Technologie hochintegrierter Schaltungen

382 Pages·1996·9.667 MB·German

by  Dr.-Ing. Dietrich Widmann, Dr.-Ing. Hermann Mader, Dr.-Ing. Hans Friedrich (auth.)

Halb lei ter -Elektronik
w.
Herausgegeben von Heywang und R. Muller
Band 19
Springer
Berlin
Heidelberg
New York
Barcelona
Budapest
Hongkong
London
Mailand
Paris
Singapur
Tokio
D. Widmann . H. Mader . H. Friedrich
Technologie
hochintegrierter
Schaltungen
2. Auflage
Mit 208 Abbildungen und 29 Tabellen
, Springer
OrAng. Dietrich Widmann
Leiter der T«hnologieentwicklung im Bereich Halbleiter
der Siemens AG, MunchenlBeriin
Dr.-Ing. Hermann Mader
Professor, Fachbereich Elektrotechnik der Fachhochschule Munchen
Vorstand im Institut fUr Technologie- und Wissenstransfer
an der FH Munchen
Dr.-Ing. Hans Friedrich
GeschiftsfUhrer TELA Beteiligungsgesellschaft m.b.H., Munchen
Dr. rer. nat. Walter Heywang
Professor an der Technischen Universilat Munchen
Dr. techno Rudolf Muller
Professor, Inhaber des Lehrstuhls fur Technische Elektronik
der Technischen Universitat Munchen
ISBN-13: 978-:u.42-648J2-8 e-ISBN-13: 978-:u.42~ 141 ~
DOl: 1O.IOO7/978-M42~141~
CIP-Titelaufnahme der Deutschen BibHothek
Widmann. Oktd,h: Technologie hochintegrierter Schaltungen I D. Widmann; H. M~der; H.
Friedrich. -2. Aufl. - Berlin; Heidelberg; New York; Barcelona: Budapest: Hongkong ;
london; Mailand; Paris; Santa Clar~; Singapur; Tokio: Springer. 1996
(Halbleiter·Elektronik: Bd. 19)
NE: Mader, Hermann:; Friedrich, Hans:, GT
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Geleitwort der Herausgeber
Halbleiter-Bauelemente beherrschen heute einen groBen Teil der Elektrotech
nik. Dies auBert sich einerseits in der groBen Vielfalt neuartiger Bauelemente
und andererseits in mittleren jahrlichen Zuwachsraten der Herstellungsstuck
zahlen von ca. 20% im Laufe der letzten 20 Jahre. Ihre besonderen physikali
schen und funktionellen Eigenschaften haben komplexe elektronische Sy
sterne z. B. in der Datenverarbeitung und der Nachrichtentechnik ermoglicht.
Dieser Fortschritt konnte nur durch das Zusammenwirken physikalischer
Grundlagenforschung und elektrotechnischer Entwicklung erreicht werden.
Urn mit dieser Vielfalt erfolgreich arbeiten zu konnen und auch zukunfti
gen Anforderungen gewachsen zu sein, muB nicht nur der Entwickler von
Bauelementen, sondern auch der Schaltungstechniker das breite Spektrum
von physikalischen Grundlagenkenntnissen bis zu den durch die Anwendung
geforderten Funktionscharakteristiken der Bauelemente beherrschen.
Dieser engen Verknupfung zwischen physikalischer Wirkungsweise und
elektrotechnischer Zielsetzung solI die Buchreihe "Halbleiter-Elektronik"
Rechnung tragen. Sie beschreibt die Halbleiter-Bauelemente (Dioden, Transi
storen, Thyristoren usw.) in ihrer physikalischen Wirkungsweise, in ihrer
Herstellung und in ihren elektrotechnischen Daten.
Urn der fortschreitenden Entwicklung am ehesten gerecht werden und den
Lesern ein fur Studium und Berufsarbeit brauchbares Instrument in die
Hand gehen zu konnen, wurde diese Buchreihe nach einem "Baukastenprin
zip" konzipiert:
Die ersten heiden Bande sind als Einfiihrung gedacht, wohei Band 1 die
physikalischen Grundlagen der Halbleiter darhietet und die entsprechenden
Begriffe definiert und erklart. Band 2 behandelt die heute technisch hedeut
samen Halbleiterbauelemente und integrierten Schaltungen in einfachster
Form. Erganzt werden diese heiden Bande durch die Bande 3 bis 5 und 19,
die einerseits eine vertiefte Beschreihung der Banderstruktur und der Trans
portpbanomene in Halbleitern und andererseits eine Einfuhrung in die tech
nologischen Grundverfahren zur Herstellung dieser Halbleiter bieten. Alle
diese Bande haben als Grundlage einsemestrige Grund- bzw. Erganzungsvor
lesungen an Technischen Universitaten.
W. Heywang und R. Muller
Vorwort zur zweiten Auflage
Seit dem Erscheinen der 1. Auflage dieses Buches vor 8 Jahren hat sich die
Technologie der Integrierten Schaltungen auf vielen Gebieten wesentIich wei
terentwickelt. Die 2. Auflage tragt dieser Entwicklung Rechnung, wobei der
Schwerpunkt auf denjenigen Technologien und Verfahren Iiegt, die heute und
in den nachsten Jahren in fortschrittlichen industriellen Fertigungslinien
zum Einsatz kommen.
Das Kapitel 8 "ProzeBintegration" haben wir vollkommen neu uberarbei
tet. Es enthiilt jetzt, ausgehend vom CMOS-BasisprozeB, alle wichtigen Ge
samtprozesse in ubersichtlicher Darstellung. Die einzelnen ProzeBb16cke der
Gesamtprozesse, insbesondere die Isolation der Transistoren, die Transistoren
bzw. Speicherzellen, die Planarisierung sowie die Kontakte und Leiterbahnen,
werden ausfuhrIich behandelt. Das Kapitel wird durch eine detaillierte Be
schreibung des ProzeBablaufs von vier ausgewahlten Gesamtprozessen abge
rundet.
Unser Dank gilt allen, die uns beim Abfassen der 2. Auflage unterstutzt
haben: Frau Vogs schrieb Teile des Manuskripts ins Reine; Herr Professor Hi
geIin sah einen Teil des Kapitels 8 kritisch durch; schIieBIich gaben uns Herr
Dr. Arden, Frau Dipl.-Ing. Bitto, Herr Dipl.-Phys. Enders, Herr Dr. Erb, Herr
Dr. Frank, Herr Dipl.-Ing. Hiller, Herr Dr. Mathuni, Herr Dipl.-Phys. Melzner
und Herr Dipl.-Phys. Pohle wertvolle Ratschlage zu einzelnen Kapiteln.
Auch dies mal wollen wir uns herzIich bei unseren Frauen fur ihr Ver
standnis fur die (frei)zeitraubenden Arbeiten zu diesem Buch bedanken.
Munchen, im April 1996 D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich
Vorwort zur ersten Auflage
Es gibt wohl kaum eine Technik, die durch einen derart raschen Entwick
lungsfortschritt gekennzeichnet ist wie die Mikroelektronik. Sie ist in ihrer
bisher etwa fiinfundzwanzigjahrigen Geschichte zur Schlusseltechnologie fast
fur die gesamte moderne Technik geworden.
Der rasche Fortschritt in der Herstelltechnologie mikroelektronischer
Schaltungen basiert auf den nahezu idealen Eigenschaften des Grundmate
rials Silizium. Mit dem hohen Grad an Reinheit, Homogenitat und Kristall
perfektion konnen Materialeigenschaften bis an die physikalischen Grenzen
fertigungstechnisch genutzt werden.
Auf dem Weg in die Mikron- und Submikrontechnik waren naturlich auch
die Herstellprozesse und -verfahren einem extrem raschen Wandel unterwor
fen. Wenn mit den hOchstintegrierten Halbleiterspeichern alle drei Jahre eine
neue Technologiegeneration zur Fertigungsreife gebracht wird, so muG die
damit verbundene Leistungssteigerung in erster Linie von den Herstellpro
zessen erbracht werden. In einer derart dynamischen Entwicklung kann ein
Buch uber Herstelltechnologie naturlich nur eine Momentaufnahme darstel
len. Die Verfasser haben dennoch versucht, bei der Vielzahl der dargestellten
Verfahren den Beurteilungskriterien und anwendungsspezifischen Merkmalen
hinreichend Raum zu geben, urn dem Leser die Entwicklungs- und Verbesse
rungsmoglichkeiten deutlich zu machen.
Als Momentaufnahme stellt das Buch im Schwerpunkt die ProzeBtechnolo
gie dar, wie sie in der I-J..lm-Technologie fur Produkte wie dem I-MBit-Spei
cher eingesetzt wird. Es konzentriert sich auf die Verfahrenstechnik und ver
weist bei den physikalisch-chemischen Grundlagen auf den Band 4 der Buch
reihe "Halbleiter-Elektronik".
Das vorliegende Buch ist bewuGt sehr praxisnah gehalten. Es solI fur den
jenigen, der in der Technologie Integrierter Schaltungen tiefer einsteigen will,
ein umfassendes Handbuch sein; sei es fur den Studenten an der Universitat
bzw. Fachhochschule oder fur den Technologen in einer Forschungs- oder
Fertigungslinie.
Fur die Abfassung der einzelnen Kapitel sowie fur die umfangreichen Lite
raturrecherchen war das Fachwissen vieler Experten hilfreich. Stellvertretend
fur aUe mochten sich die Autoren dafur recht herzlich bedanken bei den
Herren Dr. Arden, Dr. Bertagnolli, Dr. Buchmann, Dr. Jacobs, Dr. Kolbesen,
Dr. Honlein, Dr. Schaber, Dr. Schwarzl, Dipl.-Ing. Sigusch, Dr. Wieder und
Dr. Winnerl. Besonders mochten wir auch Frau Czauderna und Frau Vogs fur
VIII
das Schreiben des Manuskripts danken. Dem Springer-Verlag sei fur die ge
duldige Betreuung und die Sorgfalt bei der Drucklegung Dank gesagt. Unser
herzlicher Dank gilt auch unseren Frauen fur ihr Verstandnis fur die umfang
reichen (frei)zeitraubenden Arbeiten zu dies em Buch.
Munchen, im Februar 1988 D. Widmann, H. Mader, H. Friedrich
Inhaltsverzeichnis
Bezeichnungen und Symbole . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. xv
1 Einleitung . ....................................... .
2 Grundziige der Technologie von Integrierten Schaltungen . .... 3
Literatur zu Kapitel 2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12
3 Schichttechnik .................................... . 13
3.1 Verfahren der Schichterzeugung ........................ . 13
3.1.1 CVD-Verfahren .................................... . 13
3.1.2 Thermische Oxidation ............................... . 21
3.1.3 Aufdampfverfahren ................................. . 28
3.1.4 Sputterverfahren ................................... . 30
3.1.5 Schleuderbeschichtung .............................. . 35
3.1.6 Schichterzeugung mittels Ionenimplantation .............. . 36
3.1.7 Schichterzeugung mittels Wafer-Bonding und Riickatzen ..... . 36
3.1.8 Temperverfahren ................................... . 37
3.2 Die monokristalline Siliziumscheibe .................... . 40
3.2.1 Geometrie und Kristallographie von Siliziumscheiben ....... . 40
3.2.2 Dotierung von Siliziumscheiben ....................... . 41
3.2.3 Zonengezogenes und tiegelgezogenes Silizium ............. . 42
3.3 Epitaxieschichten ................................... . 44
3.3.1 Anwendung von Epitaxieschichten ...................... . 44
3.3.2 Diffusion von Dotieratomen aus dem Substrat in die
Epitaxieschicht .................................... . 46
3.4 Thermische Si02-Schichten ........................... . 49
3.4.1 Anwendung von thermischen SiOz-Schichten .............. . 49
3.4.2 Die LOCOS-Technik ................................ . 50
3.4.3 Charakterisierung von diinnen thermischen Si0 -Schichten ... . 57
2
3.5 Abgeschiedene SiOz-Schichten ......................... . 62
3.5.1 Erzeugung von abgeschiedenen SiOz-Schichten ............ . 63
3.5.2 Anwendung abgeschiedener SiOz-Schichten ............... . 64
3.5.3 Spacertechnik ..................................... . 64
3.5.4 Grabenisolation .................................... . 66
x Inhaltsverzeichnis
3.5.5 SiOz-Isolationsschichten fur die Mehrlagenverdrahtung ...... . 67
3.6 Phosphorglasschichten .............................. . 68
3.6.1 Erzeugung von Phosphorglasschichten ................... . 68
3.6.2 Flow-Glas ........................................ . 70
3.6.3 Thermisches Phosphorglas ........................... . 71
3.7 Siliziumnitridschichten .............................. . 71
3.7.1 Erzeugung von Siliziumnitridschichten .................. . 71
3.7.2 Nitridschichten als Oxidationssperre .................... . 72
3.7.3 Nitridschichten als Kondensator-Dielektrikum ............. . 72
3.7.4 Nitridschichten als Passivierung ....................... . 73
3.8 Polysiliziumschichten ............................... . 74
3.8.1 Erzeugung von Polysiliziumschichten .................... . 74
3.8.2 Kornstruktur von Polysiliziumschichten .................. . 75
3.8.3 Leitfahigkeit von Polysiliziumschichten .................. . 76
3.8.4 Anwendung von Polysiliziumschichten ................... . 78
3.9 Silizidschichten. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82
3.9.1 Erzeugung von Silizidschichten ........................ . 82
3.9.2 Polyzidschichten . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85
3.9.3 Silizierung von Source/Drain-Bereichen .................. . 87
3.10 Refraktar-Metallschichten ............................ . 88
3.11 Aluminiumschichten ................................ . 89
3.11.1 Erzeugung von Aluminiumschichten .................... . 90
3.11.2 Kristallstruktur von Aluminiumschichten ................ . 91
3.11.3 Elektromigration in Aluminiumleiterbahnen .............. . 91
3.11.4 Aluminium-Siliziumkontakte .......................... . 93
3.11.5 Aluminium-Aluminium -Kontakte ....................... . 95
3.12 Organische Schichten ............................... . 96
3.12.1 Spin-on-Glasschichten ............................... . 96
3.12.2 Polyimidschichten .................................. . 97
3.13 Literatur zu Kapitel 3 ............................... . 99
4 Lithographie ...................................... . 101
4.1 StrukturgroBe, Lagefehler und Defekte .................. . 102
4.2 Photolithographie .................................. . 104
4.2.1 Photoresistschichten ................................ . 104
4.2.2 Ausbildung von Photoresiststrukturen ................... . 109
4.2.3 Schwankung der Lichtintensitat im Photoresist ............ . 112
4.2.4 Spezielle Photoresisttechniken ......................... . 117
4.2.5 Optische Belichtungsverfahren ......................... . 123
4.2.6 Auflosungsvermogen der lichtoptischen Belichtungsgerate .... . 127
4.2.7 Justiergenauigkeit von lichtoptischen Belichtungsgeraten ..... . 138
4.2.8 Defekte bei der lichtoptischen Lithographie ............... . 141