Gordon Moore

48

description

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 - PowerPoint PPT Presentation

Transcript of Gordon Moore

Page 1: Gordon Moore
Page 2: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Gordon Moore

Page 3: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

1. Silizium

2. Lithographie

3. Dotiertechniken

4. Oxidation

5. Abscheidung

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal FET

Page 4: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 5: Gordon Moore

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

Page 6: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Orientierung des Siliziumkristalls:

Miller-Indices: Vektor der Normalen

Silicon.exe

Page 7: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

• Bandlücke: 1 – 4 eV

• bei Raumtemperatur bereits einige Elektronen im Leitungsband

• Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu

Page 8: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

• dotieren = gezieltes chemisches Verunreinigen

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

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

Page 9: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 10: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 11: Gordon Moore

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

Page 12: Gordon Moore

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

Page 13: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 14: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Page 15: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 16: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Kontaktbelichtung:

• ältestes angewandtes Verfahren

• Abbildung 1:1

• Streu- bzw. Beugungseffekte nur an Strukturkanten

• hoher Scheibendurchsatz

• hoher Maskenverschleiß

Page 17: Gordon Moore

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. €

Page 18: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Page 19: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 20: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Schreibverfahren:

Anwendung:

• Maskenherstellung

• Low-Volume-Produktion, kosteneffektiv

• Fast Prototyping, Herstellung der Maske entfällt

Page 21: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

1. Silizium2. Lithographie

3. Dotiertechniken

3.1 Diffusion

3.2 Ionen-Implantation

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

Page 22: Gordon Moore

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

Page 23: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

• 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

Page 24: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Charakteristik:

• günstig, da viele Wafer gleichzeitig behandelt werden können

• Fremdstoffe früherer Dotierungen können bei erneuter Temperatur- belastung ausdiffundieren

• Dotierstoffe unterwandern Maskierung

Page 25: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Prinzip eines Ionen-Implanters

Page 26: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Bor, Implantationsdosis 1×1014 cm-2:

Page 27: Gordon Moore

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

Page 28: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 29: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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:

Page 30: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 31: Gordon Moore

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 ~ t

Page 32: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 33: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation

5. Abscheidung

5.1 Chemische Depositionsverfahren

5.2 Physikalische Verfahren

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

Page 34: Gordon Moore

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

Page 35: Gordon Moore

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:

Page 36: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Plasma Enhanced CVD, PECVD

Plasma: vierter Aggregatszustand

Page 37: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Stufenabdeckung:

abhängig von den reagierenden Spezies und dem Reaktortyp

Konformität: Quotient aus vertikalem und horizontalem Schichtwachstum

horizontal

vertikal

RR

K

Page 38: Gordon Moore

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

Page 39: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung

6. Ätzen

6.1 Nassätzen

6.2 Trockenätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

Page 40: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

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

Page 41: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

• Ätzrate muss genau bekannt sein

• exakte Temperierung

• keine Bildung von gasförmigen Reaktionsprodukten

• hohe Selektivität, meist mehr als 100:1

Schema einer Ätzapparatur:

Page 42: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Verfahren:

weitgehend anisotrop

geringe Selektivität

teilweise anisotrop

mittlere Selektivität

weitgehend isotrop

hohe Selektivität

Page 43: Gordon Moore

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

Page 44: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

1. Silizium2. Lithographie3. Dotiertechniken4. Oxidation5. Abscheidung

6. Ätzen

7. Aufbau eines n-Kanal-FET

Page 45: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

Page 46: Gordon Moore

Ferienakademie 2005

• Zusatzfolien

Page 47: Gordon Moore

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

NAk

x

2sinnNA

Page 48: Gordon Moore

Ferienakademie 2005