Ferienakademie 2005

Gordon Moore

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1. Silizium

2. Lithographie

3. Dotiertechniken

4. Oxidation

5. Abscheidung

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal FET

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1. Silizium

1.1 Kristallographie

1.2 Halbleiter

1.3 Dotieren

1.4 Vom Quarz zum Einkristall

1.5 Herstellung von Wafern

1.6 Epitaxie

2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung6. Ätzen7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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Silizium:

• Diamantstruktur:

2 kubisch flächenzentrierte Gitter um ¼ der Raumdiagonalen zueinander verschoben

• jedes Silizium-Atom hat 4 Bindungen →Tetraeder

• kubische Gitterkonstante: 5.43 Å

• Atomabstand: 2.35 Å

• amorph: Atome besitzen Nahordnung aber keinerlei Fernordnung

• polykristallin: regellos gegeneinander orientierte kleine Monokristalle

• monokristallin: einheitliches, homogenes Kristallgitter

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Orientierung des Siliziumkristalls:

Miller-Indices: Vektor der Normalen

Silicon.exe

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• Bandlücke: 1 – 4 eV

• bei Raumtemperatur bereits einige Elektronen im Leitungsband

• Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu

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• dotieren = gezieltes chemisches Verunreinigen

Donatoren: fünfwertiges P, As Akzeptoren: dreiwertiges B, Al

→ 5. Elektron kann ins Leitungsband → nicht besetztes positives Loch gelangen

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Rohsilizium

Herstellung von Rohsilizium (metallurgical grade silicon, MGS):

Quarz

Reinigung des Rohsiliziums:

Trichlorsilan-Prozess:

Si + 3HCl → SiHCl3 + H2

Abscheidung von Silizium:

SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl

→ Reinstsiliziumstäbe

(electronic grade silicon, EGS)

SiO2 + 2C → Si + 2CO

300°C

1800°C

1100°C

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Herstellung von monokristallinem Silizium

• Kristallziehen nach Czochralski • Tiegelfreies Zonenziehen

Ø maximal 200 mmhoher Reinheitsgradgeringer Sauerstoffgehalt

bis 200 kgDotierung durch Zugabe von Bor, Phosphor, Antimon oder Arsen

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• Rundschleifen und Kennzeichnung der Siliziumstäbe

• Sägen der Siliziumstäbe mit Innenlochsäge → raue Oberfläche und Gitterschäden im Kristall → ca. 20 % Verlust

• Läppen, Ätzen und Polieren → Unebenheit von weniger als 3 nm

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Aufwachsen einer einkristallinen Schicht auf einkristallinen Substraten

→ Kristallstruktur bleibt erhalten

• Homoepitaxie: Silizium auf Silizium

Heteroepitaxie: Silizium auf Isolator

• Temperaturen: 850°C bis 1150°C

• Silane spalten Silizium ab

• Siliziumschicht wächst auf

ermöglicht das das Aufbringen einer niedrig dotierten auf einer höher dotierten Schicht

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1. Silizium2. Lithographie

2.1 Technologischer Ablauf

2.2 Lithographie-Wellenlängen

2.3 Optische Lithographie

2.4 Teilchengestützte Lithographieverfahren

3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung6. Ätzen7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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Lithographie-Wellenlängen in

nm: 436

365

248

193157

126

13,5 1 0,005 0,000050

50

100

150

200

250

300

350

400

450

g-line i-line UV deep-UV extreme-UV

X-Ray E-Beam Ions

Hg-Linien Excimer-Laser

Aktuelle Fertigung: 193 nm → Strukturbreiten 100 nm

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Kontaktbelichtung:

• ältestes angewandtes Verfahren

• Abbildung 1:1

• Streu- bzw. Beugungseffekte nur an Strukturkanten

• hoher Scheibendurchsatz

• hoher Maskenverschleiß

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Projektionsbelichtung:

• Abbildung meist 5:1

• häufig: Step & Scan

• verbesserte Auflösung

• Fehler werden verkleinert abgebildet oder fallen unter Auflösungsgrenze

• Auflösung: 0.5 – 0.8 µm

• Preis eines modernen Steppers: 15 – 20 Mio. €

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Extreme UV, EUV

Strahlungsquellen: Laser und entladungserzeugende Plasmen

• next generation (ab 2011)

• Wellenlänge: 13.5 nm

• Einsatz ab 70 nm Strukturgröße

• Plasma-Strahlungsquelle

• Ausrichtung von Maske und Wafer auf 0.2 bis 0.5 µm

• hohe Absorption → reflexive Optiken

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Schreibverfahren:

Anwendung:

• Maskenherstellung

• Low-Volume-Produktion, kosteneffektiv

• Fast Prototyping, Herstellung der Maske entfällt

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1. Silizium2. Lithographie

3. Dotiertechniken

3.1 Diffusion

3.2 Ionen-Implantation

4. Oxidation5. Abscheidung6. Ätzen7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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• Diffusionsmechansimen:

• am häufigsten eingesetztes Verfahren zur Erzeugung einer inhomogenen Störstellenverteilung

• vorwiegend verwendete Dotierstoffe: Bor und Arsen

• Einbringen eines Stoffes in ein Substrat aufgrund eines Konzentrations- gefälles

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• erschöpfliche Quelle

Konzentrationsgradient in x-Richtung:

2. Ficksches Gesetz: 2

2

dxCd

DtC

• unerschöpfliche Quelle - C = 0 für t < 0 und x ≥ 0 - C = C0 für t ≥ 0 und x = 0

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Charakteristik:

• günstig, da viele Wafer gleichzeitig behandelt werden können

• Fremdstoffe früherer Dotierungen können bei erneuter Temperatur- belastung ausdiffundieren

• Dotierstoffe unterwandern Maskierung

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Prinzip eines Ionen-Implanters

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Bor, Implantationsdosis 1×1014 cm-2:

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Vorteile:

• Ionenstrom kann exakt gemessen werden

• Eindringtiefe der Dotieratome ist über Ionenenergie (Beschleunigungs- spannung) exakt einzustellen

Nachteile:

• Kristallsschäden

• Eindringtiefe der Ionen verhältnismäßig gering (0.1 bis 1 µm)

• hoher apparativer Aufwand erforderlich → hohe Kosten

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1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken

4. Oxidation

4.1 Grundlagen der thermischen Oxidation

4.2 Oxidationsmodelle

4.3 Oxidationsmechanismus

4.4 LOCOS

5. Abscheidung6. Ätzen7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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Oxid wird verwendet

• zur Isolation (sehr guter Isolator: Egap= 9 eV)

• als Maskierschicht (Diffusion)

• als Schutzschicht vor mechanischer Beschädigung

Eigenschaften des Oxids

• sehr widerstandsfähig, wird nur durch Flusssäure HF angegriffen

Aufbau eines Oxidationsofens:

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Trockene Oxidation:

• Lagerung an Luft: Oxidationsschicht

• Si + O2 → SiO2

• reine Sauerstoffatmosphäre

• langsames Oxidwachstum

• hohe Dichte

• hohe Durchbruchspannung

Aufwachsraten:

Nasse Oxidation:

• Si + 2H2O → SiO2 + 2H2

• Atmosphäre mit Wasserstoff gesättigt

• hohes Oxidwachstum

• geringere Qualität

Temperatur Trockene Oxidation Nasse Oxidation

900°C 19 nm/h 100 nm/h

1000°C 50 nm/h 400 nm/h

1100°C 120 nm/h 630 nm/h

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• Reaktion an der Waferoberfläche schnellster Prozess

• Reaktion des Sauerstoffs mit Silizium zu neuem Oxid bestimmt Geschwindigkeit zu Beginn

• Diffusion des Sauerstoffs durch das Oxid bestimmt Geschwindigkeit bei dicken Oxiden

• Oxid wächst zu ca. 45 % in das Substrat ein

Oxidwachstum:

• bei dünnen Oxiden: d ~ t

• bei dicken Oxiden: d ~ t

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LOCal Oxidation of Silicon

z.B. zur Isolation von Transistoren → hohe Packungsdichte

Diffusionskoeffizient von O2 und H2O in Si3N4 viel geringer als in SiO2

→ Lokalisierung der Oxidation mittels Nitrid-Abdeckung möglich

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1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation

5. Abscheidung

5.1 Chemische Depositionsverfahren

5.2 Physikalische Verfahren

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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Chemical Vapor Deposition, CVD

Abscheidung eines amorphen, poly- oder monokristallinen Films auf ein Substrat aus der Gasphase

• Gasförmige Ausgangsverbindungen werden am Wafer vorbeigeleitet

• Struktur bricht auf, nicht flüchtige Anteile lagern sich ab, flüchtige werden abgesaugt

• Zuführung von Energie durch Plasma oder Laser

• Temperaturen: 300°C bis 1200°C

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• Atmospheric Pressure CVD, APCVD Aufwachsraten: 100 bis 200 nm/min

• Low Pressure CVD, LPCVD Verringerung der Aufwachsrate auf 20 bis 30 nm/min

Horizontalreaktor:

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Plasma Enhanced CVD, PECVD

Plasma: vierter Aggregatszustand

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Stufenabdeckung:

abhängig von den reagierenden Spezies und dem Reaktortyp

Konformität: Quotient aus vertikalem und horizontalem Schichtwachstum

horizontal

vertikal

RR

K

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Sputtern:

hohe Konformität durch kurze mittlere Weglängen der Teilchen

passives Sputtern: Abscheidung des Target-Materials auf dem Wafer

reaktives Sputtern: Zufügen von Reaktionsgasen

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1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung

6. Ätzen

6.1 Nassätzen

6.2 Trockenätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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Anforderungen:

• konstante Ätzrate r über lange Zeit

• hohe Selektivität s = r1 / r2

Zwei Arten:

Isotropes Ätzen: Schichtabtragung in alle RichtungenAnisotropes Ätzen: Abtragung nur in vertikaler Richtung

Anisotropiefaktor vertikal

horizontalvertikal

rrr

f

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• Ätzrate muss genau bekannt sein

• exakte Temperierung

• keine Bildung von gasförmigen Reaktionsprodukten

• hohe Selektivität, meist mehr als 100:1

Schema einer Ätzapparatur:

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Verfahren:

weitgehend anisotrop

geringe Selektivität

teilweise anisotrop

mittlere Selektivität

weitgehend isotrop

hohe Selektivität

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Beispiel eines RIE-Reaktors in Plattenbauweise:

• bei positiver Halbwelle lagern sich Elektronen an der Elektrode an

• Elektrode lädt sich negativ auf

• Ionen werden auf Elektrode beschleunigt

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1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

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• Zusatzfolien

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optisches Verfahren → laterale Auflösung Δx hängt von der Wellenlänge λ und der numerischen Apertur NA ab

Abbésche Formel:

Klassisch: k ≈ 1: Intensität muss zwischen 2 aufzulösenden Objekten auf Null abfallen

Moderne Fotolacke: k ≤ 0.4

Numerische Apertur: beschreibt Auflösungsvermögen eines Objektivs

n = Brechzahl des optischen Mediums

NAk

x

2sinnNA

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