Silizium-Halbleitertechnologie

ISBN-13: 9783519001492 / Niemiecki / Miękka / 1995 / 280 str.

Ulrich Hilleringmann

Opis

Das vorliegende Studien skript "Silizium-Halbleitertechnologie" ist aus der Vorlesung "Halbleitertechnologie" entstanden, die erstmalig im Wintersemester 1989/90 von Prof. Dr.-Ing. K. Schumacher an der Universitat Dortmund gehalten wurde. Um die rasante Entwicklung der Prozesstechnik berucksichtigen zu konnen, ist der Inhalt der inzwischen auf zwei Semester ausgedehnten Vorlesung um fortschrittliche Integra tionstechniken erweitert worden. Ziel dieses Buches ist es, den Studenten der Elektrotechnik, Informatik, Physik, aber auch den Schaltungstechnikem und den Ingenieuren in der Prozesstechnik, die Realisierung und den Aufbau integrierter Schal tungen zu veranschaulichen. Es umfasst die Kristallherstellung, die ver schiedenen Prozessschritte der Planartechnik und die Montagetechnik fur integrierte Schaltungen. Erganzend dazu sind grundlegende weiter fuhrende Integrationstechniken berucksichtigt worden, um dem interes sierten Leser die Verfahren der Hochstintegration verstandlich darlegen zu konnen. Die Ubungsaufgaben sollen zur Uberprufung des Verstand nisses dienen und gleichzeitig dazu beitragen, die Grossenordnungen der verwendeten Parameter abschatzen zu konnen. Eigene Erfahrungen aus der CMOS-Technologielinie des Lehrstuhls Bauelemente der Elektrotechnik / Arbeitsgebiet Mikroelektronik der Universitat Dortmund runden den Inhalt des Buches ab. An dieser Stelle mochte ich Herrn Prof. K. Schumacher herzlich fur die gewissen hafte Ausarbeitung der Unterlagen zur Vorlesung "Halbleitertechnolo gie" danken, die als Grundlage fur dieses Buch dienten. Fur die Durch sicht der Druckvorlage danke ich Herrn Dipl.-Ing. John T. Horstmann. Mein Dank gilt auch Herrn Prof. K. Goser fur die Moglichkeit, dieses Buch zu verfassen. Ganz herzlich danke ich meiner Familie fur ihre Unterstutzung wahrend der zeitintensiven Ausarbeitung der Unterl

Spis treści

1 Einleitung.- 1.1 Aufgabe.- 2 Herstellung von Siliziumscheiben.- 2.1 Silizium als Basismaterial.- 2.2 Herstellung und Reinigung des Rohmaterials.- 2.2.1 Herstellung von technischem Silizium.- 2.2.2 Chemische Reinigung des technischen Siliziums.- 2.2.3 Zonenreinigung.- 2.3 Herstellung von Einkristallen.- 2.3.1 Die Kristallstruktur.- 2.3.2 Kristallziehverfahren nach Czochralski.- 2.3.3 Tiegelfreies Zonenziehen.- 2.3.4 Kristallfehler.- 2.4 Kristallbearbeitung.- 2.4.1 Sägen.- 2.4.2 Oberflächenbehandlung.- 2.4.2.1 Läppen.- 2.4.2.2 Scheibenrand abrunden.- 2.4.2.3 Ätzen.- 2.4.2.4 Polieren.- 2.5 Aufgaben zur Scheibenherstellung.- 3 Oxidation des dotierten Siliziums.- 3.1 Die thermische Oxidation von Silizium.- 3.1.1 Trockene Oxidation.- 3.1.2 Nasse Oxidation.- 3.1.3 H2O2-Verbrennung.- 3.2 Modellierung der Oxidation.- 3.3 Die Grenzfläche SiO2/Silizium.- 3.4 Segregation.- 3.5 Abscheideverfahren für Oxid.- 3.5.1 Die Silan Pyrolyse.- 3.5.2 Die TEOS-Oxidabscheidung.- 3.6 Aufgaben zur Oxidation des Siliziums.- 4 Lithografie.- 4.1 Maskentechnik.- 4.1.1 Pattern-Generator und Step- und-Repeat-Belichtung.- 4.1.2 Direktschreiben der Maske mit dem Elektronenstrahl.- 4.2 Belackung.- 4.2.1 Aufbau der Fotolacke.- 4.2.2 Aufbringen der Lackschichten.- 4.3 Belichtungsverfahren.- 4.3.1 Optische Lithografie (Fotolithografie).- 4.3.1.1 Kontaktbelichtung.- 4.3.1.2 Abstandsbelichtung (Proximity).- 4.3.1.3 Projektionsbelichtung.- 4.3.1.4 Verkleinernde Projektionsbelichtung.- 4.3.2 Elektronenstrahl-Lithografie.- 4.3.3 Röntgenstrahl-Lithografie.- 4.3.4 Weitere Verfahren zur Strukturierung.- 4.4 Lackbearbeitung.- 4.4.1 Entwickeln und Härten des Lackes.- 4.4.2 Linienweitenkontrolle.- 4.4.3 Ablösen der Lackmaske.- 4.5 Aufgaben zur Lithografietechnik.- 5 Ätztechnik.- 5.1 Naßchemisches Ätzen.- 5.1.1 Tauchätzung.- 5.1.2 Sprühätzung.- 5.1.3 Ätzlösungen für die naßchemische Strukturierung.- 5.1.3.1 Isotrop wirkende Ätzlösungen.- 5.1.3.2 Anisotrope Siliziumätzung.- 5.2 Trockenätzen.- 5.2.1 Plasmaätzen (PE).- 5.2.2 Reaktives Ionenätzen (RIE).- 5.2.2.1 Prozeßparameter des reaktiven Ionenätzens.- 5.2.2.2 Reaktionsgase.- 5.2.3 Ionenstrahlätzen.- 5.3 Endpunktdetektion.- 5.3.1 Visuelle Kontrolle.- 5.3.2 Ellipsometrie.- 5.3.3 Spektroskopie.- 5.3.4 Interferometrie.- 5.3.5 Massenspektrometrie.- 5.4 Aufgaben zur Ätztechnik.- 6 Dotiertechniken.- 6.1 Legierung.- 6.2 Diffusion.- 6.2.1 Fick’sche Gesetze.- 6.2.1.1 Die Diffusion aus unerschöpflicher Quelle.- 6.2.1.2 Die Diffusion aus erschöpflicher Quelle.- 6.2.2 Diffusionsverfahren.- 6.2.3 Ablauf des Diffusionsprozesses.- 6.2.4 Grenzen der Diffusionstechnik.- 6.3 Ionenimplantation.- 6.3.1 Reichweite implantierter Ionen.- 6.3.2 Channeling.- 6.3.3 Aktivierung der Dotierstoffe.- 6.3.4 Technische Ausführung der Ionenimplantation.- 6.3.5 Charakteristiken der Implantation.- 6.4 Aufgaben zu den Dotiertechniken.- 7 Depositionsverfahren.- 7.1 Chemische Depositionsverfahren.- 7.1.1 Die Silizium-Gasphasenepitaxie.- 7.1.2 Die CVD-Verfahren zur Schichtdeposition.- 7.1.2.1 APCVD-Verfahren.- 7.1.2.2 Low Pressure CVD-Verfahren (LPCVD).- 7.1.2.3 Plasma Enhanced CVD-Verfahren (PECVD).- 7.2 Physikalische Depositionsverfahren.- 7.2.1 Molekularstrahlepitaxie (MBE).- 7.2.2 Aufdampfen.- 7.2.3 Kathodenzerstäubung (Sputtern).- 7.3 Aufgaben zu den Abscheidetechniken.- 8 Metallisierung und Kontakte.- 8.1 Der Metall-Halbleiter-Kontakt.- 8.2 Mehrlagenverdrahtung.- 8.2.1 Planarisierungstechniken.- 8.2.1.1 Der BPSG-Reflow.- 8.2.1.2 Reflow- und Rückätztechnik organischer Schichten.- 8.2.1.3 Chemisch-mechanisches Polieren.- 8.2.2 Auffüllen von Kontaktöffnungen.- 8.3 Zuverlässigkeit der Aluminium-Metallisierung.- 8.4 Aufgaben zur Kontaktierung.- 9 Scheibenreinigung.- 9.1 Verunreinigungen und ihre Auswirkungen.- 9.1.1 Mikroskopische Verunreinigungen.- 9.1.2 Molekulare Verunreinigungen.- 9.1.3 Alkalische und metallische Verunreinigungen.- 9.2 Reinigungstechniken.- 9.3 Ätzlösungen zur Scheibenreinigung.- 9.4 Beispiel einer Reinigungssequenz.- 9.5 Aufgaben zur Scheibenreinigung.- 10 MOS-Technologien zur Schaltungsintegration.- 10.1 Einkanal MOS-Techniken.- 10.1.1 Der PMOS Aluminium-Gate-Prozeß.- 10.1.2 Die n-Kanal Aluminium-Gate MOS-Technik.- 10.1.3 Die NMOS Silizium-Gate-Technologie.- 10.2 Der n-Wannen Silizium-Gate CMOS-Prozeß.- 10.2.1 Schaltungselemente der CMOS-Technik.- 10.2.2 Latchup-Effekt.- 10.3 Funktionstest und Parametererfassung.- 10.4 Aufgaben zur MOS-Technik.- 11 Erweiterungen zur Höchstintegration.- 11.1 Lokale Oxidation von Silizium (LOCOS-Technik).- 11.1.1 Die Lokale Oxidation von Silizium.- 11.1.2 SPOT-Technik zur Lokalen Oxidation.- 11.1.3 Die SILO-Technik.- 11.1.4 Poly-buffered LOCOS.- 11.1.5 Die SWAMI-LOCOS-Technik.- 11.2 MOS-Transistoren für die Höchstintegration.- 11.2.1 Durchbruchmechanismen in MOS-Transistoren.- 11.2.1.1 Kanallängenmodulation.- 11.2.1.2 Drain-Durchgriff (Punch-Through).- 11.2.1.3 Drain-Substrat Durchbruch (Snap-Back).- 11.2.1.4 Transistoralterung durch heiße Elektronen.- 11.2.2 Die Spacer-Technik zur Dotierungsoptimierung.- 11.2.2.1 LDD n-Kanal MOS-Transistoren.- 11.2.2.2 P-Kanal Offset-Transistoren.- 11.2.3 Selbstjustierende Kontakte.- 11.3 SOI-Techniken.- 11.3.1 SOI-Substrate.- 11.3.1.1 FIPOS — Full Isolation by Porous Oxidized Silicon.- 11.3.1.2 SIMOX — Silicon Implanted Oxide.- 11.3.1.3 Wafer-Bonding.- 11.3.1.4 ELO — Epitaxial Lateral Overgrowth.- 11.3.1.5 Die SOS-Technik.- 11.3.1.6 SOI-Schichten durch Rekristallisationsverfahren.- 11.3.2 Prozeßführung in der SOI-Technik.- 11.4 Aufgaben zur Höchstintegrationstechnik.- 12 Bipolar-Technologie.- 12.1 Die Standard-Buried-Collector Technik.- 12.2 Fortgeschrittene SBC-Technik.- 12.3 Selbstjustierender Bipolarprozeß.- 12.4 BiCMOS-Techniken.- 12.5 Aufgaben zur Bipolartechnologie.- 13 Montage Integrierter Schaltungen.- 13.1 Vorbereitung der Scheiben zur Montage.- 13.1.1 Verringerung der Scheibendicke.- 13.1.2 Rückseitenmetallisierung.- 13.1.3 Trennen der Chips.- 13.1.3.1 Ritzen.- 13.1.3.2 Lasertrennen.- 13.1.3.3 Sägen/Trennschleifen.- 13.2 Schaltungsmontage.- 13.2.1 Substrate.- 13.2.2 Befestigungstechniken.- 13.2.2.1 Kleben.- 13.2.2.2 Löten.- 13.2.2.3 Legieren.- 13.3 Kontaktierverfahren.- 13.3.1 Einzeldraht-Kontaktierung (Bonding).- 13.3.1.1 Thermokompressionsverfahren.- 13.3.1.2 Ultraschallbonden.- 13.3.1.3 Thermosonic-Verfahren.- 13.3.2 Komplettkontaktierung.- 13.3.2.1 Spider-Kontaktierung.- 13.3.2.2 Flipchip-Kontaktierung.- 13.3.2.3 Beamlead-Kontaktierung.- 13.4 Endbearbeitung der Substrate.- 13.5 Aufgaben zur Chipmontage.- Anhang: Lösungen der Aufgaben.- Stichwortverzeichnis.

O autorze

Prof. Dr.-Ing. Ulrich Hilleringmann ist Leiter des Fachgebietes Sensorik an der Universität Paderborn und lehrt Halbleitertechnologie, Messtechnik, Sensorik und Prozessmesstechnik.