n tis tr a n g e d o w n (q 0 = -1 /3 e ) + 14 A n tip r o to n up up C h a rm K 0 C h a rm A n tiq u a r k J /P s i 0 b t dow n III. Q u a r k - F a m ilie Ke rn K = 2 L = 8 M = 4 Klassisches Atommodell nach Bohr und Rutherford, Beispiel Z = 14, Silicium, bestehend aus dem Atomkern (rot - positive Protonen, grau Neutronen) und den negativ geladenen Elektronen (blau); Atomradius: ca. 1,1Å; Radius des Kernes etwa 10-5 bis 10-6 des Atomradius Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 dow n dow n N e u tro n up dow n Lam bda S tra n g e B. K. Glück 10 B B M C - D e s ig n up

11 3 Struktur der Materie ohne Antimaterie Quark (s = ½) up down charm strange t t b b t top b bottom Familien der Quarks und Leptonen γ Elektromagnetische Kraft g starke Kraft B B M C - D e s i g n Leptonen (s = ½) ν e ν µ ν τ Elektron- Neutrino Elektron Myon- Neutrono e - µ - Myon Tau- Neutrino Tau Familie I. II. III. τ B B M C - D e s i g n G Gravitation W Z W schwache Kraft 4 Wechselwirkungen der Materie oder: Was hält uns zusammen? Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 11

12 3 Struktur der Materie - Fermionen = Baryonen + Leptonen: (Spin = ±1/2) Hadronen = Elementarteilchen Teilchen-Name Masse [1], [3] Baryonen Ladu ng Isosp in Zerfallze it Strangen ess Cha rm Bottom ness Topnes s MeV/c 2 Q I t [s] [3] S C B T d - down Quark /3-1/ u - up Quark 1, /3 1/ s - strange Quark / c - charm Quark / b - beauty / bottom Q / t - truth / top Quak / p - Proton uud /2 p - Antiproton uud /2 Quarks (q) haben die Baryonenzahl 1/3; 1 Baryon (Proton (uud) oder Neutron (ddu)) besteht aus 3 Quarks (qqq) Fermionen Spin = ±1/2 n - Neutron udd /2 1 Antibaryon besteht aus 3 Antiqarks (qqq); z. B.: Antiproton: uud λ - Lambda uds /2 Ω - Omega sss /2 Es gibt die Quark-Dubletten (u,d); (c,s); (t,b) e - - Elektron ν e Elektron-Neutrino 0, /2 < 2,2 ev 0 1/2 Leptonen 105,6-1 1/2 2,2E-06 Sommerschule Mikroelektronik µ - - Myon - IHP 2012 B. K. Glück 12 ν µ Myon-Neutrino < 0,17 0 1/2 Leptonen haben die Quark- Dubletten (ν e,e); (ν µ,µ); τ - Tau /2 5,0E-13 (ν τ,τ)

13 3 Struktur der Materie - Bosonen (Spin = 1, 2, ganzzahlig) Mesonen (bosonische Hadronen, ca. 140 Typen) Meson π 0 - Pion, uu, dd ,4E-17 π + -, π - - Pion, ud ,6E-08 K - - Meson, Kaon, su ,0E-15 η - Eta, uu/dd ρ - Rho, ud D + - Meson, cd η c - Meson, cc 2980 B 0 - Meson, B-zero, db Pionen / Mesonen zerfallen bevorzugt in Leptonen [4]. Mesonen weisen drei verschiedenen Wechselwirkungen (stark, schwach, elektromagn.) auf. Mesonen (instabil) bestehen aus 2 Quarks (1 Quark und 1 Antiquark (qq)); Baryonenzahl = 0 Higgs-Bosonen H 0 wanted Eich-Bosonen g - Gluon Ladungsaustausch z. B. mit Quark [2] γ - Photon E = h * ν Z 0 - schwache Kraft Ladungsaustausch z. B. mit Photon [2] W + - schwache Kraft Ladungsaustausch z. B. mit Photon W - - schwache Kraft Ladungsaustausch z. B. mit Photon Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 13

14 3 Struktur der Materie - Teilchen Extrawurst der Materie : Teilchen und Quasiteilchen Alpha-Teilchen 4 2 He Zerfallsprodukt Beta-Teilchen ß +, ß -, Zerfallsprodukt Phonon (Quasiteilchen)???? Optophononen (IR) Akustophononen Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 14

15 3 Struktur der Materie III A IV A V A VI A Si, Ge, C: Diamantgitter = 2 x kfz-gitter Z <001> Zn Cd Hg B Al Ga In C (D i) Si (D i) Ge (D i) Sn (D i) Pb SiC SiG e (N ) P As Sb S Se Te III A - V A IV A - VI A ZnS, (kfz) ZnSe, ZnTe CdS (Wurzit), CdSe, CdTe Hg S, Hg Se, Hg Te AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP (kfz), GaAs, GaSb In P, In As, In Sb AlG x a 1 - x, As, GaAs 1 - x, Px Ga In, As x 1 - x Pb S Pb Se Pb Te (krz) [0 0 0 ] Y- Ac hse <010> ZnG e P CdSiAs 2 2 CuInSe Ag G a S 2 2 X <100> File: \*mst1dia1si.* Ba sisc h Sa uer Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 15

16 3 Struktur der Materie Realgitter vrs. Idealgitter A) Gitterleerstelle, B) Doppelleerstelle, C) SiEigenzwischengitteratom, D) Doppel-Si-Atom auf einem Gitterplatz (Interstitialicy), E) Substitionelles Fremdatom (Dotant), F) Interstitionelles Fremdatom, G) FremdatomGitterleerstellen-Paar, H) FremdatomEigenzwischengitteratomPaar Si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2012 C B A D E H G a = 5,64613 A F BBM-Design 2006, File: */abb2v5mst1_1.* B. K. Glück 16

17 4 Einzelprozesse - Reinigung Nassreinigung ß à Plasmareinigung SC1 (basisch) (standard clean): NH4OH : H2O2 : DI = 1:1:5 SC2 (sauer): HCL : H2O2 : DI = 1:1:6 Ultrasonic Spülen mit begastem DI alternativ: Piranha-Reinigung (rel. agressiv, temporär): H2O2 (25 %):H2SO4 (97 %) = 1 : 2 Veraschen in O2, O3 reaktives Ätzen (Cl-, F- haltige Gase à (RIE, RE) Inertgasätzen à IE Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 17

18 4 Einzelprozesse - Bedampfen Bedampfungsquellen für niedrig schmelzende Metalle Modell einer einfache Bedampfungsanlage Wichtig: λ > d Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 18

19 4 Einzelprozesse - Sputtern Hartwerkstoffe Legierungen Silizide (-) Katode C K Z - e Ar Au Plasma HF ~ Vakuum Ar (+) Probe Anode GND Gasventil Potential, floatend U K Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 19

20 4 Einzelprozesse Dotierung / Diffusion n-si: As, P (V. HG) p-si: B(III. HG) Maskierung Dif fusion durch eine Schicht (1) der Dicke d in den halbunendlichen Halbleiter (2) N N 1S N 1 N 1 (0,t) N 2 (0,t) N 2 Stofftransport im Gas - SiO2 Si - System (1) (2) -d 0 x Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 20

21 4 Einzelprozesse Dotierung / Diffusion Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 21

22 4 Einzelprozesse - Ätzen 0.01 Pa DRUCK 100 Pa >2 kev ENERGIE 5 ev physikalische Ätzprozesse Chemische Ätzprozesse Ionenstrahlätzen (IE) reaktives Ionenätzen (RIE) Plasmachem. Ätzen (PCE) anisotrop ÄTZPROFIL isotrop D w niedrig SELEKTIVITÄT hoch Sommerschule Mikroelektronik - IHP B. K. Glück 22

23 4 Einzelprozesse Cu - Prozesse Fe (M1) Cu(M2) 2+ Cu (M2) 2e - [Fe (M1)] Cu So4 chemische Metallabscheidung File: ~/abb2v4mst6gal1.* 2e - (-) (+) Anode Kathode Oxidation: M ---> Mn + + ne - Reduktion: Mn + + ne - ---> M Cu-Schicht Elektrolyt Cu e - 2+ Cu Cu So4 2e - galvanische Metallabscheidung File: ~/abb2v4mst6gal2.* Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 23

24 4 Einzelprozesse - Damaszenzprozess Quelle: AMD Inc Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 24

25 4 Einzelprozesse - Lithographie Beispiel: Projektionslithographie Mask Substrate Line Pos. Resist Al (+)-Litho; mst13_1plit.cdr SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 25

26 4 Einzelprozesse und viele weitere Weitere Prozesse: Schichtabscheidung durch Oxidation Abscheidung aus der chem. Dampfphase CVD Epitaxie (Sonderform der CVD) Temperaturbehandlung Tempern, Sintern, RTP Passivieren Aufbringen von Schutzschichten Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 26

27 5 Technologien CMOS, BICMOS Bsp.: Laborprozess PV-Zelle à Flowchart 3 <100>-p-Si; ρ = 5 Ωcm Kennzeichnen Reinigung Kern I+II Oxidation 1050 C, 30 nm SiO 2 p-si P-Implant Implantation P (Vorderseite) Dosis: 5*10 15 At/cm 2 Energie: 40 kev Temperung, N2, 1050 C Einstellung des pn- Überganges auf ca. 0,7 µm SiO 2 Si SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 27

28 5 Technologien CMOS, BICMOS Lithographie SiO 2 (G1) Oxidstrukturierung (HF-Ätzen) Lackentfernung (NaOH) Sichtkontrolle Maske (neg) Resist (neg) SiO 2 Si Metallisierung Al, 0,6 µm (Vorderseite) Lithographie Al (M1) Metallstrukturierung (H 3 PO 4 ) Lackentfernung (organisch oder Plasma) Sichtkontrolle Mask Substrate Line Pos. Resist Al SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 28

29 5 Technologien CMOS, BICMOS (-) - Maske (G1, Gräben) (+) - Maske Al (M1, Stege) FHL, FB IEM-ET-MST, File...\PV3V3G1.cdr, 3"-Si, Ebene G1 (Kontaktfenster), Stand: Gc. FHL, FB IEM-ET-MST, File...\PV3V3M1.cdr, 3"-Si, Ebene M1 (Metallisierung), Stand: FHL - FB IEM- ET - MST PV3V3, EBENE G FHL - IEM- FB ET - MST PV3V3, EBENE M1 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 29

30 5 Technologien CMOS, BICMOS Metallisierung (Al) Rückseite, 0,9 µm Temperung / Formierung 400 C, H2 / N2, 20 min Line Al, topside SiO 2 n-si p-si Al, backside ZnO-Beschichtung der Anschlußkontakte (galv.) Test, Konfektionierung (-) V (+) Tip Al, topside SiO 2 n-si p-si Al, backside GND Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 30

31 5 Technologien CMOS, BICMOS 3 -Zelle (Vordergrund), 4 (Hintergrund) ZnO-Beschichtung der Anschlußkontakte (galv.) I R L a s t II I F I f(r) I = (U-U)/R 0 R 1 U S U 0 L U 0 U F I S A T Photostrom I=I S A T (exp(qu/kt)-1)-i 0 K L I K L Schematische Kennlinie III I S VI η ca. 2-4 % Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 31

32 5 Technologien CMOS, BICMOS Bsp.: CMOS Automotive XFAB DD BiCMOS Custom XFAB DD 1 µm-soi - XFAB DD Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 32

33 5 Technologien - MEMS Bsp.: Lagesensor - IMEC Quelle: SR2010/2010/ html Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 33

34 5 Technologien - MEMS Bsp.: CMORE SiGeMEMS IMEC Integrierte Sensoren, Aktoren Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 34

35 Danke für Ihre Geduld und Ihre Aufmerksamkeit! Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2013 B. K. Glück 35