1.2 Halbleitertechnologie im Überblick

Moderne ULSI Technologie stellt extreme Anforderungen an die Reinheit der Fertigungsumgebung, um eine wirtschaftliche Ausbeute zu erhalten. Die Erzeugung von integrierten Schaltungen erfordert hunderte individuelle Prozessschritte. In diesem Kapitel werden die wichtigsten Prozessschritte [6] erklärt, die grob in zwei verschiedene Gruppen eingeteilt werden. Die erste Gruppe umfaßt jene Prozesse, die die Materialstruktur verändern (Ätzen, Deposition, Chemisch-Mechanische Nachbearbeitung). Die zweite beinhaltet Prozessse, die Materialeigenschaften verändern, wie z.B. Ionenimplantation, Oxidation, Diffusion. Da die meisten Schritte nicht auf der gesamten Siliziumscheibenfläche ausgeführt werden, ist eine Selektion vorzunehmen. Dies geschieht mittels Lithographie, die in keiner Gruppe angeführt ist, weil sie für beide notwendig ist.

Lithographie

Lithographie ist der Schlüsselprozess, der für beinahe alle anderen Prozesse benötigt wird. Mit diesem Schritt werden die Entwurfsinformationen auf die Siliziumscheibe gemäß den spezifizierten Mustern definiert. Dazu wird eine strahlungsempfindliche Materialschicht auf die Siliziumscheibe aufgetragen, ausgehärtet und anschließend einer Strahlung ausgesetzt. Üblicherweise wird (sichtbares und) ultraviolettes Licht eingesetzt. Zur Erhöhung der Auflösung geht man in immer kurzwelligere Bereiche, es sind bereits Technologien im Einsatz, die auf Röntgenstrahlen beruhen, oder gänzlich neuartige Verfahren (Elektronenprojektionslithographie, Ionenprojektionslithographie), die z.Z. keine Limitierung der Miniaturisierung vorgeben (optische Lithographie 0.1 $\protect{\mbox{{\usefont{U}{eur}{m}{n}\char22}}}$m). Trotzdem sind immer noch einige Probleme offen (Maskenerzeugung, Maskenhaltbarkeit, Durchsatzerhöhung).

Nach der Belichtung erfolgt das Nachbacken, um die Form der Muster zu verbessern, besonders Effekte durch stehende Wellen werden dabei reduziert. Danach wird der Fotolack entwickelt, der bestrahlte Teil entsprechend der Maske wird entfernt und schließlich wird noch einmal ein Backverfahren durchgeführt.

Ätzen

Der Ätzprozess dient entweder dazu, um ganze Materialschichten von der Siliziumscheibe zu entfernen (z.B. das Entfernen der Oxidschicht nach der Ionenimplantation) oder um selektiv bestimmte Teile des Materials (z.B. entsprechend den lithographisch erzeugten Maskenmuster) abzutragen. Dies geschieht fast ausschließlich mit nasschemischen oder trockenen, plasmaunterstützten Ätzverfahren.

Alle industriellen, nasschemischen Verfahren sind in ihrer Ätzwirkung richtungsunabhängig (isotrop). Sie besitzen zwar meist eine sehr hohe Selektivität bezüglich Substrat und Maske, d.h. sie weisen stark unterschiedliche Ätzraten auf entsprechend dem geätzten Material. Aber das isotrope Verhalten sorgt für Unterschneiden der Maskenmuster und begrenzt die Auflösungsgröße auf ca. 1 $\protect{\mbox{{\usefont{U}{eur}{m}{n}\char22}}}$m, deshalb wird es nur noch für unkritische Ätzschritte eingesetzt.

Trockenätzverfahren sind heutzutage die wichtigsten Strukturübertragungsprozesse, da sie durch hohe Anisotropie prädestiniert für sehr genaue Übertragung der immer kleiner werdenden Maskenstrukturen sind. Dabei verwendet man Gase, die in Plasmakammern dissoziiert werden, um die Oberflächenreaktion auszuführen, zu katalysieren oder das Material rein physikalisch abzutragen. Manchmal werden auch Ionenstrahlen eingesetzt. Die Ätzcharakteristik hängt hauptsächlich vom Druck in der Plasmakammer ab: je kleiner der Druck, desto besser die Auflösung. Nachteil dieser Verfahren ist eine kleine Selektivität, die allerdings durch Steigerung des Kammerdruckes erhöht werden kann, was auch die chemische Reaktionsrate steigen läßt.

Deposition

Zur Produktion integrierter Schaltungen sind einige Schichten auf die Siliziumscheibe zu deponieren. Diese Schichten (dünnen Filme) werden Teil der integrierten Schaltungen, oder dienen als zwischenliegende Schichten, die während nachfolgender Prozessschritte notwendig sind und später wieder gänzlich entfernt werden. Die Dicke beträgt zwischen 10 nm und einigen  $\rm\protect{\mbox{{\usefont{U}{eur}{m}{n}\char22}}}m$, die deponierten Materialien sind dotierte Halbleiter, Isolatoren, Metalle und Dielektrika.

Die wichtigsten Depositionstechniken sind PVD-Verfahren (Physical Vapor Deposition: Sputtern, Aufdampfen) und CVD-Verfahren (Chemical Vapor Deposition: Schleuderverfahren) und Kombinationen dieser beiden Methoden, da diese folgende Vorteile bieten, wie gute Prozesskontrolle über vielfältige Prozessparameter, hohe Reinheit der Reaktanten und die große Anzahl der möglichen chemischen Kompositionen. Da der Depositionsprozess gleichförmig auf die ganze Scheibe angewandt wird, ist nachher ein Masken- und ein Ätzprozess notwendig. Für die Metallisierung wird fast ausschließlich PVD-Deposition verwendet und am Ende dieses Abschnitts behandelt.

CVD-Verfahren basieren auf einer chemischen Reaktion oder einer Zersetzung von einer Gasphase bei hohen Temperaturen. Typische Materialien sind Polysilizium, Siliziumdioxid, Nitrid und verschiedene Silikate. In Fällen, wo keine hohen Substrattemperaturen erlaubt sind, bietet plasmaverbessertes CVD Abhilfe, dabei besteht die Aufgabe des Plasmas vor allem darin chemisch aktive Radikale zu erzeugen, die an der Substratoberfläche reagieren.

Oxidation

Mittels Oxidation werden Siliziumdioxidschichten erzeugt, die als Isolatoren (z.B. Feldoxid zwischen Transistoren, zwischen den Verbindungsleitungen), und als Masken für Ionenimplantation dienen. Während des Oxidationsprozesses werden Sauerstoff- oder Wassermoleküle benützt um Silizium in Siliziumdioxid umzuwandeln. Dementsprechend spricht man von nasser oder trockener Oxidation. Um diesen Prozess zu verbessern, wird die Temperatur angehoben, zusätzliche Beeinflussung ist möglich mittels Druck und Substratdotierung.

Die hohe Qualität und die mechanischen Eigenschaften, die mit thermischer Oxidation erreicht werden, sind die bedeutendsten Gründe, dass Silizium noch immer das dominierende Halbleitermaterial ist. Hierbei ist allerdings noch anzumerken, dass gerade für die Verbindungsleitungen zunehmend neue Materialien mit kleiner Permittivität, sogenannte ``low-k'' Dielektrika, als Isolatoren an Interesse gewinnen. Diese Materialien haben wesentlichen Anteil an der Verringerung des kapazitiven Übersprechens, aber die zumeist schlechten thermischen Eigenschaften (thermische Leitfähigkeit in etwa nur 10% von Siliziumdioxid) begrenzen ihren Einsatz.

Chemisch-Mechanisches Polieren

Da viele verschiedene Prozessschritte die Topographie der Siliziumscheibenoberfläche verändern, wird die Oberfläche nichtplanar. Dies führt vor allem zu Problemen für Lithographieprozesse, weil nichtplanare Oberflächen eine höhere Fokustiefe erfordern und dies den Anforderungen von hohen Aperturen der Belichtungssysteme (zur Garantie einer kleinen Auflösungsgröße) entgegenläuft. Würde man nicht planarisieren, wäre die Lithographie für die oberen Schichten nicht durchführbar. Deshalb ist nach jedem Metallisierungsschritt eine Planarisierung durchzuführen, wofür sich chemisch-mechanisches Polieren (CMP) durchgesetzt hat. Dabei wird ein chemischer Schlamm als Ätzmittel und als Schleifmaterial gleichermaßen verwendet.

Ionenimplantation

Ionenimplantation ist die am weitesten verbreitete Technik, um Dopanden, die zunächst ionisiert werden, in zu dotierende Halbleiter zu bringen. Dort werden sie durch Stöße mit den Atomen des Substratmaterials gebremst und kommen schließlich zur Ruhe. Die mittlere Eindringtiefe der Dopanden hängt von der kinetischen Energie des Ions ab, welche sehr genau über die Beschleunigungsspannung kontrolliert werden kann. Außerdem kann die Dosis sehr genau festgelegt werden. Mit diesem Verfahren lassen sich flache, niedrig dotierte Schichten herstellen (im Gegensatz zur Diffusion), man erhält einen einheitlichen Dotierungsverlauf über der Scheibe.

Diese Technik benötigt allerdings immer eine Temperaturbehandlung, da die Kristallstruktur des Halbleiters durch den Beschuß mit Ionen beschädigt wird. Die thermische Nachbehandlung limitiert die Auflösung des eingeprägten Dotierungsprofils, da dadurch noch kleine Verschiebungen der Dopanden auftreten. Eine weitere Besonderheit dieser Technik ist das Auftreten des Channeling-Effektes bei monokristallinen Materialien, weil es durch die vorgegebene Anisotropie zu weniger Kollisionen kommt und die Eindringtiefe steigt; diese Schwierigkeit läßt sich allerdings durch eine kleine Änderung des Einfallswinkels in Bezug auf die Kanalachse im Kristall beheben.

Diffusion

Die Bewegung der Dotieratome gemäß eines Gradienten in einem Halbleitermaterial wird als Diffusion bezeichnet. Dies geschieht bei hohen Temperaturen, entweder als beabsichtigter oder als parasitärer Effekt. Nachdem moderne integrierte Schaltungen seichte Sperrschichten favorisieren, muss die Diffusion von Dotierstoffen minimal gehalten werden. Anwendung findet Diffusion in der Halbleitertechnologie, wobei Dotierstoffe aus einer chemischen Dampfquelle eingebaut werden. Dabei wird von der Löslichkeitsgrenze bei der Dotierung von Silizium aus der Quelle Gebrauch gemacht, um eine definierte Menge an Dotierstoffen reproduzierbar einzubringen.

Verschiedene Verfahren zur Aufbringung der Metallisierung

Verbindungsleitungen zwischen aktiven Bauelementen sind in zunehmenden Maße wichtige Bestandteile in integrierten Schaltungen. Sie sind ausschließlich (mit der Ausnahme von einigen lokalen Verbindungen aus Polysilizium) aus Metall oder Metalllegierungen gemacht, die zwischen Siliziumdioxid oder anderen Dielektrika untergebracht sind. Abbildung 1.1 illustriert deutlich die hierarchische Skalierung einer typischen Verbindungsstruktur.

Abbildung 1.1: Querschnitt durch eine Verbindungsstruktur

Abbildung 1.2: Konventionelles Verfahren (Al): Die positive Maske gibt die Struktur für das Metallätzen vor. Dielektrische Deposition folgt, abschließend wird ein CMP Schritt durchgeführt.

Damascene Verfahren (Cu): Die negative Maske dient als Vorlage um nach dem Ätzen des Dielektrikums und dem Entfernen der lichtempfindlichen Schicht Metall zu deponieren. Nach dem CMP Prozess folgt die dielektrische Deposition.

Abbildung 1.3: Damascene Verfahren: Entsprechend dem Muster wird das Via geätzt, mit Metall aufgefüllt, planarisiert (Metall CMP Schritt), Nitrit und Dielektrikum deponiert, anschließend Photolack aufgetragen, belichtet, Dielektrikum geätzt, Leiterbarriere und dann Cu aufgebracht, abschließend ein Metall CMP Schritt.

Die Abb. 1.2 stellt einem konventionellen Verfahren das Damascene-Verfahren gegenüber. Dual-Damascene Strukturen haben den Vorteil von geringeren Kosten als andere Verfahren, da der Dual-Damascene-Prozess in einem Prozessschritt sowohl den Leiter als auch das Via formt (Abb. 1.3). Daher ist nur eine Metallschicht aufzubringen und ein Metall CMP Schritt für jede Schicht der Verbindungsleitungen erforderlich, woraus weniger Prozessschritte notwendig sind als für Single-Damascene-Verfahren. Dual-Damascene ermöglicht weiters geringere Via-Widerstände und verbesserte Zuverlässigkeit durch Verringerung der Grenzschichten im Via.

Die Deposition der Verbindungsleitungen erfolgt praktisch ausschließlich mittels PVD-Verfahren, wobei Sputtern erste Wahl bei Al ist. Dabei erfolgt ein Bombardment mit energiereichen Ionen auf das Target in Kammern mit niedrigen Druck. Diese Moleküle verbinden sich dann mit der Siliziumscheibe. Auch Verbundmaterialien (TiN, TiW, ...) lassen sich durch Sputtern zuverlässig aufbringen. Alternativ zu diesem Verfahren lassen sich die Teilchen auch aus einer Dampfphase auf die Siliziumscheibe abscheiden, oder elektrochemische Depositionsverfahren anwenden. Bei Cu verwendet man ``Electroplating'' (galvanische Abscheidung) nachdem mit PVD ein ``seed-layer'' aufgebracht wurde. Als Beispiel eines elektrochemischen Depositionsverfahren sei hier [7] angeführt: Die Aufbringung dünnerer CVD-Cu-Schichten gefolgt von einer dickeren PVD-Cu-Schicht demonstriert hervorragende Fülleigenschaften von Vias in Cu Dual-damascene Verbindungsleitungen und ermöglicht gute Strom-Spannungsverhalten der Vias.