Dr. Gernot Ecke tu ilmenau, fg nanotechnologie, Zentrum für Mikro- und Nanotechnologien, Raum 315
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- 4.2.2. Wichtige Teilschritte der Bauelementefertigung 4.2.2.1. Dotierung
- 4.2.2.2. Schichtherstellung
- Verfahren: Thermische Oxidation von Si
- Schichtabscheidung aus der Gasphase
- 4.2.2.3. Schichtstrukturierung
- 4.2.2.4. Verkappen und Anschließen (Packaging)
- 4.2.3. Reinraumtechnik
- 4.2.4. Technologiebegleitende Analytik
- 4.2.4.3. Strukturelle Analytik
- 4.2.4.4. Elektrische Analytik
- 4.2.4.5. Morphologische Analytik
Grundmaterial für Schaltkreisherstellung
4.2. Schaltkreisherstellung
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
Wichtige Teilschritte der Bauelementefertigung
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)
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)
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
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)
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)
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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)
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
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
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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
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
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.
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.
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
einer geätzten Al-Schicht Download 0.97 Mb. Do'stlaringiz bilan baham: |
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