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Gordon Moore

Gordon Moore. Silizium Lithographie Dotiertechniken Oxidation Abscheidung Ätzen Aufbau eines n-Kanal FET. Silizium 1.1 Kristallographie 1.2 Halbleiter 1.3 Dotieren 1.4 Vom Quarz zum Einkristall 1.5 Herstellung von Wafern 1.6 Epitaxie Lithographie Dotiertechniken

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Presentation Transcript

  1. Gordon Moore

  2. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal FET

  3. Silizium • 1.1 Kristallographie • 1.2 Halbleiter • 1.3 Dotieren • 1.4 Vom Quarz zum Einkristall • 1.5 Herstellung von Wafern • 1.6 Epitaxie • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  4. amorph: Atome besitzen Nahordnung aber keinerlei Fernordnung • polykristallin: regellos gegeneinander orientierte kleine Monokristalle • monokristallin: einheitliches, homogenes Kristallgitter • 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

  5. Orientierung des Siliziumkristalls: Miller-Indices: Vektor der Normalen

  6. Bandlücke: 1 – 4 eV • bei Raumtemperatur bereits einige Elektronen im Leitungsband • Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu

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

  8. Rohsilizium Herstellung von Rohsilizium (metallurgical grade silicon, MGS): 1800°C SiO2 + 2C → Si + 2CO Quarz Reinigung des Rohsiliziums: Trichlorsilan-Prozess: Si + 3HCl → SiHCl3 + H2 Abscheidung von Silizium: SiHCl3 + H2 → Si + 3HCl → Reinstsiliziumstäbe (electronic grade silicon, EGS) 300°C 1100°C

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

  10. 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

  11. 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

  12. Silizium • Lithographie • 2.1 Technologischer Ablauf • 2.2 Lithographie-Wellenlängen • 2.3 Optische Lithographie • 2.4 Teilchengestützte Lithographieverfahren • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  13. Lithographie-Wellenlängen in nm: Hg-LinienExcimer-Laser Aktuelle Fertigung: 193 nm → Strukturbreiten 100 nm

  14. Kontaktbelichtung: • ältestes angewandtes Verfahren • Abbildung 1:1 • Streu- bzw. Beugungseffekte • nur an Strukturkanten • hoher Scheibendurchsatz • hoher Maskenverschleiß

  15. 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. €

  16. 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

  17. Schreibverfahren: • Anwendung: • Maskenherstellung • Low-Volume-Produktion, • kosteneffektiv • Fast Prototyping, • Herstellung der Maske entfällt

  18. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • 3.1 Diffusion • 3.2 Ionen-Implantation • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  19. 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 • Diffusionsmechansimen:

  20. Konzentrationsgradient in x-Richtung: 2. Ficksches Gesetz: • unerschöpfliche Quelle • - C = 0 für t < 0 und x ≥ 0 • - C = C0 für t ≥ 0 und x = 0 • erschöpfliche Quelle

  21. Charakteristik: • günstig, da viele Wafer gleichzeitig behandelt werden können • Fremdstoffe früherer Dotierungen können bei erneuter Temperatur- • belastung ausdiffundieren • Dotierstoffe unterwandern Maskierung

  22. Prinzip eines Ionen-Implanters

  23. Bor, Implantationsdosis 1×1014 cm-2:

  24. 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

  25. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • 4.1 Grundlagen der thermischen Oxidation • 4.2 Oxidationsmodelle • 4.3 Oxidationsmechanismus • 4.4 LOCOS • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  26. 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:

  27. Nasse Oxidation: • Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 • Atmosphäre mit Wasserstoff • gesättigt • hohes Oxidwachstum • geringere Qualität • Trockene Oxidation: • Lagerung an Luft: Oxidationsschicht • Si + O2→ SiO2 • reine Sauerstoffatmosphäre • langsames Oxidwachstum • hohe Dichte • hohe Durchbruchspannung • Aufwachsraten:

  28. 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 ~

  29. 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

  30. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • 5.1 Chemische Depositionsverfahren • 5.2 Physikalische Verfahren • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  31. 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

  32. Atmospheric Pressure CVD, APCVD • Aufwachsraten: 100 bis 200 nm/min • Low Pressure CVD, LPCVD • Verringerung der Aufwachsrate auf 20 bis 30 nm/min • Horizontalreaktor:

  33. Plasma Enhanced CVD, PECVD Plasma: vierter Aggregatszustand

  34. Stufenabdeckung: abhängig von den reagierenden Spezies und dem Reaktortyp Konformität: Quotient aus vertikalem und horizontalem Schichtwachstum

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

  36. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • 6.1 Nassätzen • 6.2 Trockenätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  37. Anforderungen: • konstante Ätzrate r über lange Zeit • hohe Selektivität s = r1 / r2 • Zwei Arten: • Isotropes Ätzen: Schichtabtragung in alle Richtungen • Anisotropes Ätzen: Abtragung nur in vertikaler Richtung • Anisotropiefaktor

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

  39. Verfahren: weitgehend anisotrop geringe Selektivität teilweise anisotrop mittlere Selektivität weitgehend isotrop hohe Selektivität

  40. 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

  41. Silizium • Lithographie • Dotiertechniken • Oxidation • Abscheidung • Ätzen • Aufbau eines n-Kanal-FET

  42. Zusatzfolien

  43. 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

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