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Ferienakademie 2005 Gordon Moore Ferienakademie 2005 1.Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal.

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2 Ferienakademie 2005 Gordon Moore

3 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal FET

4 Ferienakademie 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.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

5 Ferienakademie 2005 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

6 Ferienakademie 2005 Orientierung des Siliziumkristalls: Miller-Indices: Vektor der Normalen

7 Ferienakademie 2005 Bandlücke: 1 – 4 eV bei Raumtemperatur bereits einige Elektronen im Leitungsband Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu

8 Ferienakademie 2005 dotieren = gezieltes chemisches Verunreinigen Donatoren: fünfwertiges P, As Akzeptoren: dreiwertiges B, Al 5. Elektron kann ins Leitungsband nicht besetztes positives Loch gelangen

9 Ferienakademie 2005 Rohsilizium Herstellung von Rohsilizium (metallurgical grade silicon, MGS): Quarz Reinigung des Rohsiliziums: Trichlorsilan-Prozess: Si + 3HCl SiHCl 3 + H 2 Abscheidung von Silizium: SiHCl 3 + H 2 Si + 3HCl Reinstsiliziumstäbe (electronic grade silicon, EGS) SiO 2 + 2C Si + 2CO 300°C 1800°C 1100°C

10 Ferienakademie 2005 Herstellung von monokristallinem Silizium Kristallziehen nach Czochralski Tiegelfreies Zonenziehen Ø maximal 200 mm hoher Reinheitsgrad geringer Sauerstoffgehalt bis 200 kg Dotierung durch Zugabe von Bor, Phosphor, Antimon oder Arsen

11 Ferienakademie 2005 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

12 Ferienakademie 2005 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

13 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 2.1 Technologischer Ablauf 2.2 Lithographie-Wellenlängen 2.3 Optische Lithographie 2.4 Teilchengestützte Lithographieverfahren 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

14 Ferienakademie 2005

15 Lithographie-Wellenlängen in nm: Hg-Linien Excimer-Laser Aktuelle Fertigung: 193 nm Strukturbreiten 100 nm

16 Ferienakademie 2005 Kontaktbelichtung: ältestes angewandtes Verfahren Abbildung 1:1 Streu- bzw. Beugungseffekte nur an Strukturkanten hoher Scheibendurchsatz hoher Maskenverschleiß

17 Ferienakademie 2005 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.

18 Ferienakademie 2005

19 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

20 Ferienakademie 2005 Schreibverfahren: Anwendung: Maskenherstellung Low-Volume-Produktion, kosteneffektiv Fast Prototyping, Herstellung der Maske entfällt

21 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 3.1 Diffusion 3.2 Ionen-Implantation 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

22 Ferienakademie 2005 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

23 Ferienakademie 2005 erschöpfliche Quelle Konzentrationsgradient in x-Richtung: 2. Ficksches Gesetz: unerschöpfliche Quelle - C = 0 für t < 0 und x 0 - C = C 0 für t 0 und x = 0

24 Ferienakademie 2005 Charakteristik: günstig, da viele Wafer gleichzeitig behandelt werden können Fremdstoffe früherer Dotierungen können bei erneuter Temperatur- belastung ausdiffundieren Dotierstoffe unterwandern Maskierung

25 Ferienakademie 2005 Prinzip eines Ionen-Implanters

26 Ferienakademie 2005 Bor, Implantationsdosis 1×10 14 cm -2 :

27 Ferienakademie 2005 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

28 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 4.1 Grundlagen der thermischen Oxidation 4.2 Oxidationsmodelle 4.3 Oxidationsmechanismus 4.4 LOCOS 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

29 Ferienakademie 2005 Oxid wird verwendet zur Isolation (sehr guter Isolator: E gap = 9 eV) als Maskierschicht (Diffusion) als Schutzschicht vor mechanischer Beschädigung Eigenschaften des Oxids sehr widerstandsfähig, wird nur durch Flusssäure HF angegriffen Aufbau eines Oxidationsofens:

30 Ferienakademie 2005 Trockene Oxidation: Lagerung an Luft: Oxidationsschicht Si + O 2 SiO 2 reine Sauerstoffatmosphäre langsames Oxidwachstum hohe Dichte hohe Durchbruchspannung Aufwachsraten: Nasse Oxidation: Si + 2H 2 O SiO 2 + 2H 2 Atmosphäre mit Wasserstoff gesättigt hohes Oxidwachstum geringere Qualität TemperaturTrockene OxidationNasse Oxidation 900°C19 nm/h100 nm/h 1000°C50 nm/h400 nm/h 1100°C120 nm/h630 nm/h

31 Ferienakademie 2005 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 ~

32 Ferienakademie 2005 LOCal Oxidation of Silicon z.B. zur Isolation von Transistoren hohe Packungsdichte Diffusionskoeffizient von O 2 und H 2 O in Si 3 N 4 viel geringer als in SiO 2 Lokalisierung der Oxidation mittels Nitrid-Abdeckung möglich

33 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 5.1 Chemische Depositionsverfahren 5.2 Physikalische Verfahren 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

34 Ferienakademie 2005 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

35 Ferienakademie 2005 Atmospheric Pressure CVD, APCVD Aufwachsraten: 100 bis 200 nm/min Low Pressure CVD, LPCVD Verringerung der Aufwachsrate auf 20 bis 30 nm/min Horizontalreaktor:

36 Ferienakademie 2005 Plasma Enhanced CVD, PECVD Plasma: vierter Aggregatszustand

37 Ferienakademie 2005 Stufenabdeckung: abhängig von den reagierenden Spezies und dem Reaktortyp Konformität: Quotient aus vertikalem und horizontalem Schichtwachstum

38 Ferienakademie 2005 Sputtern: hohe Konformität durch kurze mittlere Weglängen der Teilchen passives Sputtern: Abscheidung des Target-Materials auf dem Wafer reaktives Sputtern: Zufügen von Reaktionsgasen

39 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 6.1 Nassätzen 6.2 Trockenätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

40 Ferienakademie 2005 Anforderungen: konstante Ätzrate r über lange Zeit hohe Selektivität s = r 1 / r 2 Zwei Arten: Isotropes Ätzen: Schichtabtragung in alle Richtungen Anisotropes Ätzen: Abtragung nur in vertikaler Richtung Anisotropiefaktor

41 Ferienakademie 2005 Ätzrate muss genau bekannt sein exakte Temperierung keine Bildung von gasförmigen Reaktionsprodukten hohe Selektivität, meist mehr als 100:1 Schema einer Ätzapparatur:

42 Ferienakademie 2005 Verfahren: weitgehend anisotrop geringe Selektivität teilweise anisotrop mittlere Selektivität weitgehend isotrop hohe Selektivität

43 Ferienakademie 2005 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

44 Ferienakademie Silizium 2.Lithographie 3.Dotiertechniken 4.Oxidation 5.Abscheidung 6.Ätzen 7.Aufbau eines n-Kanal-FET

45 Ferienakademie 2005

46 Zusatzfolien

47 Ferienakademie 2005 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

48 Ferienakademie 2005


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