Dr. Gernot Ecke tu ilmenau, fg nanotechnologie, Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315

 

Grundmaterial  

für  

Schaltkreisherstellung 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.2.    

Schaltkreisherstellung 

  

4.2.1.   

Einführung 

 

Herstellung von IC technisch und technologisch sehr anspruchsvoll ! 

Wissensgebiet:  Halbleitertechnologie (Mikro- und Nanoelektronik-Technologie) 

Zusammenwirken von Physik, Chemie, Werkstoffwissenschaften 

Bearbeitung ganzer Si-Scheiben: Scheibenprozeß 

 

Ziel: möglichst viele Schaltkreise auf jede Si-Scheibe 

größere Scheiben - kleinere Strukturen (Frage der Kosten und Zuverlässigkeit) 

 

Si-Scheibendurchmesser 

1970   

  50 mm 

1980  

100 

mm 

1990  

150 

mm 

1995  

200 

mm 

2001

 

            300 mm 

ca. 2012 

 450mm 

kleinere Strukturen - kleinere Schaltkreisflächen oder komplexere IC 

 

 

87

 

 

Jahr  

Strukturbreite 

Speicherkapazität  das 

entspricht: 

1975 

 5 

µm 

  4 

kbit 

DRAM 

 1/4 

A4-Seite 

1985   

1,5 µm  

 

1 Mbit DRAM 

64 A4-Seiten 

1990 

 1 

µm 

  4 

Mbit 

  256 

A4-Seiten 

1995 

 0,6 

µm 

  16 

Mbit  1000 

A4-Seiten 

2000 

 0,18 

µm  256 

Mbit 

 16000 

A4-Seiten 

2003   

0,13 µm 

 

512 Mbit 

 

32000 A4-Seiten (100 Bücher) 

2009   

0,050 µm 

    

4 Gbit   

 

800 Bücher = 1 Bibliothek ? 

 

Bei der Herstellung von IC auf einer Si-Scheibe - Abfolge bestimmter 

technologischer Schritte, die mehrfach durchlaufen werden, bis der IC fertig ist. 

Am Ende des Scheibenprozesses: Zersägen der Scheibe (Trennschleifen), 

Vereinzeln der Chips. Herstellen des fertigen Bauelements 

 

4.2.2.   

Wichtige Teilschritte der Bauelementefertigung 

 

4.2.2.1.  

Dotierung 

 

Für die Funktion von Bauelementen ist wichtig:  

 

Leitfähigkeitstyp des Halbleiters (n- oder p-HL) 

Leitfähigkeit des HL 

 

Gezielter Einbau von Fremdatomen in den Halbleiter = Dotierung 

 

Was? (3- oder 5- wertiges Element in Si (4-wertig) ) 

Wieviel? 

 

Dotierung durch Diffusion  und  Implantation 

   eingebrachte Fremdatome (Verteilung) müssen in das Si-Gitter  

   eingebaut werden  (Temperatur)       

 

Ionenimpanter 

(Schema) 

 

4.2.2.2.  

Schichtherstellung 

 

Alle Bauelemente sind aus einer Vielzahl von Schichten aufgebaut. 

Unterschiedliche Materialien - unterschiedliche Funktionen 

 

° Halbleiter, Metalle, Isolatoren 

 

° aktive Schichten, elektrische Verbindungen (Verdrahtung), Isolationen,  

  Schutzschichten, Maskenschichten (werden wieder entfernt) 

 

Verfahren: 

 

Thermische Oxidation von Si 

   

 

bei Temperaturen um 1000 °C und O

2

 wird  

Si zu SiO

2

   (mit H

2

0) 

 SiO

2

  - guter Isolator 

 

dünne Schichten (20 nm) Gateoxid 

 

dickere Schichten (1 µm) Schutzschichten   

Oxidationsofen im ZMN 

 

88 

Schichtabscheidung aus der Gasphase 

   

° 

verbunden mit chemischer Reaktion (CVD) 

   

 Halbleiter-, 

Isolator- 

und Metallschichten möglich 

   

 

dünne, hochperfekte Si-Schichten: 

 

bei Temp. 800 °C - 1200 °C Umwandlung von SiH

4

 

   

 Isolationsschichten 

SiO

2

 und Si

3

N

4

: 

 SiH

4

 und O

2

 oder NH

3

 

 

° 

ohne chemische Reaktion, z. B. Verdampfen (PVD) 

   

Im Hochvakuum werden Materialien (Metalle) in einem 

Tiegel geschmolzen –  

Material verdampft und schlägt sich als dünne Schicht 

auf der Si-Scheibe nieder. 

 

Schichtdicken zwischen 10 ... 2000 nm 

 

Erwärmung des Verdampfungsgutes durch 

stromdurchflossene Widerstandstigel oder 

Widerstandswendel (Wendel- oder Tigelverdampfer) mit 

Elektronenstrahl (Elektronenstrahlverdampfer) 

 

Oder durch Ionenverfahren (Sputtern): 

Mittels Plasma werden durch energiereiche Ionen die 

Atome des Targets zerstäubt und schlagen sich auf der  

Sputteranlage 

Si-Scheibe nieder. 

 

Die PVD-Verfahren unterscheiden sich hinsichtlich Abscheiderate, 

Abscheidegeschwindigkeit und Kantenbedeckung stark. 

 

 

Prozeßkontrolle: Schichtdicke, Materialzusammensetzung, Schichtstruktur, Reinheit 

    

 

Metallschichten zur Herstellung der Leitbahnen (innere Drähte des IC) 

 

4.2.2.3.  

Schichtstrukturierung 

 

zur Erzeugung laterale Strukturierung der abgeschiedenen Schichten 

 

Die Struktur ist in einer fotographischen Maske gespeichert. 

Maskenherstellung ist ein komplizierter und teurer technologischer Prozeß 

 

Übertragung der Struktur aus der Maske auf den Schaltkreis mit Licht 

(Spezialprojektor 10:1, kurzwelliges Licht: UV) auf lichtempfindlichen Lack. 

immer nur ein Chip wird belichtet - Waferstepper 

nach Belichten des Fotolackes - Entwickeln, Auslösen (analog Fotografie) 

durch die Öffnungen im Fotolack ist die selektive Bearbeitung möglich 

(Ätzen von Isolatorschichten, Dotieren) 

 

 

 

 

 

89

Ätzen 

 

Abtragen von darunterliegenden Schichten durch die Lackmaske 

 

Naßchemisches Ätzen: sehr reaktionsfreudige Chemikalien (HNO

3

, HF, H

3

PO

4

) in wässriger 

Lösung,  Schichtmaterial wird 'aufgelöst', jedoch nicht nur senkrecht, auch Unterätzen unter der 

Abdeckschicht - Strukturverbreiterung! 

 

Trockenätzen 

(Plasmaätzen) 

Im Vakuum wird eine 

elektrische Entladung 

erzeugt (wie 

Leuchtstofflampe), Ionen 

werden auf die Si-Scheibe 

beschleunigt und tragen 

dort Material ab (mit oder 

ohne chemische Reaktion) 

 

Wegen Kompliziertheit des 

Chipaufbaus sehr viele 

Lithographie- und 

Ätzschritte mit hoher 

Reproduzierbarkeit. D.h. ->  

teuere Maschinen, hoher 

Zeitaufwand (30 ... 40 % 

der Prozesskosten) 

 

4.2.2.4.  

Verkappen und Anschließen  (Packaging) 

 

Nach etwa 200 ... 300 Prozeßschritten ist die Chipherstellung abgeschlossen  

 Vereinzeln:  Scheibe (auf Folie) wird mit einer Trennscheibe (50 µm dick) zersägt. 

 

danach muß der Chip 

 

1.auf einem Trägerstreifen befestigt werden (Chipbonden) 

2.elektrisch angeschlossen werden (Drahtbonden) 

3.hermetisch von der Umgebung abgeschlossen werden (Verkappen) 

4.elektrisch getestet werden 

 

Erste Tests der IC’s auf der Scheibe vor dem 

Vereinzeln 

Defekte Chips werden mit Farbklecks 

markiert (geinkt) und nicht weiterverarbeitet 

 

Chipbonden (Diebonden) der fertigen Chips 

auf dem Trägerstreifen durch Kleben, Löten 

Wichtig: gute Wärmeleitfähigkeit – große 

Flächen 

 

Drahtbonden mit Temperatur, Druck und 

Ultraschall  

(Au- oder Al-Drähtchen, 50 µm) 

 

offener, gebondeter (re.), und verkappter 

Chip (li.) 

 

90 

Verkappen durch Plast-Spritzguß oder Metallgehäuse 

 

dann elektrische Tests, Kontrollmessungen, Belastungstests, mechanische Stabilitätstests 

(Zentrifuge),  

thermische Stabilitätstests (-50 °C ... 150 °C), 

Betrieb bei 100 % Überspannung ... 

 

IC-Ausfallraten 10

-10

/h (Elektronenröhre 10

-4

/h) 

 

Produkt: IC   Funktionsgruppe   Gerät  

 

4.2.3.   

Reinraumtechnik 

 

Zur Produktion von IC - absolute Voraussetzung:  Staubfreiheit ! 

 

wegen: 

kleine Strukturen 

viele Strukturen, komplexe Schaltungen 

viele Prozessschritte 

hohe Zuverlässigkeit 

 

Reinräume (Cleanrooms) mit extrem gereinigter Luft:  

10 ... 100 Partikel pro m

2

, normal 10

6

 - 10

9

 

definierter Luftstrom 

 

Mensch als Hauptschmutzquelle weitgehend 

fernhalten durch: 

-

 

spez. Reinraum-Kleidung, Mundschutz 

etc. 

-

 

Spezielle Luftströmung vom Menschen 

weg 

-

 

Hermetisch gedichtete Maschinen 

-

 

Trennung von Wartungs- und 

Prozessräumen (Grau- und 

Weißbereiche) 

 

In einem OP-Saal könnte man keine IC herstellen! 

 

 Herstellungsfabriken für IC sind sehr teuer 

 

4.2.4.   

Technologiebegleitende Analytik 

 

4.2.4.1  

Ziele und Aufgaben der Analytik 

 

Kontrolle der Prozessschritte 

Aufspüren von Fehlern 

Fehlerhafte Scheiben schon frühzeitig erkennen und aussondern 

Qualitätssicherung 

Hilfe bei der Entwicklung und Einführung neuer Technologien und Materialien 

 

Beispiele: Schleier (Verunreinigungsschichten), Kristallfehler, Haftprobleme bei Schichten, 

Staubdefekte, inhomogene Schichtdicken, unerwünschte Diffusionen, Kontaktprobleme u.v.a.m. 

 

Blick in den Cleanroom einer Chipfabrik 

 

91

Analytik auf den folgenden Gebieten: 

 

4.2.4.2.  

Atomar-chemische Analytik  

 

Das bedeutet:  Woraus besteht die Schicht? 

Welche Elemente, Welche Verunreinigungen? 

  Wie 

sind 

Grenzflächen, 

Welche Atome sind an der Oberfläche? 

 

vielfältige physikalische Analyseverfahren: 

Chemische Analyse, Auger-Spektroskopie, Elektronenstrahl-Mikroanalyse u.a. 

 

4.2.4.3.  

Strukturelle Analytik 

 

Das bedeutet:  Welche kristalline Perfektion der Schichten? 

Welche Kornstruktur? 

 

 

Welche Spannungen in den Schichten? 

Welcher Gittertyp? 

Welche Texturen? 

 

Röntgenbeugung, Elektronenbeugung 

 

4.2.4.4.  

Elektrische Analytik 

 

Das bedeutet:  Welche Schichtwiederstände und Ladungsträgerkonzentrationen? 

Welche Leitfähigkeiten? 

  Welche 

Kontaktwiderstände? 

Welche Elektronenbeweglichkeiten?  

Wie groß sind die Widerstände, Kapazitäten? 

Welche Steilheiten haben die FET’s? 

 

Elektrische Meßplätze mit Strom-, Spannungsmessungen, Kapazitätsmeßplätzen (CV-Kurven), 

Mercury-Probe, Hochfrequenzmessplätze, Hallmessplätze u.v.a.m. 

 

4.2.4.5.  

Morphologische Analytik 

 

Das bedeutet:  Welche Oberflächenbeschaffenheit? 

Welche Kanten- und Stufenbedeckungen? 

Wie sehen die Kontaktfenster aus? 

  Gibt 

es 

Terassen? 

Wie hoch sind die Stufen?  

Wie dick sind die Schichten? 

Wie gut funktioniert das CMP (chemisch- 

mechanisches Polieren) ? 

 

 

Lichtmikroskopie, Raster- und Transmissionselektronenmikroskopie, Rasterkraftmikroskopie, 

Tastschnittgeräte, Nanopositionier- und meßmaschine 

 

 

Elektronenmikroskpisches Bild 

einer geätzten Al-Schicht