Welche (vier) grundsätzlichen Ätzverfahren werden zur Strukturierung von Halbleiterbauelementen eingesetzt? Welche davon gehören zu den Trockenätzverfahren?
Skizzieren Sie ein isotropes und ein anisotropes Ätzprofil!
Nennen Sie je ein Ätzverfahren, mit dem man ein isotropes bzw. anisotropes Ätzprofil erhält!
Mittels isotropen Ätzens können runde Strukturen und Strukturen mit beliebigen Winkeln zur Kristallrichtung erzeugt werden.
ISOTROP: nasschemisches Ätzen
ANISOTROP: Ionenätzen
Der Ätzangriff erfolgt durch zwei unterschiedliche Mechanismen.
Ordnen Sie diese Mechanismen den verschiedenen Trockenätzverfahren zu!
Physikalisch:
Reaktives Ionenätzen / Reaktives Ionenstrahlätzen,
Ionenätzen / Ionenstrahlätzen
Chemisch:
Barrelätzen,
Plasmaätzen (physikalisch gestützt),
Reaktives Ionenätzen / Reaktives Ionenstrahlätzen
Was versteht man bei Ätzen unter Isotropie?
Materialabtrag in jeder Richtung.
wird v.a. beim Abtrag kompletter Schichten genutzt
eine gezielte Strukturierung von Schichten ist auf Grund der freien Bewegungsrichtung der für die Ätzung verantwortlichen Teilchen kaum möglich.
Erklären Sie den Begriff der Selektivität!
Welche Ätzverfahren besitzen eine hohe, welche eine geringe Selektivität?
Erklären Sie den Begriffe Selektivität!
Selektivität S gibt das Verhältnis an, zwischen Abtragung zu ätzender Schicht und der zu erhaltenden Schicht.
Wenn eine Schicht zehnmal so schnell geätzt wird, wie z.B. danebenliegende Lackschicht
Selektivität von 10:1 zwischen diesen Materialien.
Man ist stets bestrebt eine möglichst hohe Selektivität zwischen Substrat- und Lackschicht zu erzielen.
Bei Plasmaätzen wird Silizium mit Tetrafluormethan geätzt.
Ordnen Sie das Verfahren hinsichtlich des Mechanismus des Ätzangriffes, der Isotropie und der Selektivität ein!
Mechanismus
chemisch
Isotropie
weitgehend Isotrop
Selektivität
hoch
Skizzieren Sie die typische Anordnung einer Anlage zum Ionenätzen!
Mit Ionenätzen lassen sich nur Strukturen erzeugen, deren Tiefe maximal das 2- bis 3-fache der Maskendicke beträgt.
Erklären Sie diese Einschränkung!
Sputtern ist wenig selektiv und es lässt sich nicht vermeiden, dass die Masken stark angegriffen werden.
Welches Ätzverfahren ist hinsichtlich Selektivität, Anisotropie und Produktivität (hoher Ätzrate) das beste und wird daher häufig eingesetzt?
reaktives Ionenätzen
(erzeugt ebenso senkrechte Wänder der Ätzgräben)
Wodurch wird erreicht, dass beim Reaktiven Ionenätzen senkrechte Wände der Ätzgräben entstehen?
Seitenwandpassivierung
Ätzgase besonders zusammengesetzt
Polymere schlagen an Seitenwänden nieder
weiterer chem. Angriff auf Substrat wird verhindert
ABER: Ionen zerstören Polymere
Wozu dient chemisch-mechanisches Polieren?
Dem Planieren des Wafers.
nach Ätzen Wafer uneben
weitere Prozessschritte behindert
Photolithographie erzeugt verzerrte Maskenabbilder
—> CMP als Standardverfahren
Welche grundsätzlichen Möglichkeiten bieten sich, die Oberflächeneigenschaften eines Substrats zu verändern?
Geben Sie als Beispiel an, auf welche unterschiedliche Weise man Siliziumdioxid-Schichten erzeugen kann!
CVD
(chemical vapor deposition)
Was versteht man unter der Konformität einer Beschichtung?
Skizzieren Sie eine ideal konforme, eine nicht ideal konforme und eine ungleichmäßige Beschichtung!
Konformität K: Quotient aus den Abscheideratenin vertikaler (R v ) und horizontaler (R h ) Richtung.
Welche grundsätzlichen Verfahren hinsichtlich der Erzeugung der Dämpfe für die physikalische Gasphasenabscheidung gibt es, und welches der Verfahren wird bei der Herstellung integrierter Schaltkreise eingesetzt?
Verfahren:
Physical Vapor Deposition (PVD),
Chemical Vapor Deposition (CVD)
Einsatz integrierte Schaltkreise: PVD
Erklären Sie den Vorgang der Kathodenzerstäubung und skizzieren Sie eine Anordnung für die Beschichtung durch Kathodenzerstäubung!
zu zerstäubende Material als “Target” im Vakuum
Zündung Argonplasma, Target: Annode
Target wir durch Beschuß zerstäubt
kondensierung auf Subtraten in Kammer
Substrat befindet sich aus unteren geerdeten Platten.
Welches Ziel verfolgt man mit kollimiertem Sputtern?
Ablatieren:
Durch schlagartige Energiezufuhr in ein kleines Volumen werden Atome des Targets verdampft und ionisiert.
Herstellung diamantähnlicher Kohlenstoffe
einfach Herstellung vielschichtiger Lagen
Erklären Sie die Phasen der chemischen Abscheidung aus der Gasphase!
Welche Schichten (Material, Funktion) werden bei der Herstellung integrierter Schaltungen mittels CVD abgeschieden?
Für welche Schichten kommen andere Verfahren zum Einsatz?
Abscheiden einer Feststoffkomponente aus der Gasphase
…?
Unter welchen Bedingungen ist die Diffusion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt der CVD, und unter welchen die chemische Reaktion an der Oberfläche?
Bei zu hoher Temperatur Reaktion bereits im Gasraum —> Erzeugung von Partikeln
Welche beiden Teilschritte gibt es bei der CVD, die die Geschwindigkeit der Schichtbildung bestimmen können?
Diffusion
chemische Reaktion
Was kann man über die Konformität der Abscheidung aussagen, wenn die Diffusion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist?
Für welches CVD-Verfahren trifft das zu?
Diffusionsbegrenzend: —> Abschattung
APCVD (Atmospheric Pressure CVD)
durch hohen Druck und Temperatur reagiert jedes Molekül bei auftreffen auf die Oberfläche
reaktionsbegrenzend: —> konform
LPCVD (Low Pressure CVD)
Wie werden die Substrate (Wafer) angeordnet, wenn die Oberflächenreaktion der geschwindigkeitsbestimmende Schritt ist?
Welche Prozessgröße ist in diesem Fall entscheidend für den Ablauf der Beschichtung?
LPCVD
Scheiben in geringem Abstand stehend
50-200 Wafer pro Charge
Bestimmende Größe
Substrattemperatur bestimmt Abscheiderate
Zeit —> langsame SChichtbildung
Welches CVD-Verfahren wählen Sie, wenn Sie eine konforme Abscheidung erreichen wollen?
Low Pressure Chemical Vapor Deposition.
Welches Verfahren hinsichtlich der verwendeten Reaktanten hat sich bei der Abscheidung von SiO2 -Schichten mit CVD durchgesetzt?
Low Pressure Chemical Vapor Disposition
Welches Ziel verfolgt man im Rahmen der Silizium-Technologie mit dem Einsatz von PECVD und MOCVD an Stelle anderer CVD-Verfahren?
Abscheidung bei niedrigen Temperaturen
Welche Metalle werden bei der Herstellung integrierter Schaltungen verwendet, und wie werden sie abgeschieden?
Molybdän
Tantal
Titan
Nickel
Wolfram
Abscheidung mittels LPCVD
—> Kupfer mittels Electro Chemial Deposition (ECD)
—> Titannitrid mittels Metal Organic CVD
Was versteht man unter Epitaxie?
Für welche Halbleiter ist die epitaktische Schichtabscheidung ein unverzichtbares Fertigungsverfahren?
Epitaxie
geordnetes Kristallwachstum auf einkristallinem Substrat
wachsende Schicht folgt Kristallstruktur des Stubstrat
Homoepitaxie
Substrat und Schicht aus gleichem Material
Heteroepitaxie
Substrat und Schicht aus unterschiedlichem Material
—> III-V-Verbindungshalbleiter
(bes. bei Basis GalliumNitrid: blau/weiß/grün LEDs)
Unter welchen thermodynamischen Bedingungen kann man epitaktische Schichten aus der Gasphase abscheiden?
Welche Bedingungen gelten dabei für die Gasphasenepitaxie bei Atmosphärendruck (APVPE) und die Molekularstrahlepitaxie (MBE)?
Bedingung Molekularstrahlepitaxie (MBE):
Thermodynamisches Gleichgewicht —> konstanter Teilchenfluß
Welche Plätze nehmen die Dotierungselemente im Kristallgitter ein, und welcher Diffusionsmechanismus folgt daraus?
Silizium: Leerstellendiffusion
—> Thermische Diffusion
Vergleichen Sie die Qualität der durch trockene/nasse Oxydation bzw. CVD erzeugten SiO2-Schichten!
Nasse Oxidation:
- größere Aufwachsraten bei gleicher Temperatur
- Schichtqualität schlechter
Trockene Oxidation:
- dickere Schichten aber erhöhte Druckspannung
Bei welcher Temperatur erfolgt die thermische Oxydation von Silizium, und wie schränkt das die Einsatzmöglichkeiten dieses Verfahrens bei der Herstellung integrierter Schaltungen ein?
Bei Raumtemperatur
Einschränkung: Volumenzunahme in Richtung Substrat Rand, stärkere Druckspannung in Schicht
1. Welche beiden Anordnungen für das Dotieren durch thermische Diffusion gibt es, und zu welchen Konzentrationsprofilen führen die Verfahren (Skizzieren Sie die Konzentration als Funktion des Abstands von der Oberfläche)?
Nennen Sie die Vorteile der Ionenimplantation gegenüber der Dotierung durch thermische Diffusion!
steile Flanken der Dotierprofile
max der Konzentration des Dotierelement im inneren des Substrates
Dotierelementunabhängig bestimmbare Implantationstiefe
komplizierte Profile durch schrittweise Implantation unterschiedlicher Energie möglich
Maskierung durch Photoresist-Masken möglich, da Implantation bei niedrigen stattfindet.
implantierten Bereiche reichen nur wenig in den durch Masken abgedeckten Teil des Substrats.
Implantationszeit im Bereich von s bis m ermöglicht wirtschaftliche Fertigung.
Was versteht man unter „Channeling“ und wie geht man mit diesem Effekt um?
Gitterführungseffekt
Vermeidung:
Substrat kippen (7°-10°), ggf. drehen damit Strahl nicht in Kanalrichtung eintritt
Kristallordnung der Oberflächenschicht durch Amorphisierungsdosis zerstören
Oberflächenstreuschicht um Ionenstrahl vor Eintritt diffus zu steruen
Welche wesentliche Baugruppen enthält ein Implanter?
Ionenquelle
Extraktor / Vorbeschleuniger
Massenfilter
Beschleunigungseinheit
Linsen, Ablenkeinheit
Prozesskammer
Erklären Sie das Verfahren der Ionenimplantation!
Das Ion wird durch Coulomb-Wechselwirkung
mit Atomen
Kernstösse
Nuclear Stopping - elastischer Energieverlust
und Elektronen
Anregung Elektronenhülle
Electric Stopping - unelastischer Energieverlust
des Substrat abgebremst.
Ion bleibt nach Abgabe der kinetischen Energie im Festkörper stecken.
Welche Energie haben die für die Ionenimplantation verwendeten Ionen, und durch welche Wechselwirkungsprozesse werden sie abgebremst?
Welcher der Prozesse dominiert im betrachteten Energiebereich?
???
Durch welche Funktion kann man in guter Näherung das Implantationsprofil beschreiben?
Skizzieren Sie die Konzentration der implantierten Ionen als Funktion des Abstands von der Oberfläche (Tiefe)!
Gauß- Verteilung
Welche Größenordnung haben die Reichweite und die Reichweitestreuung der implantierten Ionen für Primärenergien von einigen 100 keV?
Bis zu welcher Tiefe kann mittels Ionenimplantation dotiert werden?
Reichweite: —> ~700nm
Streuung: —> ~120nm
Welche Wirkung haben die eindringenden Ionen auf das Siliziumgitter und welcher Prozessschritt muss daher auf die Ionenimplantation folgen.
Ion verursacht Stoßkaskade
einige Atome befinden sich auf Zwischengitterplätzen
—> Frenkel-Defekte
Welche Maßnahmen bei der Fertigung garantieren eine hohe Ausbeute bei den fertigen Bauelementen?
Wann werden im Rahmen der Fertigung die Schaltkreise getestet?
Im Frontend stichprobenartige Test (process control monitoring)
Platz eines Chips – (drop-in) oder
Sägestraße (scribe lines)
nach Front-End werden i.d.R. alle ICs auf Funktion geteste
Wafer-Prober
Welche Schritte gehören zur Back-end Fertigung?
Erklären Sie den Begriff „Die Bonding“! Wie erfolgt die Verbindung zwischen dem Die und dem Leadframe?
Die-Bonding:
Verfahrensschritt der Befestigung (leitend kleben oder löten) der vereinzelten Bruchstücke des Wafers auf einer Grundplatte (Lead-Frame)
Nennen Sie zwei Verbindungstechniken beim Drahtbonden! Aus welchen Materialien bestehen jeweils die verwendeten Bonddrähte?
Thermosonic-Ball-Wedge-Bonden
Golddraht
Ultraschall-Wedge-Wedge-Bonden
Aluminium bzw. aluminium-Silizium-Draht
Nennen Sie die drei gängigen Grundtypen von Gehäusen und beurteilen Sie sie hinsichtlich Kosten, Dichtigkeit und Wärmeableitung!
Welche Fragestellungen ergeben sich für die prozessbegleitende Analytik? Nennen Sie mindestens 4 Fragestellungen und geben sie je eine Methode an, mit der die gesuchte Information ermittelt werden kann!
Wieso ist ein Rasterelektronenmikroskop besser als ein Lichtmikroskop zur Inspektion strukturierter Oberflächen geeignet?
Kleine Strahlapertur der Elektronensonde:
rauhe Objekte können scharf abgebildet werden
Welche analytischen Verfahren kann man einsetzen, um Informationen über die chemische Zusammensetzung der Oberfläche zu erhalten?
Elektrostrahlverfahren
Energie- und Wellenlängendispersive Röntgenanalyse (EDX/WDX)
Einsatz von Halbleitern mit hoher Energieauflösung
Erklären Sie, wie Sie mit Hilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) die Topografie einer Oberfläche darstellen können!
Auslenkung des Cantilever (Blattfeder) wird kapazitiv oder optisch erfasst.
Maß für zwischen Spitze und Probe wirkenden atomaren Kräfte
Welches analytische Verfahren ist geeignet, die Verteilung der Dotierungselemente in einem Halbleiter zu untersuchen?
Augerelktronenspektroskopie (AES)
Emmision des Augere-Elektron gibt Auskunft über die Elemente
Alle Elemente außer Wasserstoff und Helium (<3 Elektronen)
Mit welchen Verfahren kann man die Ladungsträgerkonzentration an p-n-Übergängen messen?
Rasterkapazitätsmikroskopie
Wechselspannung an Sonde
abwechselnde An-/Abreicherung der Oberflächenschicht
Kapazitätsmessung zwischen Sonde und Probe
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