Halbleiterherstellungstechniken

In diesem Abschnitt wird die Herstellung von ausschließlich siliziumbasierten Halbleitern beschrieben; Die meisten Halbleiter sind Silizium. Silizium ist besonders geeignet für integrierte Schaltkreise, da es leicht eine Oxidbeschichtung bildet, die beim Strukturieren integrierter Komponenten wie Transistoren nützlich ist.

Silizium

Silizium ist das zweithäufigste Element der Erdkruste in Form von Siliziumdioxid, SiO₂ , auch Quarzsand genannt. Silizium wird durch Reduktion mit Kohlenstoff im Elektrolichtbogenofen von Siliziumdioxid befreit

SiO₂ + C =CO₂ + Si

Ein solches Silizium von metallurgischer Qualität ist für die Verwendung in Siliziumstahl-Transformatorenlaminaten geeignet, aber nicht annähernd rein genug für Halbleiteranwendungen. Umwandlung in das Chlorid SiCl₄ (oder SiHCl₃ ) ermöglicht die Reinigung durch fraktionierte Destillation. Die Reduktion durch hochreines Zink oder Magnesium ergibt Siliziumschwamm, der einer weiteren Reinigung bedarf. Oder die thermische Zersetzung auf einem heißen polykristallinen Silizium-Stabheizer durch Wasserstoff ergibt ultrareines Silizium.

Si + 3HCl =SiHCl₃ + H₂ SiHCl₃ + H₂ =Si + 3HCl₂

Das polykristalline Silizium wird in einem Schmelztiegel aus Quarzglas geschmolzen, der durch einen induktionserwärmten Graphitsuszeptor erhitzt wird. Der Graphitheizer kann alternativ direkt mit einer niedrigen Spannung bei hohem Strom betrieben werden. Im Czochralski-Prozess wird die Siliziumschmelze zu einem bleistiftgroßen monokristallinen Siliziumstab der gewünschten Kristallgitterorientierung verfestigt. (Abbildung unten) Die Stange wird gedreht und mit einer Geschwindigkeit nach oben gezogen, um eine Vergrößerung des Durchmessers auf mehrere Zoll zu fördern. Sobald dieser Durchmesser erreicht ist, wird die Kugel wird automatisch mit einer Geschwindigkeit gezogen, um einen konstanten Durchmesser bis zu einer Länge von wenigen Fuß beizubehalten. Der Tiegelschmelze können Dotierstoffe zugesetzt werden, um beispielsweise einen Halbleiter vom P-Typ zu erzeugen. Die Züchtungsapparatur ist in einer inerten Atmosphäre eingeschlossen.

Czochralski monokristallines Siliziumwachstum.

Die fertige Kugel wird auf einen genauen Enddurchmesser geschliffen und die Enden beschnitten. Die Boule wird von einer Diamantsäge mit Innendurchmesser in Scheiben geschnitten. Die Wafer werden plangeschliffen und poliert. Die Wafer könnten einen N-Typ epitaktischen haben Schicht, die auf dem Wafer durch thermische Abscheidung aufgewachsen ist, um eine höhere Qualität zu erzielen. Wafer in dieser Fertigungsphase werden vom Siliziumwaferhersteller an den Halbleiterhersteller geliefert.

Siliziumkugeln werden mit Diamanten in Wafer gesägt.

Verarbeitung von Halbleitern

Die Verarbeitung von Halbleitern beinhaltet Photolithographie, ein Verfahren zur Herstellung von Metalllithographie-Druckplatten durch Säureätzen. Die elektronikbasierte Variante davon ist die Bearbeitung von Kupferleiterplatten. Dies wird in der folgenden Abbildung als einfacher Einstieg in die Photolithographie bei der Halbleiterverarbeitung dargestellt.

Die Verarbeitung von Kupferleiterplatten ähnelt den fotolithografischen Schritten der Halbleiterverarbeitung.

Wir beginnen mit einer Kupferfolie, die in Abbildung oben (a) auf eine Epoxid-Glasfaserplatte laminiert ist. Wir benötigen auch Positivgrafiken mit schwarzen Linien, die den Kupferleitungen und Pads entsprechen, die auf der fertigen Platine verbleiben sollen. Eine positive Grafik ist erforderlich, da positiv wirkendes Resist verwendet wird. Negativresist ist jedoch sowohl für die Leiterplatten- als auch die Halbleiterverarbeitung verfügbar. Bei (b) wird der flüssige positive Photoresist auf die Kupferfläche der gedruckten Leiterplatte (PCB) aufgetragen. Es darf trocknen und kann im Ofen gebacken werden. Das Kunstwerk kann eine auf die erforderliche Größe skalierte Positivreproduktion des Originalkunststoffs aus Kunststoff sein. Das Kunstwerk wird bei (c) unter einer Glasplatte mit der Leiterplatte in Kontakt gebracht. Die Platine wird ultraviolettem Licht (d) ausgesetzt, um eine latente zu bilden Bild von erweichtem Fotolack. Die Vorlage wird entfernt (e) und der erweichte Resist mit einer alkalischen Lösung abgewaschen (f). Die gespülte und getrocknete (gebrannte) Leiterplatte weist ein gehärtetes Resistbild auf den Kupferleitungen und -pads auf, die nach dem Ätzen verbleiben sollen. Die Platine wird in das Ätzmittel (g) getaucht, um Kupfer zu entfernen, das nicht durch gehärteten Resist geschützt ist. Die geätzte Platine wird gespült und der Resist mit einem Lösungsmittel entfernt.

Der Hauptunterschied bei der Strukturierung von Halbleitern besteht darin, dass während der Hochtemperatur-Prozessschritte eine Siliziumdioxidschicht auf dem Wafer an die Stelle des Resists tritt. Allerdings ist der Resist bei der Niedertemperatur-Nassbearbeitung erforderlich, um das Siliziumdioxid zu strukturieren.

Ein N-dotierter Siliziumwafer in Abbildung unten (a) ist das Ausgangsmaterial bei der Herstellung von Halbleiterübergängen. Auf dem Wafer wird in Gegenwart von Sauerstoff oder Wasserdampf bei hoher Temperatur (über 1000 °C in einem Diffusionsofen) eine Siliziumdioxidschicht (b) aufgewachsen. Eine Resistschicht wird auf die Mitte des abgekühlten Wafers aufgetragen und dann in a . geschleudert Vakuumspannvorrichtung, um den Resist gleichmäßig zu verteilen. Der eingebrannte Resist (c) hat eine Chrom-auf-Glas-Maske, die bei (d) auf den Wafer aufgebracht ist. Diese Maske enthält ein Muster von Fenstern, das ultraviolettem Licht ausgesetzt wird (e).

Herstellung eines Silizium-Dioden-Übergangs.

Nachdem die Maske in Abbildung oben (f) entfernt wurde, kann der positive Resist in einer alkalischen Lösung entwickelt (g) werden, wodurch Fenster im UV-erweichten Resist geöffnet werden. Der Zweck des Resists besteht darin, das Siliziumdioxid vor der Flusssäureätzung (h) zu schützen, wobei nur den Maskenöffnungen entsprechende Fenster offen bleiben. Der verbleibende Resist (i) wird vom Wafer abgezogen, bevor er in den Diffusionsofen zurückgeführt wird. Der Wafer wird einem gasförmigen Dotierungsmittel vom P-Typ bei hoher Temperatur in einem Diffusionsofen (j) ausgesetzt. Der Dotierstoff diffundiert nur durch die Öffnungen in der Siliziumdioxidschicht in das Silizium. Jede P-Diffusion durch eine Öffnung erzeugt einen PN-Übergang. Wenn Dioden das gewünschte Produkt wären, würde der Wafer diamantgeritzt und in einzelne Diodenchips zerbrochen. Der gesamte Wafer kann jedoch zu Bipolartransistoren weiterverarbeitet werden.

Um die Dioden in Transistoren umzuwandeln, ist eine kleine Diffusion vom N-Typ in der Mitte des vorhandenen P-Gebiets erforderlich. Dies wird durch Wiederholen der vorherigen Schritte mit einer Maske mit kleineren Öffnungen erreicht. Obwohl in der obigen Abbildung (j) nicht gezeigt, wurde wahrscheinlich in diesem Schritt während der P-Diffusion eine Oxidschicht gebildet. Die Oxidschicht über der P-Diffusion ist in Abbildung unten (k) dargestellt. Positiver Photoresist wird aufgetragen und getrocknet (l). Die Chrom-auf-Glas-Emittermaske wird aufgetragen (m) und UV-belichtet (n). Die Maske wird entfernt (o). Der UV-erweichte Resist in der Emitteröffnung wird mit einer alkalischen Lösung entfernt (p). Das freigelegte Siliziumdioxid wird mit Flusssäure (HF) bei (q)

. weggeätzt

Herstellung eines Bipolartransistors, Fortsetzung von Herstellung eines Siliziumdioden-Übergangs.

Nachdem der unbelichtete Resist vom Wafer abgezogen wurde (r), wird er in einen Diffusionsofen (Abbildung oben (s) für die Hochtemperaturbearbeitung gebracht. Ein gasförmiger N-Dotierstoff, wie Phosphoroxychlorid (POCl) diffundiert durch den kleinen Emitter Fenster im Oxid (s). Dies erzeugt NPN-Schichten, die dem Emitter, der Basis und dem Kollektor eines BJTs entsprechen. Es ist wichtig, dass der N-Typ-Emitter nicht vollständig durch die P-Typ-Basis getrieben wird, wodurch der Emitter kurzgeschlossen wird und Kollektor. Die Basiszone zwischen Emitter und Kollektor muss auch dünn sein, damit der Transistor ein nützliches β hat. Andernfalls könnte eine dicke Basiszone eher ein Diodenpaar als einen Transistor bilden. Bei (t) ist eine Metallisierung gezeigt, die Kontakt mit den Transistorbereichen. Dies erfordert eine Wiederholung der vorherigen Schritte (hier nicht gezeigt) mit einer Maske für Kontaktöffnungen durch das Oxid. Eine weitere Wiederholung mit einer anderen Maske definiert das Metallisierungsmuster auf dem Oxid und das Kontaktieren der Transistorbereiche durch die Öffnungen gs.

Die Metallisierung könnte zahlreiche Transistoren und andere Komponenten zu einem integrierten Schaltkreis verbinden . Allerdings ist nur ein Transistor dargestellt. Der fertige Wafer wird diamantgeritzt und zum Verpacken in einzelne Chips gebrochen. Feiner Aluminiumdraht verbindet die metallisierten Kontakte auf dem Chip mit einem Leadframe , die die Kontakte aus dem endgültigen Paket holt.

RÜCKBLICK:

• Die meisten Halbleiter basieren auf ultrareinem Silizium, weil es auf dem Wafer ein Glasoxid bildet. Dieses Oxid kann mit Fotolithografie strukturiert werden, wodurch komplexe integrierte Schaltkreise möglich werden.
• Wurstförmige Einkristalle aus Silizium werden nach dem Czochralski-Verfahren gezüchtet. Diese werden mit Diamant in Wafer gesägt.
• Das Strukturieren von Siliziumwafern durch Photolithographie ähnelt dem Strukturieren von Kupfer-Leiterplatten. Auf den Wafer wird Photoresist aufgebracht, der durch eine Maske mit UV-Licht belichtet wird. Der Resist wird entwickelt, dann wird der Wafer geätzt.
• Flusssäureätzen öffnet Fenster im schützenden Siliziumdioxid auf dem Wafer.
• Die Einwirkung von gasförmigen Dotierstoffen bei hoher Temperatur erzeugt Halbleiterübergänge, wie sie durch die Öffnungen in der Siliziumdioxidschicht definiert sind.
• Die Photolithographie wird für mehr Diffusionen, Kontakte und Metallisierung wiederholt.
• Die Metallisierung kann mehrere Komponenten zu einem integrierten Schaltkreis verbinden.

VERWANDTE ARBEITSBLÄTTER:

• Arbeitsblatt zum Layout und zur Herstellung von Leiterplatten