Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und Technik SS 2010 Prof. Dr. H. Gesch Kap 3, Folie 1 3 Chipherstellung: Dotiertechniken Was heißt „Dotieren“? • Einbau eines Fremdatoms an einen Si-Gitterplatz (substitutionell) • Fremdatome stammen aus der III. oder V. Gruppe im PS • Anzahl der Fremdatome pro cm³ ist definiert • Profil der durch Fremdatome bedingten Verunreinigung im Si-Gitter ist definiert • die Dotierung modifiziert die elektronische Struktur des Festkörpers • durch die Dotierung bleibt die Kristallstruktur des Wirtsgitters erhalten • Dotieren ist ein chemisch/physikalischer Prozess
120
Embed
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und Technik
This document is posted to help you gain knowledge. Please leave a comment to let me know what you think about it! Share it to your friends and learn new things together.
Transcript
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 1
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Was heißt „Dotieren“?
• Einbau eines Fremdatoms an einen Si-Gitterplatz (substitutionell)• Fremdatome stammen aus der III. oder V. Gruppe im PS• Anzahl der Fremdatome pro cm³ ist definiert• Profil der durch Fremdatome bedingten Verunreinigung im Si-Gitter
ist definiert• die Dotierung modifiziert die elektronische Struktur des Festkörpers• durch die Dotierung bleibt die Kristallstruktur des Wirtsgitters
erhalten• Dotieren ist ein chemisch/physikalischer Prozess
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 2
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Was heisst „Dotieren“?
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e -e-
e -e-
e -e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e -
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
Si
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e- e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
e-e-
+
durch Elektronenleitung entsteht ein n-Halbleiter durch Löcherleitung entsteht ein p-Halbleiter
Einbau eines Fremdatoms (Phosphor oder Bor) an einen Si-Gitterplatz (substitutionell)
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 3
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Was heisst „Dotieren“?Ausschnitt aus dem Periodensystem
I II III IV V VI VII VIIIH 1
1,008He 2
4,002
Li 36,94
B 510,82
C 612,01
Ne 1020,18
Na 1122,99
Al 1326,97
Si 1428,06
P 1531,02
S 1632,06
Ar 1839,94
Ga31
69,72
Ge 3272,6
As 3374,91
Cd 48112,41
In 49114,76
Sb 51121,76
Akzeptoren Donatoren
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 4
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Wozu benötigt man „Dotierung“?
• Einstellen der Leitfähigkeit im Halbleiter in weiten Grenzen• Aufbau eines pn-Überganges• Herstellen eines elektrischen Kontaktes
Wozu benötigt man einen pn-Übergang?
• zur Gleichrichtung des Stromes (Diode)• zur gegenseitigen Isolation von monolithisch integrierten Bauelementen (im IC)• zur Vermeidung/Verringerung von Leckströmen (im IC)• zur Steuerung des Stromes (im Bipolartransistor)
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 5
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Welche Anforderungen werden an eine Dotierung im Halbleiter gestellt ?
• hoher Grad an Homogenität über die HL- Wafer und von Wafer zu Wafer• Reproduzierbarkeit der Parameter (von Charge zu Charge)• hoher Grad an Reinheit der Dotierstoffe
(Vermeidung von unerwünschten Elementen)• Schonung des Kristallgitter• vorhersagbare, mit technologischen Mitteln einstellbare Leitfähigkeit• akkurat einstellbare Schichtparameter (Profil, Tiefe)• möglichst geringe Beeinflussung der Schichtparameter durch nachfolgende
Technologieschritte (Temperatur)• Kompatibilität zu anderen Schichtmaterialien (Ausdiffusion)
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Reaktionen im Temperaturbereich zw. 800°C und 1250°C
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 12
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Diffusion: praktische Durchführung
Beispiel: Durchströmverfahren
a) Feste Quelleb) Flüssige Quellec) Gasförmige Quelle
Quelle: I. Ruge, H. MaderHalbleitertechnologie, Serie Halbleiterelektronik Serie 4Springer Verlag
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 13
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Diffusion: praktische Durchführung
Forderungen an den Diffusionsprozess
• Homogenität des Diffusionsprozessesüber die Scheibenoberflächeinnerhalb einer Charge
• SauberkeitVermeidung unerwünschter Dotierungen
• Schonung des Kristallsgeringe Versetzungsdichteungestörte Oberflächekeine Bedeckung durch unlösliche Niederschläge
• Steuerbarkeit der SchichtparameterDiffusionstiefe, Oberflächenkonzentration
• Reproduzierbarkeit der Parameter
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 14
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Diffusion: Wahl der Dotierstoffe
Hinsichtlich: Größe der Diffusionskonstantenmaximaler FestkörperlöslichkeitMaskierung durch eine Oxidschicht
Feststoffe bei Zimmertemperatur Temperaturen zur Erzeugung der benötigten Dampfdrücke
Boroxid B2O3 600 bis 1200°C
Element. roter Phosphor P 200 bis 300°C
Phosphorpentoxid P2O5 200 bis 700°C
Ammonium Monophoshat NH4H2PO4 500 bis 700°C
Arsentrioxid As2O3 500 bis 700°C
Antimontrioxid Sb2O3 500 bis 700°C
Antimontetraoxid Sb2O4 500 bis 700°C
Gase bei Zimmertemperatur Temperaturen zur Erzeugung der benötigten Dampfdrücke
Bortrichlorid BCl3 Zimmertemperatur
Diboran B2H6 Zimmertemperatur
Bortrifluorid BF3 Zimmertemperatur
Phosphin PH3 Zimmertemperatur
Phosphortrifluorid PF3 Zimmertemperatur
Arsin AsH3 Zimmertemperatur
Arsentriflurorid AsF3 Zimmertemperatur
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 15
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Diffusion: Getterung
Einsammeln von Metallen in unschädlichen Bereichen, Schichten
• GetterschichtenPhosphor- und Silikatglasschichten
• Bereiche hoher FehlstellendichteLäppen der Si-Wafer RückseiteDislocation Sponge
• Elektron – Loch GleichgewichtseffektLöslichkeit von Metallen nimmt mit der Donatorkonzentration zu
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 16
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Diffusion: einige praktische Probleme
• ungleicher Dampfdruck des Dotierstoffes• unkontrollierte Eindiffusion durch Oxidniederschläge• unregelmäßiger Silikatglasbelag infolge Feuchtigkeitsspuren• Bildung unlöslicher Niederschläge• Verminderung der Kristallqualität• lange Erwärmungszeiten auf über 1000°C• gering einzubringende Atomanzahl• On-line Kontrolle nur schwer durchführbar• Berechnung des Konzentrationsverlaufes nur schwer durchführbar• Diffusionskonstante nicht isotrop• Diffusionskonstante i.a. abhängig von der Versetzungsdichte
und der Grunddotierung
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 17
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Überblick
• Einschuss ionisierter Dotieratome mit Hilfe eines Teilchenbeschleunigers
• Charakterisierung der Dotier-Eigenschaften
• Eindringverhalten der Ionen
• Anzahl der eingebrachten Ionen
• Restaurierung des Kristallgitters
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 18
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Implanter
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 19
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Implanter
Ad 1: gasförmige Quelle (BF3 oder AsH3)ventilgesteuerter Gasfluss zur Ionenquelle
Ad 2: Spannungsversorgung zur Ionisation des Gases
Ad 3: Extraktion und Fokussierung des IonenstrahlsIonen: +As75, +B11, +BF2
49
Druck: ~ 10-4 Pa (>10-6 Torr )Potenzial der Quelle: 3 ... 800kV
Ad 4: Massenseparator
Ad 5: Beschleunigungskammer
Ad 6: Sägezahngenerator, X-Y Scan
Ad 7: Target Kammer
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 20
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Implanter
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 21
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: unerwünschte Effekte
• Ladungsaustausch
• Sekundärelektronen
• Absputtern von der Blende
• Absputtern vom Target
• Oberflächenkontamination
• elektrische Aufladung (z.B. von isolierenden Schichten)
Stören Dosis und Gleichförmigkeit
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 22
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
• amorphes MediumIon erleidet Streuung im MediumWeg charakterisiert durch: totaler Weg R
projected range RPstatistische Reichweitenstreuung )RPsenkrecht z. Einfallsrichtung )R⊥ (lateral struggle)
Gauss‘scher Verlauf des Profils
• mono-kristallines SubstratChannellingGauss‘scher Verlauf des ProfilsStrahlenschädenRestaurierung des Kristallgitters
Unterscheidung nach Art des Mediums (Substrates)
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 23
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 24
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Einfluss des „lateral struggle“an einer Maskenkante
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 25
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Profilverlauf in mono-kristallinemMedium in Abhängigkeit von derIonen-Einfall-Energie
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 26
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
Quelle: S. M. SzeVLSI Technology, John Wiley&Sons
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 27
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Einflüsse auf Medium
Strahlenschädenschwere bzw. leichte Ionen verursachen unterschiedliche Strahlenschäden
RestaurierungAusheilen der Strahlenschädenelektrische Aktivierung des implantierten Ionspraktische Durchführung
• Leerstellen• Versetzungen• Amorphisierung
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 28
3 Chipherstellung: Dotiertechniken
Ionenimplantation: Bewertung
• sehr genau einstellbare Dotierungskonzentration
• Einstellbarkeit des Dotierungsprofils über Einschussenergie und Dosis
• steilere Profilflanken möglich als bei Diffusion
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 48
3 Chipherstellung: Schichten
Epitaxie: Gasphasenepitaxie
Siliziumtetrachlorid-Epitaxie:
• Reaktion reversibelSchichtwachstum und Abtragung möglich
• Abtragung, wenn HCl-Anteil überwiegt→ Gasätzung
• auch polykristallines Wachstum möglich• gleichzeitige Dotierung (Diboran, Phosphin)• Ausdiffusion vom Substrate
wg hoher Wachstumstemperatur
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 49
3 Chipherstellung: Schichten
Epitaxie: Gasphasenepitaxie
Silian-Epitaxie:
• keine ätzende Reaktion• Reaktion weitgehend irreversibel• deutlich niedrigere Prozesstemperatur• einkristallines Wachstum auch auf anderen Substraten möglich
(Saphir, Spinell, SiO2 ) (Heteroepitaxie)• bei nicht einkristallinem Substrat: polykristallines Wachstum• Silan ist sehr gefährlich• Silan-Epitaxie findet breite Anwendung
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 61
3 Chipherstellung: Schichten
Kathodenstrahlzerstäubung (Sputtern)
Inertes (passives) Sputtern• Abzuscheidendes Material liegt als Targetmaterial vor • Trägergas: Ar• zerstäubtes Targetmaterial schlägt sich Moleküllagen-weise auf Substrat nieder
Reaktives Sputtern• chemische Reaktion zwischen zerstäubtem Material und Molekülen im Gasraum• Trägergas (Ar) und Reaktionsgas• z.B. Al als Target-Material, O2 als Reaktionsgas, Schicht: Al2O3
Technische Realisierung: RF-Sputtern• im Hochfrequenzfeld (13,56 MHz) entsteht Plasma• nach der Zündung entstehen mehr Elektronen als Ionen• Ionen folgen nicht dem HF-Feld, treffen beschleunigt auf Target• sowohl elektrisch leitende oder isolierende Target-Materialien möglich
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 62
3 Chipherstellung: Schichten
Local Oxide on Silicon (LOCOS)
Quelle: J. A. AppelsPhilips Res. Rep. 25, p. 118, 1970 a) b) c)
a) „partly countersunk oxid into the silicon“
b) „flat LOCOC Structure“
c) „mesa structure“
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 63
3 Chipherstellung: Schichten
Local Oxide on Silicon (LOCOS): Bipolartransistor
Quelle: J. A. AppelsPhilips Res. Rep. 26, p. 166, 1971
• Si-Inseln von SiO2 umgeben• flache Oberflächen erreichbar• auf SiO2 lassen sich weitere Strukturen bauen• Verringerung der Kapazitäten• Grundstruktur für Bipolartransistoren und FET‘s• Erhöhung der Schaltgeschwindigkeit
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch
Kap 3, Folie 64
3 Chipherstellung: Strukturierung
Fotolithographie
• Grundlagen der Fotolithographie• Lack-Technologie• Projektionsbelichtung
Ätztechnologien
• nass-chemische Ätzen• reaktives Ätzen (RIE)
Mikroelektronik – zwischen Wirtschaftlichkeit und TechnikSS 2010Prof. Dr. H. Gesch