Halbleiterchips bestehen aus vielen Mikroschichten, die kleiner als ein Fingernagel und dünner als Papier sind. Die Halbleiter werden hoch und dicht gestapelt und bilden komplexe Strukturen, die Hochhäusern ähneln.

Um solche Strukturen zu erzeugen, müssen die folgenden Schritte mehrmals wiederholt werden: Lithographie – Beschichten der Oberseite eines einkristallinen Siliziumwafers (dem Rohmaterial für Halbleiter) mit einem dünnen Film und Strukturieren von Schaltkreisen, Ätzen – selektives Entfernen unnötiger Materialien und Anschließend werden die Oberflächenverunreinigungen gereinigt.

Nach dem Ätz- und Reinigungsvorgang dient der dünne Film dazu, die Schaltkreise zu trennen, zu verbinden und zu schützen. Als nächstes stellen wir den Abscheidungsprozess zur Herstellung dünner Filme und den Ionenimplantationsprozess zur Verleihung elektrischer Halbleitereigenschaften vor.

Abscheidungsprozess: Aufbringen dünner Filme auf den Wafer

Der Begriff „dünner Film“ bezieht sich auf einen Film, der 1 Mikrometer (μm) oder dünner ist, eine Dicke, die nicht durch einfache mechanische Bearbeitung erreicht werden kann. Bei der Abscheidung handelt es sich um eine Reihe von Prozessen, bei denen der Wafer mit den gewünschten dünnen Filmen auf molekularer oder atomarer Ebene beschichtet wird. Aufgrund der extrem dünnen Beschaffenheit der Filme sind präzise Techniken erforderlich, um die Filme gleichmäßig auf den Wafer aufzutragen.

Die Ablagerung kann grundsätzlich in zwei Arten unterteilt werden. Diese beiden Arten sind die physikalische Gasphasenabscheidung (PVD) und die chemische Gasphasenabscheidung (CVD).

Die physikalische Gasphasenabscheidung wird hauptsächlich zur Abscheidung von Metallfilmen ohne chemische Reaktionen eingesetzt. Bei der chemischen Gasphasenabscheidung hingegen wird externe Energie auf Partikeldampf angewendet, der durch chemische Gasreaktionen entsteht, und der Dampf wird zur Abscheidung auf die Oberfläche gesprüht. Mit dieser Technik können dünne Filme auf Leitern, Isolatoren und Halbleitern abgeschieden werden.

Die chemische Gasphasenabscheidung ist die am weitesten verbreitete Abscheidungsmethode in aktuellen Halbleiterprozessen. Abhängig von der verwendeten externen Energiequelle kann es weiter in thermisches CVD, Plasma-CVD und fotoinduziertes CVD unterteilt werden. Unter diesen ist Plasma-CVD die häufigste Anwendung, da es Filme bei niedrigen Temperaturen bilden, die Gleichmäßigkeit der Filmdicke steuern und große Volumina bewältigen kann.

Der durch den Abscheidungsprozess gebildete Dünnfilm besteht aus zwei Schichten: einer metallischen (leitenden) Schicht zur Verbindung elektrischer Signale zwischen Schaltkreisen und einer Isolierschicht zur elektrischen Isolierung zwischen internen Verbindungsschichten oder zur Verhinderung des Eindringens von Verunreinigungen.

Ionenimplantation: Wafer in Halbleiter verwandeln.

Zu diesem Zeitpunkt ist noch ein Prozess erforderlich, um dem Halbleiter elektrische Eigenschaften zu verleihen. Halbleiter besitzen sowohl leitende als auch isolierende Eigenschaften, und die Ionenimplantation ist der Prozess, bei dem Siliziumwafer im Wesentlichen in Halbleiter umgewandelt werden. Reines Silizium ist ein Isolator und leitet keinen Strom. Die Zugabe von Verunreinigungen verleiht ihm jedoch Leitfähigkeit und ermöglicht die Übertragung elektrischer Ströme.

Diese Verunreinigungen werden als Ionen bezeichnet. Diese Ionen werden in winzige gasförmige Partikel umgewandelt und dann bis zur gewünschten Tiefe in die Vorderseite des Wafers implantiert. Die verwendeten Verunreinigungen stammen aus der 15. Gruppe (P, Phosphor; As, Arsen) oder der 13. Gruppe (B, Bor) des Periodensystems. Das Implantieren von Elementen aus der 15. Gruppe führt zu einem Halbleiter vom n-Typ (Elektronentyp), während das Implantieren von Elementen aus der 13. Gruppe zu einem Halbleiter vom p-Typ (Lochtyp) führt.

Der Abscheidungsprozess ist entscheidend, da die Dicke und Gleichmäßigkeit der abgeschiedenen Filme die Qualität des Halbleiters bestimmen. Die Dicke zukünftiger Halbleiterschaltkreisstrukturen wird millionenfach dünner sein als die eines menschlichen Haares. Damit diese Schaltkreise elektrische Eigenschaften aufweisen, sind fortschrittlichere Abscheidungstechniken erforderlich, um dünnere und gleichmäßigere Dünnfilme zu erzeugen.

Im nächsten Artikel erfahren wir mehr über Metallverbindungen, die darauf abzielen, die durch Oxidation, Fotolithographie, Ätz- und Abscheidungsprozesse erzeugten Elemente zu verbinden und Schaltkreise zu bilden.