Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 Einführung in die Mikroelektronik B. K. Glück HS Lausitz, Fakultät 1 - Ingenieurwissenschaften & Informatik 1 Historie und Definition 2 Markt 3 Prozessumgebung Struktur der Materie 4 - Einzelprozesse 5 Technologien und Erzeugnisse
1 - Historie und Definition 1928 J. E. Lilienfeld & O. Heil: Feldeffekt 1934 O. Heil: Halbleiter-FET 1936 K. Zuse: programmierbare digitale Rechenmaschine Z1 1939 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 Transistorpatent 1948 1947 J. Bardeen, W. H. Brattain und W. Schockley sog. Duo- Punktkontaktdiode aus Poly-Ge 1948 Transistoreffekt 1954 Firmen Bell und TI substituieren Ge durch Si 1958 Bell Labs: Planartechnik auf Basis hochreinem SiO 2 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 2
1 - Historie und Definition 1958 J. S. Kilby (TI) & N. Noyce (Fairchild Semi.) IC (Ge) 1964 RCA: CMOS-IC 196 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 44 (74 khz) 1973 National Semiconductor u.a.: 16-bit CPU 1977 Stanford Univ.: integrierte g-sensoren - MEMS 1979 / 82 Motorola (MC 68) / AT&T Bell, 32-bit CPU 1985 W. Ehrfeld (KfK): LIGA-Technik 1985 R. F. Curl, H. W. Kroto & R. E. Smalley: Fulleren C6 23 AMD, Intel u.a.: 64-bit CPU 24 A. Geim & K. Novoselov: Graphene Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 3
1 - Historie und Definition Definition: Die Mikroelektronik ist ein Teilgebiet der Elektrotechnik. Bildquelle: http://www.itwissen.info/definition/ 8/211 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 212 B. K. Glück 4
2 - Markt Bruttosozialprodukt El. BE 355 Mrd. US-$ Elektronik Anwender ca. 4 Mrd. US-$ Maschuinenbau Automotive Elektronik-Geräte ca. 4 Mrd. US-$ Konsumer EDV C BBCM-Design 29, ~/abb1v1bthlme1markt.* Unmittelbare Auswirkung des Weltmarktes von IC und MEMS auf nachgeordnete Industriezweige; Datenbasis 29/1. Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 5
2 - Markt Familie Diskrete Optoelektronik Sensoren High P Analog Application S Analog Logik Speicher DSP MCU MPU Gesamt 25 15,1 15,1 4,5 11,6 2,3 57,8 48,3 7,7 12 33,7 226 6 16,4 2,1 5,2 14 24 64,1 57 9,4 13 36 259 7 18,5 22,2 6,9 16,4 27,3 72,8 61 1,5 15 42,5 293 19,5 38 13,8 24,4 4,3 11,4 93,9 16,1 19,5 56,1 314 5-11 CAGR 4 % 14 % 21 % 12 % 11 % 1 % 11 % 11 % 8 % 9 % 1 % Marktübersicht und Prognose in Mrd. US-$, getrennt nach Produktfamilien [Quelle: Databeans, Markt&Technik 5/26; Mark&Technik 7.1.211], 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 21 in D: 315 Mrd.! Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 6 8 r e v i d i e r t <3 9 r e v i d i e r t <3 1 18,8 32,5 11,7 22,8 36,9 9,2 82,7 14,6 19,1 53,7 3 11
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 29, ~/abb1vbthlme1filter.* D P D F + + - Q - - - - --- m Sieb-Effekt Elektrostatischer Effekt Diffusions-Effekt Trägheits-Effekt Sperr-Effekt Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 7
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 212 B. K. Glück 8
3 - Prozessumgebung RR-Standards: FS 29d (USA), VDI- Richtlinie 283, Industriestandard SEMI E44-95, und Normen ISO/TC 29, ISO 14644, ISO 14698 (Biotechnik), ISO 1472 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 212 B. K. Glück 9
3 Struktur der Materie ohne Antimaterie BBMC 21 ~/abb1v2bthme3atom.* Baryonen (3 Quarks) und ausgewählte Mesonen (2 Quarks) up Quark Proton Baryonen up (q = +2/3 e) Quark g Mesonen (Beispiele) + Pi +14 Antiproton down (q = -1/3 e) up Quark up Gluon Charm Pi K Antistrange Charm Antiquark J/Psi down t b Kern 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 1-5 bis 1-6 des Atomradius III. Quark - Familie up down down down Neutron up Lambda Strange BBMC-Design 212 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 1
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 BBMC-Design 212 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 BBMC-Design 212 G Gravitation + - W Z W schwache Kraft 4 Wechselwirkungen der Materie oder: Was hält uns zusammen? Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 11
3 Struktur der Materie - Fermionen = Baryonen + Leptonen: (Spin = ±1/2) Hadronen = Elementarteilchen Teilchen-Name Masse [1], [3] MeV/c 2 Ladu ng Q Isosp in I Zerfallze it t [s] [3] Strangen ess S Cha rm C Bottom ness B Topnes s T Baryonen d - down Quark u - up Quark 3... 7 1,5... 3-1/3 2/3-1/2 1/2 s - strange Quark 7... 12-1/3-1 c - charm Quark 116... 134 2/3 1 b - beauty / bottom Q. 413... 427-1/3-1 t - truth / top Quak 1742 2/3 1 p - Proton p - Antiproton uud uud 938 938 1-1 1/2 1/2 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 λ -Lambda Ω -Omega udd uds sss 94 1116 1672-1 1/2 1/2 1 1/2 1 Antibaryon besteht aus 3 Antiqarks (qqq); z. B.: Antiproton: uud Es gibt die Quark-Dubletten (u,d); (c,s); (t,b) e - -Elektron,511-1 1/2 ν e Elektron-Neutrino < 2,2 ev 1/2 Leptonen 15,6-1 1/2 2,2E-6 Sommerschule Mikroelektronik µ - -Myon- IHP 212 B. K. Glück 12 ν µ Myon-Neutrino <,17 1/2 Leptonen haben die Quark- Dubletten (ν e e); (ν µ);
3 Struktur der Materie - Bosonen (Spin = 1, 2, ganzzahlig) Meson π - Pion, uu, dd 135 1-8,4E-17 π + -, π - - Pion, ud 14 1-2,6E-8 Mesonen (bosonische Hadronen, ca. 14 Typen) K - - Meson, Kaon, su η - Eta, uu/dd ρ - Rho, ud D + - Meson, cd 494 548 776 1869-1 8,E-15 Pionen / Mesonen zerfallen bevorzugt in Leptonen [4]. Mesonenweisendrei verschiedenen Wechselwirkungen (stark, schwach, elektromagn.) auf. Mesonen (instabil) bestehen aus 2 Quarks (1 Quark und 1 Antiquark (qq)); Baryonenzahl = η c - Meson, cc B - Meson, B-zero, db 298 5279 Higgs-Bosonen H wanted Eich-Bosonen g - Gluon 1 Ladungsaustausch z. B. mit Quark [2] γ -Photon 1 E = h * ν Z - schwache Kraft 91187 1 Ladungsaustausch z. B. mit Photon [2] W + - schwache Kraft 84 1 1 Ladungsaustausch z. B. mit Photon W - - schwache Kraft 84-1 1 Ladungsaustausch z. B. mit Photon Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 13
3 Struktur der Materie - Teilchen Extrawurst der Materie : Teilchen und Quasiteilchen Alpha-Teilchen 4 2 He 2+ 3727 Zerfallsprodukt Beta-Teilchen ß +, ß -, Zerfallsprodukt Phonon Optophononen (IR) (Quasiteilchen) Akustophononen???? Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 14
3 Struktur der Materie III A IV A V A VI A Si, Ge, C: Diamantgitter = 2 x kfz-gitter Z <1> Zn Cd Hg B Al Ga In C (Di) Si (Di) Ge (Di) Sn (Di) Pb SiC SiGe (N) P As Sb S Se Te III A -V A IV A -VI A ZnS, (kfz) ZnSe, ZnTe CdS (Wurzit), CdSe, CdTe HgS, HgSe, HgTe AlP, AlAs, AlSb GaN, GaP (kfz), GaAs, GaSb InP, InAs, InSb AlxGa 1-x, As, GaAs 1-x, Px Ga In, As x 1-x PbS PbSe PbTe (krz) [] Y-Achse <1> ZnGeP CdSiAs 2 2 CuInSe AgGaS 2 2 X <1> File: \*mst1dia1si.* Basisch Sauer Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 15
3 Struktur der Materie Realgitter vrs. Idealgitter A) Gitterleerstelle, B) Doppelleerstelle, C) Si- Eigenzwischengitteratom, D) Doppel-Si-Atom auf einem Gitterplatz (Interstitialicy), E) Substitionelles Fremdatom (Dotant), F) Interstitionelles Fremdatom, G) Fremdatom- Gitterleerstellen-Paar, H) Fremdatom- Eigenzwischengitteratom- Paar A D G Si a = 5,64613 A BBM-Design 26, File: */abb2v5mst1_1.* B E H C F Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 16
4 Einzelprozesse - Reinigung Nassreinigung 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 (RIE, RE) Inertgasätzen IE Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 17
4 Einzelprozesse - Bedampfen Bedampfungsquellen für niedrig schmelzende Metalle Modell einer einfache Bedampfungsanlage Wichtig: λ > d Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 18
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 212 B. K. Glück 19
4 Einzelprozesse Dotierung / Diffusion n-si: As, P (V. HG) p-si: B(III. HG) Maskierung Diffusion durch eine Schicht (1) der Dicke d in den halbunendlichen Halbleiter (2) N N 1S N 1 N 1 (,t) N 2 (,t) N 2 Stofftransport im Gas - SiO2 Si - System (1) (2) -d x Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 2
4 Einzelprozesse Dotierung / Diffusion Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 21
4 Einzelprozesse - Ätzen.1 Pa DRUCK 1 Pa >2 kev ENERGIE 5 ev physikalische Ätzprozesse Chemische Ätzprozesse Ionenstrahlätzen (IE) reaktives Ionenätzen (RIE) Plasmachem. Ätzen (PCE) anisotrop ÄTZPROFIL isotrop w D niedrig SELEKTIVITÄT hoch Sommerschule Mikroelektronik - IHP 2112 B. K. Glück 22
4 Einzelprozesse Cu - Prozesse Fe (M1) Cu(M2) 2+ Cu (M2) 2e - [Fe (M1)] 2+ 2- Cu So4 chemische Metallabscheidung File: ~/abb2v4mst6gal1.* 2e - (-) (+) Anode Kathode Oxidation: M ---> Mn + + ne - Reduktion: Mn + + ne - ---> M Cu-Schicht Elektrolyt Cu 2+ + 2e - 2+ Cu - 2+ 2- Cu So4 2e - galvanische Metallabscheidung File: ~/abb2v4mst6gal2.* Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 23
4 Einzelprozesse - Damaszenzprozess Quelle: AMD Inc. 25 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 24
4 Einzelprozesse - Lithographie Beispiel: Projektionslithographie Mask Substrate Line Pos. Resist Al (+)-Litho; mst13_1plit.cdr SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 25
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 212 B. K. Glück 26
5 Technologien CMOS, BICMOS Bsp.: Laborprozess PV-Zelle Flowchart 3 <1>-p-Si; ρ = 5 Ωcm Kennzeichnen Reinigung Kern I+II Oxidation 15 C, 3 nm SiO 2 p-si P-Implant Implantation P (Vorderseite) Dosis: 5*1 15 At/cm 2 Energie: 4 kev Temperung, N2, 15 C Einstellung des pn- Überganges auf ca.,7 µm SiO 2 Si SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 27
5 Technologien CMOS, BICMOS Lithographie SiO 2 (G1) Oxidstrukturierung (HF-Ätzen) Lackentfernung (NaOH) Sichtkontrolle Metallisierung Al,,6 µm (Vorderseite) Lithographie Al (M1) Metallstrukturierung (H 3 PO 4 ) Lackentfernung (organisch oder Plasma) Sichtkontrolle Maske (neg) Resist (neg) SiO 2 Si Mask Substrate Line Pos. Resist Al SiO 2 n-si p-si Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 28
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: 5.12.23 Gc. FHL, FB IEM-ET-MST, File...\PV3V3M1.cdr, 3"-Si, Ebene M1 (Metallisierung), Stand: 5.12.23 Gc. @ FHL - FB IEM-ET - MST PV3V3, EBENE G1 @ FHL - IEM-FB ET - MST PV3V3, EBENE M1 Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 29
5 Technologien CMOS, BICMOS Metallisierung (Al) Rückseite,,9 µm Temperung / Formierung 4 C, H2 / N2, 2 min Line Al, topside SiO n-si p-si 2 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 212 B. K. Glück 3
5 Technologien CMOS, BICMOS 3 -Zelle (Vordergrund), 4 (Hintergrund) ZnO-Beschichtung der Anschlußkontakte (galv.) I R Last II I F I f(r) I = (U-U)/R R 1 U S U L U U F I SAT Photostrom I=I SAT (exp(qu/kt)-1)-i KL I KL Schematische Kennlinie III I S VI η ca. 2-4 % Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 31
5 Technologien CMOS, BICMOS Bsp.: CMOS Automotive XFAB DD BiCMOS Custom XFAB DD 1 µm-soi - XFAB DD Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 32
5 Technologien - MEMS Bsp.: Lagesensor - IMEC Quelle: www.imec.be/scientificreport/sr21/21/11 5915.html Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 33
5 Technologien - MEMS Bsp.: CMORE SiGeMEMS IMEC Integrierte Sensoren, Aktoren Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 34
Danke für Ihre Geduld und Ihre Aufmerksamkeit! Sommerschule Mikroelektronik - IHP 212 B. K. Glück 35