„Halbleiter-Kristalle und -Schichten in der Mikro- und Optoelektronik“

1. „Halbleiter-Kristalle und -Schichten in der Mikro- und Optoelektronik“ Vortrag im Rahmen des ACF-Praktikums 12.12.2005 -Herstellungsverfahren- von Anna Lena Lieblein

2. Übersicht • Einleitung • Halbleiter • Silizium • Si als Standardsubstrat • weiterentwickelte Halbleitersubstrate • Zusammenfassung

3. Mikroelektronik[1] • Mikroelektronik • Teilgebiet der Elektronik • besitzt zwei Hauptmerkmale: • Integration: direktes Aufbringen von elektrischen Schaltkreisen auf Substrat • Miniaturisierung: kontinuierliche Verkleinerung dieser Bauelementen

4. Optoelektronik[2] Optoelektronik Definition: Die Opotelektronik beschäftigt sich mit den Naturgesetzen und Technologien zur Erzeugung, Formung, Verstärkung, Übertragung, Messung und Nutzbarmachung von Licht. • Optoelektronische Bauelemente: • optoelektronische Aktoren: Erzeugung von Licht aus Strom • (Bsp.: Laser, Leuchtdioden) • optoelektronische Detektoren: Erzeugung von Strom aus Licht • (Bsp.: Solarzelle, Phototransistor)

5. Halbleiter[3] Definition: Stoffe, bei denen Leitfähigkeit mit zunehmender Temperatur steigt. • Bändermodell: Leitungsband Verbotene Zonen: Si: 1.09 eV (leitend bei Erwärmung) Ge: 0.60 eV (leitend bei RT) Verbotene Zone Valenzband Abb. 1: Bändermodell eines Halbleiters

6. Halbleiter[3] Dotierung: Steigerung der Leitfähigkeit durch Einführung von Fremdatomen • Bändermodell: Donorniveau Leitungsband - - - Verbotene Zone Akzeptorniveau + + + Valenzband Abb.2: n-Dotierung (Fremdatom aus V-HG) Abb.3: p-Dotierung (Fremdatom aus III-HG) • Normale Dotierung: 1 Donator auf 107 Si-Atome (n); 1 Akzeptor auf 106 Si-Atome (p) • Starke Dotierung: 1 Donator auf 104 Si-Atome (n); 1 Akzeptor auf 104 Si-Atome (p)

7. Dotier-Techniken[4] • Ziehen des Kristalls • Dotierstoff wird der Schmelze des Halbleiters zugesetzt • Einbau der Fremdatome während des Kristall-Ziehens • b) Legieren • Aufbringen des Dotierstoffes auf Halbleitermaterial • Verflüssigen dieser Legierung • Beim Erstarren: Einbau von Dotieratomen in Kristallgitter • c) Diffusion • Si-Scheiben in gasförmige Atmosphäre aus Dotierstoff bringen (1000 °C) Dotieratome diffundieren in Si-Scheiben • d) Implantation • Beschleunigung von ionisierten Dotier-Atomen im elektrischen Feld • Beschießen der Si –Scheiben mit den Dotier-Ionen

8. Silizium[3] • Eigenschaften: • vom Lateinischen Wort silex (Kieselstein, Feuerstein) • zweit häufigstes Element der Erdkruste (26.3 Massen%) • Vorkommen vor allem in Sand oder Mineralien • starke Oxophilie (kommt nicht elementar vor) • Ausbildung von SiO4-Tetraedern • durch Polykondensation Erzeugung unterschiedlicher Strukturen • Kristallstruktur wie im Diamant Abb. 4: SiO4-Tetraeder • Hochreines Silizium: • maximal ein Fremdatom auf 1.000.000.000 Si-Atome • das entspricht einer Reinheit von 99,9999999 %

9. Silizium-Darstellung[3] Gewinnung von metallurgischen Silizium • Reduktion von Silizium im Lichtbogenofen bei 2000°C • Reduktionsmittel Kohlenstoff SiO2 + 2 C Si + 2 CO Abb.5: Metallurgisches Silizium

10. Silizium-Darstellung[5] 2. Gewinnung von hochreinem Silizium • a) Umsetzung von Si mit HCl zu Trichlorsilan • Reaktion im Wirbelstromreaktor Si + 3 HCl SiHCl3 + H2 • destillative Reinigung des Trichlorsilans • b) Abscheidung von Silizium nach dem Siemens-Verfahren • Abscheidung bei 1100 °C in Wasserstoffatmosphäre an beheizten U-förmigen Si-Stäben 4 SiHCl3 Si + 3 SiCl4 + 2 H2 Abb.6: Hochreines polykristallines Silizium

11. Einkristall-Gewinnung[5] 3. Tiegelziehverfahren (Czochralski-Verfahren) • Eintauchen von Si-Impfkristall in Si-Schmelze • Langsames drehen und rausziehen des Siliziums • Einkristallbildung (Durchmesser 300 mm; Masse 200 kg) • Durchmesser abhängig von der Temperatur und der Zieh- Geschwindigkeit Abb.7: Silizium-Einkristall

12. Wafer-Darstellung[5] Vom Einkristall zum Wafer • Schleifen des Einkristalls zum perfekten Zylinder • Zerschneiden des Kristalls in 0.8 mm dünne Scheiben • Kanten rund schleifen • Erzeugung planparalleler Ebenen • Entfernen der beschädigten Schichten durch ätzen • Wafer polieren • Poliermittel entfernen • Überprüfung der Oberfläche mit Hilfe von Lasern • Verpackung der Wafer in hochreiner Atmosphäre Abb.8: Si-Wafer Auf diese Wafer werden dann die elektrischen Schaltkreise eingearbeitet.

13. Si/Ge-Schichten[6] • Halbleiter-Heterostruktur • Steigerung der Leistungsfähigkeit • flexibel durch unterschiedliche Mischungsverhältnisse • Übersicht der physikalischer Eigenschaften bei unterschiedlichen Mischungsverhältnisse * Werte aus linearer Approximation ** Werte aus quadratischer Approximation

14. Gespanntes Silizium[8] Herstellung von strained Silicon • Aufwachsen von Si auf Si/Ge-Schichten (Epitaxie) • Si nimmt vorgegebene Gitterkonstanten an (2-dim.) • es kommt zu Aufweitung des Silizium-Gitters • Erhöhung der Geschwindigkeit der Elektronen • Verringerung des Stromverbrauchs Strained Silicon Si/Ge-Substrat Abb.10: strained silicon auf Si/Ge-Substrat

15. Gespanntes Silizium[8] • Worauf beruht die Leitfähigkeit von Si/Ge-Schichten? • Aufweitung des Si-Gitters durch Ge-Atome Änderung der Verteilung von Elektronen und Löchern • optimal, wenn Beweglichkeiten von Elektronen und Löchern gleich Abb.9: Auftragung der Teilchenmobilität gegen den Germaniumgehalt

16. SOI-Schichten[9] • Silicon on Insulator-Schichten • Bildung einer Si-Oxid-Schicht direkt auf dem Wafer • Erzeugung kleiner Kanäle • ermöglicht schnelleren Transport elektrischer Impulse • weniger Kapazität • geringerer Stromverbrauch beim Transport • steigende Leistungsfähigkeit Si-Schicht Isolator-Schicht (BOX) Si-Wafer Abb.11: Schematische Darstellung eines SOI-Wafers

17. SOI-Schichten[9] Herstellung von SOI-Wafern A B Oxidation A H+ H+ H+ Implantation A A Bonding B A Splitting B SOI-Wafer neues A neues B Abb.12: Schematische Darstellung der SOI-Wafer Herstellung

18. Zusammenfassung • Si: Säule der Halbleiter-Technologie • Wegen seiner Halbleitereigenschaften, hoher Reinheit, häufigem Vorkommen und relativ günstige Darstellung • 2012 sollen 450 mm-Wafer Standard sein • Si allein reicht nicht mehr aus, da die physikalischen Grenzen bald erreicht sind • Neue Technologien werden notwendig • Si/Ge-Schichten • strained Silicon • SOI-Wafer Technologien können kombiniert werden

19. Literatur [1] http://de.wikipedia.org/wiki/Mikroelektronik [2] http://de.wikipedia.org/wiki/Optoelektronik [3] Holleman-Wiberg; „Lehrbuch der Anorganischen Chemie“; Walter de Gruyter; 101.Auflage; 1995 [4] G.Bohle, E.Hofmeister; „Halbleiterbauelemente für die Elektronik“; Siemens Verlag 1976 [5] G.Wenski, G. Hohl, P. Storck, I.Crössmann; „Die Herstellung von Reinstsiliziumscheiben“; Chemie unserer Zeit; 2003, 37, 198-208 [6] http://www.uni-protokolle.de/nachrichten/id/41973/ [7] http://www.virginiasemi.com/pdf/generalproperties%20Si62002.DOC [8] H.R. Huff, P.M. Zeitzoff; „A perspective on enhancing mobilities“; Solid State Technologie; 2004, 47, 26-64 [9] X.-Q. Feng, Y. Huang, „Mechanics of Smart-Cut-Technology“; International Journal of Solids and Structures, 2004, 41, 4299 [Abb.5/6] http://www.jenskleemann.de/wissen/bildung/wikipedia/s/si/silizium.html [Abb.7] http://www.htwm.de/~taltmann/terror_tony.htm [Abb.8] http://www.tu-cottbus.de/Strukturmechanik/Silizium.html [Abb9] H.R. Huff, P.M. Zeitzoff; „A perspective on enhancing mobilities“; Solid State Technologie; 2004, 47, 26-64

20. Danke für eure Aufmerksamkeit!