Silizium
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Gordon Moore Ferienakademie 2005 1. Silizium 2. Lithographie 3. Dotiertechniken 4. Oxidation 5. Abscheidung 6. Ätzen 7. Aufbau eines n-Kanal FET Ferienakademie 2005 1. Silizium 1.1 Kristallographie 1.2 Halbleiter 1.3 Dotieren 1.4 Vom Quarz zum Einkristall 1.5 Herstellung von Wafern 2. 3. 4. 5. 6. 7. 1.6 Epitaxie Lithographie Dotiertechniken Oxidation Abscheidung Ätzen Aufbau eines n-Kanal-FET Ferienakademie 2005 • 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 Ferienakademie 2005 Orientierung des Siliziumkristalls: Miller-Indices: Vektor der Normalen Ferienakademie 2005 • Bandlücke: 1 – 4 eV • bei Raumtemperatur bereits einige Elektronen im Leitungsband • Leitfähigkeit nimmt mit zunehmender Temperatur zu Ferienakademie 2005 • dotieren = gezieltes chemisches Verunreinigen Donatoren: fünfwertiges P, As Akzeptoren: dreiwertiges B, Al → 5. Elektron kann ins Leitungsband gelangen → nicht besetztes positives Loch Ferienakademie 2005 Herstellung von Rohsilizium (metallurgical grade silicon, MGS): 1800°C SiO2 + 2C → Si + 2CO Quarz Rohsilizium Reinigung des Rohsiliziums: Trichlorsilan-Prozess: Si + 3HCl 300°C → SiHCl3 + H2 Abscheidung von Silizium: SiHCl3 + H21100°C → Si + 3HCl → Reinstsiliziumstäbe (electronic grade silicon, EGS) Ferienakademie 2005 Herstellung von monokristallinem Silizium • Kristallziehen nach Czochralski bis 200 kg Dotierung durch Zugabe von Bor, Phosphor, Antimon oder Arsen • Tiegelfreies Zonenziehen Ø maximal 200 mm hoher Reinheitsgrad geringer Sauerstoffgehalt 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 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 Ferienakademie 2005 1. Silizium 2. Lithographie 2.1 Technologischer Ablauf 2.2 Lithographie-Wellenlängen 2.3 Optische Lithographie 2.4 Teilchengestützte Lithographieverfahren 3. 4. 5. 6. 7. Dotiertechniken Oxidation Abscheidung Ätzen Aufbau eines n-Kanal-FET Ferienakademie 2005 Ferienakademie 2005 Lithographie-Wellenlängen in nm: 450 436 400 365 350 300 248 250 193 200 157 126 150 100 50 13,5 1 0,005 0,00005 0 g-line i-line Hg-Linien UV deep-UV Excimer-Laser extremeUV X-Ray E-Beam Ions Aktuelle Fertigung: 193 nm → Strukturbreiten 100 nm Ferienakademie 2005 Kontaktbelichtung: • ältestes angewandtes Verfahren • Abbildung 1:1 • Streu- bzw. Beugungseffekte nur an Strukturkanten • hoher Scheibendurchsatz • hoher Maskenverschleiß 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. € Ferienakademie 2005 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 Ferienakademie 2005 Schreibverfahren: Anwendung: • Maskenherstellung • Low-Volume-Produktion, kosteneffektiv • Fast Prototyping, Herstellung der Maske entfällt Ferienakademie 2005 1. Silizium 2. Lithographie 3. Dotiertechniken 3.1 Diffusion 4. 5. 6. 7. 3.2 Ionen-Implantation Oxidation Abscheidung Ätzen Aufbau eines n-Kanal-FET Ferienakademie 2005 • am häufigsten eingesetztes Verfahren zur Erzeugung einer inhomogenen Störstellenverteilung • vorwiegend verwendete Dotierstoffe: Bor und Arsen • Einbringen eines Stoffes in ein Substrat aufgrund eines Konzentrationsgefälles • Diffusionsmechansimen: Ferienakademie 2005 Konzentrationsgradient in x-Richtung: C d2C 2. Ficksches Gesetz: D 2 t dx • unerschöpfliche Quelle - C = 0 für t < 0 und x ≥ 0 - C = C0 für t ≥ 0 und x = 0 • erschöpfliche Quelle Ferienakademie 2005 Charakteristik: • günstig, da viele Wafer gleichzeitig behandelt werden können • Fremdstoffe früherer Dotierungen können bei erneuter Temperaturbelastung ausdiffundieren • Dotierstoffe unterwandern Maskierung Ferienakademie 2005 Prinzip eines Ionen-Implanters Ferienakademie 2005 Bor, Implantationsdosis 1×1014 cm-2: Ferienakademie 2005 Vorteile: • Ionenstrom kann exakt gemessen werden • Eindringtiefe der Dotieratome ist über Ionenenergie (Beschleunigungsspannung) exakt einzustellen Nachteile: • Kristallsschäden • Eindringtiefe der Ionen verhältnismäßig gering (0.1 bis 1 µm) • hoher apparativer Aufwand erforderlich → hohe Kosten Ferienakademie 2005 1. 2. 3. 4. Silizium Lithographie Dotiertechniken 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 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: Ferienakademie 2005 Nasse Oxidation: Trockene Oxidation: • Lagerung an Luft: Oxidationsschicht • Si + 2H2O → SiO2 + 2H2 • Atmosphäre mit Wasserstoff • Si + O2 → SiO2 gesättigt • reine Sauerstoffatmosphäre • hohes Oxidwachstum • langsames Oxidwachstum • geringere Qualität • hohe Dichte • hohe Durchbruchspannung Aufwachsraten: 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 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 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 Ferienakademie 2005 1. 2. 3. 4. 5. Silizium Lithographie Dotiertechniken Oxidation Abscheidung 5.1 Chemische Depositionsverfahren 5.2 Physikalische Verfahren 6. Ätzen 7. Aufbau eines n-Kanal-FET 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 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: Ferienakademie 2005 Plasma Enhanced CVD, PECVD Plasma: vierter Aggregatszustand Ferienakademie 2005 Stufenabdeckung: abhängig von den reagierenden Spezies und dem Reaktortyp Konformität: Quotient aus vertikalem und horizontalem Schichtwachstum R K vertikal Rhorizontal 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 Ferienakademie 2005 1. 2. 3. 4. 5. 6. Silizium Lithographie Dotiertechniken Oxidation Abscheidung Ätzen 6.1 Nassätzen 6.2 Trockenätzen 7. Aufbau eines n-Kanal-FET Ferienakademie 2005 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 r r Anisotropiefaktor f vertikal horizontal rvertikal Ferienakademie 2005 • hohe Selektivität, meist mehr als 100:1 Schema einer Ätzapparatur: • Ätzrate muss genau bekannt sein • exakte Temperierung • keine Bildung von gasförmigen Reaktionsprodukten Ferienakademie 2005 Verfahren: weitgehend anisotrop teilweise anisotrop weitgehend isotrop geringe Selektivität mittlere Selektivität hohe Selektivität 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 Ferienakademie 2005 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. Silizium Lithographie Dotiertechniken Oxidation Abscheidung Ätzen Aufbau eines n-Kanal-FET Ferienakademie 2005 Ferienakademie 2005 • Zusatzfolien Ferienakademie 2005 optisches Verfahren → laterale Auflösung Δx hängt von der Wellenlänge λ und der numerischen Apertur NA ab k Abbésche Formel: x NA Klassisch: k ≈ 1: Intensität muss zwischen 2 aufzulösenden Objekten auf Null abfallen Moderne Fotolacke: k ≤ 0.4 Numerische Apertur: beschreibt Auflösungsvermögen eines Objektivs NA n sin 2 n = Brechzahl des optischen Mediums Ferienakademie 2005 Ferienakademie 2005
