Gordon Moore
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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 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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