Grundlagen integrierter Schaltungen Bauelemente und Mikrostrukturierung

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1 Jan Albers Grundlagen integrierter Schaltungen Bauelemente und Mikrostrukturierung 2., aktualisierte Auflage

2 Jan Albers GrundlagenintegrierterSchaltungen

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4 JanAlbers Grundlagen integrierter Schaltungen Bauelemente und Mikrostrukturierung 2., aktualisierteauflage Mit 142 Bildern Fachbuchverlag Leipzig im Carl HanserVerlag

5 Prof. Dr. Jan Albers Hochschule Bochum FB Elektrotechnik und Informatik BibliografischeInformation der Deutschen Nationalbibliothek DieDeutscheNationalbibliothekverzeichnet diese Publikation inder Deutschen Nationalbibliografie; detailliertebibliografische Daten sind iminternet über abrufbar. ISBN Dieses Werk ist urheberrechtlich geschützt. Alle Rechte, auch die der Übersetzung, des Nachdruckes und der Vervielfältigung des Buches, oder Teilen daraus, vorbehalten. Kein Teil des Werkes darf ohne schriftliche Genehmigung des Verlages in irgendeiner Form (Fotokopie, Mikrofilm oder ein anderes Verfahren), auch nicht für Zwecke der Unterrichtsgestaltung, reproduziert oder unter Verwendung elektronischer Systeme verarbeitet, vervielfältigt oder verbreitet werden. FachbuchverlagLeipzig im Carl Hanser Verlag 2010 Carl Hanser Verlag München Internet: Lektorat: Christine Fritzsch Herstellung: RenateRoßbach Satz: Jan Albers, Bochum Druckund Binden: Druckhaus Thomas Müntzer GmbH, Bad Langensalza PrintedinGermany

6 Vorwort Dieses Buch richtet sich an Studenten und Dozenten der Hochschulen, die sich einen Überblick über den Aufbau und die Funktionsweise elektronischer Bauelemente in einer integrierten Schaltung verschaffen wollen und sich in den sehr umfangreichen und komplizierten Herstellungsprozess für ICs einarbeiten wollen. Integrierte, elektronische Schaltungen haben in den letzten Jahrzehnten unser Leben gewaltig verändert. Kaum ein elektrisch betriebenes Gerät kommt heute ohne eine integrierte Schaltung aus, und der Computer, mit dem dieses Buch geschrieben wurde, wäre ohne integrierte Schaltungen technisch nicht möglich. Die Halbleiterindustrie hat dabei in den letzten 40 Jahren eine beispiellose technologische und wirtschaftliche Entwicklung erlebt. Sie ist noch immer eine der dynamischsten und am stärksten wachsenden Industrien überhaupt. Heute können auch sehr aufwändige integrierte, elektronische Schaltungen als Massenprodukt zu einem Preis von unter 1Euro hergestellt werden. Daher werden ICs nicht nur in Computern, sondern auch in Automobilen, Haushaltsgeräten, Konsumgütern und Spielzeugen in großer Zahl eingesetzt. Da die einzelnen ICs immer leistungsfähiger und gleichzeitig immer preiswerter werden,wird sich ihr Einsatzgebietnochweitervergrößern. Wer in dieser Hightech-Branche arbeiten möchte, muss sich ständig weiterbilden, da die technologische Entwicklung stetig weiter voranschreitet. Dieses Buch kann auch gutzur Weiterbildung der Ingenieure und von Facharbeitern in der Halbleiterindustrie oder der Mikrosystemtechnik verwendet werden. Im ersten Kapitel werden die Entwicklung der ICs sowie der Mikrosysteme beschrieben und einige wichtige Begriffe erklärt. Integrierte Schaltungen bestehen aus verschiedenen Bauelementen wie Transistoren, Dioden, Kondensatoren, Widerstände usw. die in einem einzigen Siliziumchip platziert und miteinander verbunden werden.die einzelnen Bauteile und ihraufbau in einer integrierten Schaltung werden in Kapitel 2 dargestellt. Das dritte Kapitel gibt dann einen Einblick in die notwendige Reinraumtechnologie. Damit die Schaltkreise mit einer genügend hohen Ausbeute und Zuverlässigkeit produziert werden können, muss die Produktion unter besonders reinen Bedingungen stattfinden. Die Fertigung erfolgt in Reinräumen, in denen die Partikelkonzentration in der Luft möglichst klein sowie die Temperatur und Luftfeuchtigkeit konstant gehalten werden. In Kapitel vierbis acht werden danndie Mikrostrukturtechnikender Halbleiterindustrieerläutert. Es wird beschrieben, wie Siliziumwafer hergestellt werden, die das Ausgangsmaterial der Halbleiterindustrie sind. Diese Wafer müssen aus hochreinem Silizium gefertigt werden, da auch kleinste Spuren an Verunreinigungen die Funktionsfähigkeit einer integrierten, elektronischen Schaltung zerstören können. Anschließend werden die vier grundlegenden Prozesse zur Herstellung einer integrierten, elektronischen Schaltung erläutert. Dies sind die Verfahren zur Schichtherstellung, die Fotolithographie, die Ätzverfahren sowie Dotiertechniken. Die Integration der Einzelschritte zum Gesamtprozess wird in Kapitel 9 Prozessintegration beschrieben. Dabei wird detailliert auf den CMOS-Prozess eingegangen. Anschließend werden die Chips aus dem Wafer heraus gesägt, mit elektrischen Anschlüssen versehen und in ein händelbares Gehäuse verpackt. Die dafür eingesetzten Verfahren werden in Kapitel 10 beschrieben. Im so genannten Backend werden die fertigen ICs getestet. Durch den Abschlusstest wird die Qualität der ausgelieferten Produkte festgelegt. Dies ist das Thema in Kapitel 11. Ich hoffe, dass es mir gelungen ist, die meist komplizierten Zusammenhänge möglichst einfach darzustellen und zu erläutern. Um dem Leser einen schnellen Überblick über die einzelnen Kapiteln zu geben, sind die Lernziele am Anfang jedes Kapitels aufgelistet. Zusätzlich sind die wichtigsten

7 6 Vorwort Aussagen in Merksätzen zusammengefasst. Dies soll dem Nutzer die Möglichkeit geben, diese Aussagen zu verinnerlichen. Ich wünsche dem Leser viel Spaß bei der Beschäftigung mit einem der spannendsten Themen unserer Zeit, denn ICs werden unsere Welt so stark verändern, wie wir uns das heute noch nicht vorstellen können. An dieser Stelle möchte ich mich bei meiner Lebensgefährtin Bettina Kroll und bei Frau Claudia Sasse für die vielen Diskussionsbeiträge und die kritische Durchsicht des Manuskriptes bedanken. Ohne ihre Hilfe wäre dieses Buch nicht zustande gekommen. Die 2., aktualisierte Auflage enthält neben einigen Verbesserungen im Text insbesondere Übungsaufgaben nach jedem Kapitel. Damit kann der Leser sein Wissen entsprechend überprüfen. Die Lösungen der Aufgaben sind auf der folgenden Internetseite zu finden: Bochum, im Januar 2010 Prof. Dr. JanAlbers

8 7 Inhaltsverzeichnis 1Elektronische Schaltungen und Mikrosysteme Die Entwicklung integrierter Schaltungen Produktion von ICs Strukturgrößeund Yield Mikrosysteme Integrierte elektronische Bauteile Die elektrische Leitfähigkeit Das Bohrsche Atommodell Das quantenmechanische Orbitalmodell Das Bändermodell für Festkörper Strom, Spannung und Widerstand Die elektrische Leitfähigkeit bei Leiter und Nichtleiter Eigenleitung bei Halbleitern Dotierte Halbleiter Die Diode Der pn-übergang Die Diodenkennlinie Aufbau einer Diode Der ohmsche Widerstand Der spezifische Widerstand Der Polywiderstand Der Aktivgebietswiderstand Der Kondensator Die Kapazität Der Aufbau eines MOS-Kondensators Der Bipolar-Transistor Funktion und Emitterschaltung Aufbau eines npn-transistors Der MOS-Transistor Aufbau und Funktion Kurzkanal-Effekte Parasitäre Feldtransistoren Der CMOS-Inverter Die CMOS-Technologie Der Inverter Der Latchup-Effekt Speicherbauteile RAM-Speicher ROM-Speicher... 59

9 8 Inhaltsverzeichnis 3Reinraumtechnik Verunreinigungen Partikulare Verunreinigungen AMC-Verunreinigungen Elektrostatische Aufladungen Der Reinraum Aufbau des Reinraumes und Reinraumklassen Turbulente Durchmischung und Laminar Flow Der Mensch im Reinraum Siliziumwafer Halbleitermaterialien Herstellung des Reinstsiliziums (Trichlorsilan-Prozess) Einkristallines Silizium Siliziumkristallstruktur und die Oberfläche Das Czochralski-Verfahren Das Zonenzieh-Verfahren Kristallfehler Endfertigung des Wafers Herstellung dünner Schichten Thermische Oxidation Die Oxidation von Siliziumoberflächen Trockene und feuchte Oxidation Einflüsse auf die Oxidationsrate Eigenschaften und Einsatz der Oxidschichten Segregation Oxidationsöfen Chemische Gasphasendeposition (CVD) Grundlagen der Deposition Wachstumsgeschwindigkeit, Strukturzonenmodell und Konformität APCVD-Verfahren (Epitaxie) LPCVD-Verfahren PECVD-Verfahren Niederdruckplasma im Parallelplattenreaktor Physikalische Gasphasendeposition (PVD) Aufdampfen Sputtern Messung von Schichtdicken Spektralphotometrische Schichtdickenmessung Ellipsometer Fotolithographie Mikrostrukturtechniken Belichtungsverfahren

10 Inhaltsverzeichnis Kontakt- und Abstandsbelichtung Die Projektionsbelichtung Auflösungsvermögen der Projektionsbelichtung Die Lichtbeugung Das Rayleigh-Kriterium und die Schärfentiefe Die Masken Elektronenstrahllithographie Mastermasken und Reticles Phasenschiebe-Masken Der Fotolack Die chemische Reaktion bei der Belichtung und Entwicklung Mehrschichtlacktechnik Die Schleuderbeschichtung Entwicklung und Lackhärtung Ätzprozesse Waferreinigung Reinigungsprozesse Spülen und Trocknen der Wafer Reinigungsanlagen Nasschemisches Ätzen Ätzrate und Selektivität Isotropie und Ätzprofil Angewandte Nassätzprozesse Nasschemische Ätzanlagen Trockene Ätzprozesse Plasmaätzen Sputterätzen Reaktives Ionenätzen Messtechnik Endpunktdetektion Messung von Strukturbreiten Kontaktwinkelmessung Dotierung Das Legierungsverfahren Das Diffusionsverfahren Thermische Diffusion Technische Diffusionsverfahren Die Ionenimplantation Reichweite der Ionen (Channeling) Strahlenschäden und Aktivierung Ionendosis Aufbau des Ionenimplanters Messung der Dotierung

11 10 Inhaltsverzeichnis 9Prozessintegration LOCOS-Prozess Historische Entwicklung Prozessablauf Metallisierung Grenzfläche Silizium/Aluminium Mehrlagenverdrahtung und Kontaktlöcher Planarisierung Korrosion und Elektromigration Der Metallisierungsprozess SOI-Technologie Vorteile der SOI-Technik Herstellung der SOI-Wafer Der Trench-Prozess Parametertest Die Teststruktur und DUT-Board Die Probecard Der Waferprober Aufbau- und Verbindungstechnik Einhäusen integrierter Schaltungen Assembly und Backend Backgrinden und Sägen Die-Bonding Draht-Bonding Molding Das IC-Gehäuse Gehäusetypen Eigenschaften der Kunststoffgehäuse Montage ungehäuster Bauelemente Qualität integrierter Schaltungen Funktionsfähigkeit Ausfallmechanismen Der Funktionstest Handler Zuverlässigkeit Zuverlässigkeit und Ausfallrate Der Burn-In-Prozess Literaturverzeichnis Sachwortverzeichnis

12 1 Elektronische Schaltungen und Mikrosysteme Lernziele: Sie kennen die grundlegenden Begriffe der Halbleiterindustrie. Sie kennen die typischen Einsatzgebiete von ICs und Mikrosystemen. Sie kennen den grundlegenden Entwicklungs- und Produktionsablauf für ICs. Sie entwickeln eine Vorstellung von der Kleinheit der Mikrostrukturen. Sie kennen den Zusammenhang zwischen Strukturgröße und Yield. 1.1 Die Entwicklung integrierter Schaltungen Wenn wir uns heute in ein modernes Auto setzen, können wir mit einem Knopf die gewünschte Temperatur im Wageninneren wählen. Völlig automatisch springt dann das Kühlaggregat an, oder es öffnen sich die Heizungsklappen, bis sich die gewünschte Temperatur eingestellt hat. Dies wird durch die elektronischeschaltung in der Klimaanlage ermöglicht. Sie steuert den Ventilator sowie die Heizungsklappen oder das Kühlaggregat so, dass die gewünschte Temperatur möglichst schnell erreicht wird. Die Klimaanlage verarbeitet dazu die elektrischen Signale eines Temperaturfühlers und kann damit dietemperatur im Fahrzeuginneren regeln. Merksatz: Elektronische Schaltungen verarbeiten elektrische Signale und können damit vorgegebene Prozesse steuern und regeln. Elektronische Schaltungen bestehen aus vielen einzelnen Bauteilen, z. B. Widerständen, Kondensatoren, Dioden und Transistoren, die auf einer Platine miteinander verdrahtet sind. Erst das Zusammenfügen dieser einzelnen Bauteile führt zu einer funktionierenden Schaltung (Abb. 1.1). In den 60er-Jahren des letzten Jahrhunderts wurden zum ersten Mal einige elektronische Bauteile gemeinsam auf einer Halbleiterscheibe (einem so genannten Wafer) hergestellt und miteinander verdrahtet. Dabei entstand eine komplette elektronische Schaltung auf einem kleinen Halbleiterplättchen, dasals Chip bezeichnet wird (Abb. 1.2). Abb. 1.1: Eine elektronische Schaltung mit verschiedenen Bauelementen