Silizium – Der Träger einer Schaltung
Silizium ist ein halbleitendes Material aus der 4. Hauptgruppe des Periodensystems der Elemente. Man spricht von einem Gruppe IV-Halbleiter. Die Nutzung von kristallinem Silizium in Schaltkreisen basiert auf der ausgeprägten Wandlungsfähigkeit der elektrischen Eigenschaften dieses Materials.
Im Urzustand ist kristallines Silizium ein guter Isolator, besitzt also einen großen elektrischen Wider-stand. Der Ladungstransport verläuft sehr schlecht; das Material ist hochohmig.
Durch gezielte Verunreinigungen, der Fachbegriff lautet Dotierung, kann Silizium metallischen Cha-rakter annehmen und eine hohe Leitfähigkeit erreichen; das Material ist nach der Dotierung niederohmig.
Im Vergleich zu anderen Rohstoffen herrscht bei Silizium keine erkennbare Ressourcenknappheit, da etwa 25,8 Gewichtsprozent der Erdkruste aus diesem Element bestehen. Die hohe Materialverfügbar-keit verbunden mit den sehr gut einstellbaren elektrischen Eigenschaften haben zur Folge, dass mehr als 99 % aller integrierten Schaltkreise Silizium als Trägermaterial (auch: Substrat) benutzen. (Quelle: Wikipedia, integrierter Schaltkreis, Substratherstellung 16.11.11).
Ein Maß für die elektrische Qualität des Halbleiterträgers ist die Ladungsträgerbeweglichkeit μ. Physikalisch unterscheidet man zwischen zwei Arten von Ladungsträgern: die positiv geladenen Löcher und die negativ geladenen Elektronen.
Da sich sowohl Löcher als auch Elektronen in Silizium bewegen können, spricht man von einer Löcherbeweglichkeit μp und einer Elektronenbeweglichkeit μn. Aufgrund der geringeren effektiven Masse können sich Elektronen um ein vielfaches schneller im Siliziumkristall bewegen als die trägeren Löcher.
Dieses Verhalten tritt nicht zwangsläufig bei anderen Werkstoffen und Halbleitern auf. Tabelle 1 zeigt einen Überblick von Materialbeweglichkeiten bei einer Temperatur von 300 Kelvin, welche in der Mikroelektronik sowohl in Anwendungs- als auch in Forschungsbereichen wichtige Rollen einnehmen.
Die Beweglichkeit, bei Ladungen spricht man in der Physik auch von der Mobilität, in Verbindung mit einer antreibenden Kraft bestimmt die Geschwindigkeit des Ladungsträgers durch das Material; somit die Maximalgeschwindigkeit eines Bauelementes. Die antreibende Kraft ist das elektrische Feld E, so dass sich folgende Beziehung für die Ladungsträgermobilität ergibt
Neben einer guten Bruchfestigkeit besteht beim Siliziumhalbleiter die Möglichkeit sehr einfach und kostengünstig mittels Oxidation eine Isolationsschicht (SiO2) aufzubringen. Siliziumdioxid wird in mikroelektronischen Schaltungen entweder als dünne Gateoxidschicht für MOS-Transistoren oder zur Baugruppenisolation eingesetzt. Silizium kann in unterschiedlicher Kristallqualität hergestellt werden. Man unterscheidet dabei zwischen monokristallinem (c-Si), polykristallinem (poly) und amorphem (a-Si) Silizium.
Aufgrund der optimalen energetischen Ausrichtung der Siliziumatome über mehrere Atomlagen - jedes Si-Atom besitzt genau den gleichen Abstand und Winkel zu einem seiner vier Nebenatome - weist c-Si die besten elektrischen Eigenschaften auf. Obwohl poly-Si diese perfekte Ausrichtung ebenfalls über einige Atomlagen besitzt, verliert sich diese Struktur irgendwann. Poly-Si besitzt also eine Nahordnung der Atomstruktur, jedoch keine Fernordnung.
Amorphes (griech. gestaltlos) Silizium ist in seiner Atomstruktur ungeordnet und besitzt darum weder Nah-, noch Fernordnung, was einen erschwerten Ladungstransports und reduzierte eine Ladungsträgerbeweglichkeit zur Folge hat. Neben einer Vielzahl verdrehter Bindungswinkel treten im amorphen Material ebenfalls freie, nicht abgesättigte Bindungsarme auf, die sogenannten Dangling-Bonds (siehe Abbildung 2).Wie man in Tabelle 1 erkennen kann, bewegen sich Elektronen im c-Si um den Faktor 1350 schneller als solche in amorphem Silizium.
Trotzdem besitzt a-Si in der Mikroelektronik seine Daseinsberechtigung, denn es besitzt im - für den Menschen - sichtbaren Spektralbereich ein um etwa den Faktor 10 höheres Absorptionsvermögen als c-Si und wird beispielweise in der Photovoltaik oder in Farberkennungsdioden eingesetzt (hier ich Referenz). In der Optoelektronik und der Photovoltaik bezeichnet Absorption die Fähigkeit eines Ma-terials Lichtteilchen (Quanten) – also Photonen – aufzusaugen.
Jedes Lichtteilchen ist mit seiner Eigenenergie potentiell in der Lage im Halbleiter Ladungsträgerpaa-re, das heißt elektrische Energie zu erzeugen. Auf dieser physikalischen Grundlage beruht die Funkti-onsweise von Solarzellen aus Silizium. Im Folgenden werden Methoden zur Herstellung von mono-kristallinem Silizium als Schaltungsträger vorgestellt.
Vom Sand zum integrierten Schaltkreis
Vom Sand zum Polysilizium
Die Erdkruste stellt mit 25,8 Masseprozent das Grundmaterial zur Polysiliziumherstellung in Form von Siliziumdioxid (SiO2, auch Quarzsand) zur Verfügung. Durchmischt man diesen Quarzsand mit Koks (Kohlenstoff) und erhitzt dieses Gemisch auf Temperaturen im Bereich von 1460°C bis 2000°C liefert das SiO2 den notwendigen Sauerstoff um das Koks zu verbrennen. Zurück bleibt Silizium mit einer Reinheit von 96 % - 98 %:
Dieses Roh-Silizium ist aufgrund der hohen Fremdstoffkonzentration für die Mikroelektronik noch nicht nutzbar und wird in diesem Zustand zumeist als Legierungsbestandteil und Desoxidant für Stähle verwendet. Unreinheiten – dies können Eisen, Aluminium, Phosphor, Kohlenstoff oder Borverunreini-gungen sein - werden darum in einem weiteren chemischen Reinigungsschritt reduziert. Abbildung 3 zeigt qualitativ einen Lichtbogenofen zur Gewinnung von Roh-Silizium.
Technisch nutzbares Silizium muss zunächst zermahlen werden, um anschließend in kochender Salz-säure (HCl) bei Temperaturen um 300°C in gasförmiges Siliziumchloroform, besser bekannt als Trichlorsilan (SiHCl3), und Wasserstoff (H2) aufgelöst werden zu können. Trichlorsilan verflüssigt sich unterhalb einer Temperatur von 31,8°C.
Verdampft man Trichlorsilan mit Temperaturen knapp über 31,8°C, so verbleiben Restverunreinigun-gen mit höheren Kondensationstemperaturen in der Ausgangsflüssigkeit. Fremdstoffe mit ähnlichen Siedetemperaturen, wie z.B. Bor5, Phospor 6 und Kohlenstoff verbleiben im destillierten Trichlorsilan. Bei der fraktionierten Destillation entsteht durch Hintereinanderschalten mehrerer Reinigungskolon-nen reinstes SiHCl3. Nun erhitzt man wiederum das flüssige SiHCl3 unter Zugabe von Wasserstoff was dazu führt, dass sich der Dampf auf bereits vorgeheizte (ca. 1100°C) Polysiliziumstäbe (auch: Seelen) in einer Quarzglocke sehr rein ablagert (dissoziiert).
Es findet eine chemische Reduktion des Trichlorsilan zu Silizium statt:
Im Endergebnis erhält man Polysiliziumstäbe mit Durchmessern über 150 mm (bei Seelendurchmes-sern von 2 – 5 mm) mit einer Verunreinigungskonzentration von etwa 1013 Fremdatome / cm³.
Ja, man könnte es an dieser Stelle bereits halbleitertechnisch nutzen, allerdings nur sehr eingeschränkt. Kristallines Silizium besitzt eine Atomdichte von 1022 Atome / cm³. Da die Eigenleitungskonzentrati-on von Silizium bei etwa 1010 Atomen / cm³ liegt, befinden sind noch etwa 1000 Defekte pro cm³ zu viel im Kristallverbund.
Die Defektdichte - also die Störstellen - müssen weiter reduziert werden. Abbildung 4 zeigt Bruchstü-cke aus oxidiertem und unbehandeltem Polysilizium. Die oxidierte Oberfläche reduziert Spiegelungen; man spricht von Oberflächenvergütung. Solche veredelten Polysiliziumplatten werden etwa als Solar-zellen in Photovoltaikmodulen eingesetzt.
Vom Poly- zu monokristallinem Silizium
Zur Herstellung monokristallinen Siliziums gibt es zwei aufeinander aufbauende Herstellungsverfah-ren:
das Czrochalski (CZ) – Verfahren, das sogenannte Tiegelziehen und
das Floatzone (FZ) oder Zonenziehen.
Czrochalski – Verfahren
Beim Tiegelziehen wird das bereits im vorangegangenen Abschnitt vorgestellte, noch zu unsaubere, Polysilizium, als Ausgangsmaterial verwendet. Mittels eines induktiven Widerstandsheizelementes wird der Ausgangsstoff in einem, von einem Graphittiegel umgebenen, Quarztiegel geschmolzen. Im nächsten Schritt wird ein Impfkristall in das verflüssigte Silizium eingetaucht. Unter Rotation (10 – 20 Umdrehungen / min.) wird dieser Kristall langsam (1 – 3 mm /min.) aus der Schmelze gezogen.
Beim Hochziehen des Kristalls lagern sich Siliziumatome aus der Schmelze an diesem ab und nehmen dessen Orientierung an. Durch das Erkalten der Schmelze erhält man im Endergebnis einkristallin aufgewachsene monokristalline Siliziumstäbe in unterschiedlichen Durchmessern. In der Halbleiterin-dustrie werden diese Siliziumstäbe als Ingots (dt. Barren) bezeichnet. Der Aufbau einer Tiegelziehan-lage ist schematisch in Abbildung 5 dargestellt.
Da sich unumgänglich Fremdatome aus dem Quarztiegel in die Schmelze lösen, ist es mit dem CZ-Verfahren nicht möglich hochreine Einkristalle mit hohem Widerstand herzustellen. In Tabelle 2 sind die Vor- und die Nachteile des CZ-Verfahrens aufgelistet.
Floatzone – Verfahren
Ausgangsmaterial für das FZ – Verfahren sind die in Kapitel Crzochalski-Verfahren vorgestellten aufgewachsenen Poly-Stäbe. Diese werden über einen Einkristall eingespannt und das Stabende über dem Kristall mittels Induktionsheizung lokal geschmolzen. Dabei berühren sich Stab und Kristall.
Nun übernimmt die Schmelzzone die Kristallorientierung. Eine Vielzahl von Verunreinigungen wechseln in Silizium bevorzugt von der festen in die flüssige Phase.
Bewegt man nun die Heizung – also die Schmelzzone – mehrfach langsam längs des Stabes nach oben, lösen sich Fremdstoffe in der verflüssigten Zone und werden zum oberen Stabende gezogen. Abbildung 6 zeigt das Schema einer Zonenziehanlage zur Herstellung von monokristallinen Ingots.
Ein Maß wie gut sich Fremdatome aus Silizium lösen lassen ist der Segregationskoeffizient oder Ver-teilungskoeffizient k0.
Möchte man hochreine Stäbe herstellen, muss sich ein Stoff in der flüssigen Phase Cflüssig sehr gut aus Silizium lösen lassen; k0 sollte also idealerweise sehr klein sein. Stoffe wie Bor, Phosphor, Germani-um oder Arsen lassen sich nur schwer aus Silizium lösen. Demgegenüber kann man Stoffe wie Indi-um, Kupfer und Gold gut entfernen. Kohlenstoff und Sauerstoff verharren auch trotz Zonenreinigung im Siliziumstab.
Logischerweise unterscheiden sich die Verteilungskoeffizienten der genannten Stoffe von Grundmate-rial zu Grundmaterial. Da Germanium in der Mikroelektronik ebenfalls als halbleitendes Substrat ge-nutzt wird, stellt Tabelle 3 bedeutende Verunreinigungen von Silizium und Germanium bei dessen Schmelztemperaturen gegenüber [Rug84].
Theoretisch kann man Silizium von sämtlichen Fremdstoffen befreien und bis zur sogenannten Eigenleitungskonzentration reinigen. Die Eigenleitungskonzentration von Silizium beträgt 1010 Atome pro cm-3, sie lässt sich aber großtechnisch praktisch nahezu unmöglich realisieren.
Vom Ingot zum industriellen Wafer
Um zu einer gebrauchsfertigen Halbleiterscheibe (engl. Wafer) mit einer definierten Oberflächenkris-tallorientierung zu gelangen bedarf es folgender Prozessschritte:
Kristallorientierung festlegen,
Wafer vereinzeln,
Dicke einstellen,
Oberfläche polieren,
Ränder abrunden,
Kristalldefekte ausheilen.
Zuerst muss der Silizium-Ingot auf den gewünschten Durchmesser gedreht werden. Da man bestrebt ist möglichst viele Schaltkreise auf einem Wafer zu erzeugen, hat in den letzten vier Jahrzehnten eine rasante Entwicklung der Scheibendurchmesser stattgefunden. Wie man in Abbildung 7 erkennen kann ist der Waferdurchmesser von 1973, hier erfolgte die industrielle Einführung der drei Zoll-Scheiben, bis voraussichtlich 2015 [Cla11] auf 18 Zoll angestiegen.
Das Drehen der Siliziumblöcke bezeichnet man als „grinding“. Im Anschluss daran erzeugt man mit einer Diamantfräse zwei Abflachungen (engl. flats) an den Rändern des Siliziumblocks. Der primary-, auch Orientierungsflat, wird üblicherweise entlang einer hochsymmetrischen Kristallebene (110 oder 100) gefräst. Der etwas kleinere secondary-, oder Kennzeichnungsflat, gibt dem Waferhersteller und –nutzer Auskunft über die Art der Kristallorientierung und der Dotierung.
Abbildung 8 zeigt Anordnungsmöglichkeiten von primary- und secondary flats auf einem Wafer. Im Folgenden werden die Ingots sehr exakt, gemäß der gewünschten späteren Kristallorientierung der Wafer, mit Siegellacken auf Keramikträgern befestigt und mit diamantbeschichteten Sägeblättern in Scheiben gesägt (siehe Abbildung 9) . Da die Schnittbreite etwa 100 μm beträgt, geht ein erheblicher Teil des einkristallinen Materials bei der Vereinzelung verloren. Anschließend werden die vereinzelten Siliziumscheiben auf die gewünschte Dicke mit Flusssäure zurückgeätzt und danach mechanisch ge-schliffen. Gängi-ge Dicken für drei-Zoll-Wafer sind etwa 400 μm.
Beim Schleifen verwendet man üblicherweise Alumiumoxid als Schmiermittel. Um planparallele Flä-chen mit einer Rauheit im Bereich weniger Mikrometer zu erzielen, wird die Körnung der Schleif-scheiben – diese liegt deutlich unterhalb von einem Mikrometer - nach und nach reduziert. Mittels einer Diamantfräse werden nachfolgend die Ränder der Wafer abgerundet. Um Kristallgitterdefekte an der Oberfläche auszuschließen, werden die Scheiben mit verdünnter Salpeter- (HNO3) und Flusssäure geätzt und in einer Verbindung aus Natriumhydroxid, Wasser und Siliziumdioxidkörnern poliert.
Eine letzte - rein chemische - Politur wird mittels einer NaOH-Lösung durchgeführt. Der endbearbeite Siliziumwafer weist üblicherweise eine Oberflächenrauheit von etwa drei Nanometern auf [Hil04]. Um Schwermetalle, aber auch anorganische Verunreinigungen, zu entfernen, kann optional eine Be-handlung mit siedender Salpetersäure oder Königswasser (75 % HCl, 25 % HNO3) erfolgen. Abbil-dung 10 zeigt die Siliziumprodukte die während der Fertigung einer Siliziumscheibe als Träger von Mikroelektronik entstehen.
Aufgabe: Gegeben ist ein Mikrochip μA 741 mit den Abmessungen 1,2 mm x 1,2 mm. Be-rechnen Sie die Anzahl der Chips, die auf einer 3 Zoll, 12 Zoll und einer 18 Zoll Silizium-scheibe ohne flats Platz finden und vergleichen Sie die Größenordnungen miteinander. Gehen Sie vereinfacht davon aus, dass bei der Vereinzelung Sägeblätter mit einem vernachlässigbar dünnen Sägedraht verwendet werden.
