DieHalbleitertechnik (HLT) ist ein technischer Fachbereich, der sich mit Entwurf und Fertigung von Produkten auf der Basis vonHalbleitermaterialien beschäftigt, vor allem mit denen für mikroelektronische Baugruppen, beispielsweiseintegrierte Schaltungen. Historisch wird sie, aufgrund der Verwendung der Produkte als Schlüsselkomponenten in elektrotechnischen Erzeugnissen, als Teilgebiet derElektrotechnik, speziell derMikroelektronik undNanoelektronik, gesehen. Trifft man die Zuordnung aufgrund der eingesetzten Methoden, Verfahren und materialtechnischen Eigenschaften der hergestellten Produkte, ist auch eine Zuordnung zu den BereichenChemietechnik undKeramik möglich.
Verwandte oder abgeleitete Fachbereiche sind dieMikrosystemtechnik und diePhotovoltaik. Diese beiden nutzen ebenfalls Verfahren der Halbleitertechnik, verwenden aber im Kern keine mikroelektronischen Schaltkreise. Da die Grenzen zur Halbleitertechnik fließend sind, werden jedoch zunehmend auch Mikrosysteme und die Auswertungselektronik auf einemSubstratintegriert; beispielsweise beiSmart-Sensoren.
In der Praxis gibt es zwei verschiedene Sichtweisen auf die Halbleitertechnik:
Die von der Halbleitertechnik eingesetzten Verfahren sind sowohl chemischer als auch physikalischer Natur. So werden neben chemischenBeschichtungsverfahren, Ätz- und Reinigungsprozessen auch physikalische Methoden eingesetzt, wie physikalische Beschichtungs- und Reinigungsverfahren,Ionenimplantation,Kristallisation oder Temperaturprozesse (Diffusion,Ausheizen,Aufschmelzen etc.). Weitere Verfahren nutzen sowohl chemische als auch physikalische Prozesse, beispielsweise dieFotolithografie oder daschemisch-mechanische Planarisieren. Darüber hinaus werden unterschiedlichsteMessverfahren zur Charakterisierung undProzesskontrolle eingesetzt.
Für die Herstellung von (mikro-)elektronischen Schaltungen werden die Verfahren der Halbleitertechnik in einer bestimmten Folge auf einem Substrat angewendet. Als Substrat dient hierbei meist eine weniger als ein Millimeter dünne Scheibe eines Halbleiter-Einkristalls (meistSilizium), ein sogenannterWafer. Vor allem bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird die Funktion der elektronischen Bauelemente und Baugruppen in einem oberflächennahen Bereich (max. 1 µm tief, moderne CMOS-Schaltkreise für niedrige Spannungen unterhalb von 100 nm Tiefe) auf einer Seite des Wafers realisiert. In diesem Bereich werden die Materialeigenschaften (vor allem die elektrischen) des Wafers gezielt verändert und bei Bedarf strukturiert (Material entfernt und ggf. mit einem anderen Werkstoff gefüllt). Dieses Prinzip geht auf das vonJean Hoerni erfundenePlanarverfahren zur Herstellung vonTransistoren zurück. Nach der Definition der elektronischen Bauelemente werden diese durch Auftragen mehrerer strukturierter Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften (Schichten mit bestimmter Leitfähigkeit,Isolierschichten undLeiterbahnen) elektrisch kontaktiert und miteinander verbunden. In diesem Bereich können elektrische Bauelemente wieKondensatoren (beispielsweise beimDRAM) realisiert werden. Weitere Details zu diesem Thema finden sich im AbschnittHerstellung des Artikelsintegrierter Schaltkreis.
Nachfolgend werden die in der Halbleitertechnik angewandten Verfahren und deren Anwendung gruppiert nach Prozessfolgen für bestimmte Funktionen vorgestellt. Spezielle Anforderungen an alle Fertigungsverfahren und Produktionsanlagen ergeben sich aus den Abmaßen der zu fertigenden Bauelemente. Diese liegen je nachTechnologieknoten der mikroelektronischen Bauelemente unterhalb von einem Mikrometer und kleiner (in modernen Produkten kleiner 30 Nanometer). Daher wird Partikelfreiheit im eigentlichen Herstellungsprozess, in der Fertigungs- und Waferhantierungsumgebung gefordert (Reinraumherstellung).
Im engeren Sinn wird die Herstellung des Ausgangsmaterials nicht unter Halbleitertechnik gefasst, soll hier aber zur Vollständigkeit beschrieben werden:Bei der Gewinnung von Halbleitermaterialien (Silizium,Germanium,Verbindungshalbleiter wieGallium-Arsenid undSiliziumgermanium) werden durch chemische und chemisch-metallurgische Verfahren hochreineEinkristallsubstrate erzeugt (in wenigen Fällen, z. B. fürSolarzellen, sind auchpolykristalline Substrate im Einsatz). Um die einwandfreie Funktion der später zu realisierenden Bauteile zu gewährleisten, ist ein qualitativ hochwertiges Substratmaterial erforderlich. Angestrebt wird ein möglichst fehlerfrei kristallisiertes, reines, homogenes Basismaterial. Sind diese Anforderungen nicht erfüllt, so können z. B. bei einzelnen Transistoren zufällig erhöhteLeckströme oder veränderteArbeitspunkte auftreten. Auf Metallverunreinigungen liegt ein besonderes Augenmerk. Die Verunreinigungsniveaus liegen hier in Bereichen von Milliardstel (ppb-Bereich) oder Billionstel (ppt-Bereich).
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Im Fall von Silizium wird aus einer mehrfach gereinigten Schmelze ausgehend von einem Keimkristall ein Zylinder von heute (2012) bis zu 300 mm Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen (sieheCzochralski-Verfahren undZonenschmelzverfahren). Der Zylinder wird in Scheiben (Wafer) mit einer Dicke kleiner einem Millimeter zersägt, die anschließend geschliffen und poliert werden. In dieser Form findet das Halbleitermaterial üblicherweise Eingang in die eigentliche Fertigung der Bauelemente. Vor allem in den Fertigungsstätten werden die Wafer dann in sogenannten FOUPs (engl.:front opening unified pod, dt.einheitliche Halterung mit frontaler Öffnung) transportiert; für den Transport außerhalb vollautomatischer Fertigungsanlagen werden sogenannte FOSBs (engl.:front opening shipping box, dt.Versandbehälter mit frontaler Öffnung) eingesetzt.
Zu den weltweit größten Herstellern von Siliziumwafern zählt das deutsche ChemieunternehmenWacker/Siltronic.
Um auf dem Substrat verschiedene Bauteile und Schaltungselemente realisieren zu können, müssen auf dem Ausgangsmaterial Gebiete definiert werden, die vom folgenden Prozessschritt betroffen sind und solche, die nicht betroffen sind. Dazu wird dieFotolithografie – ein fotografisches Verfahren – eingesetzt (vereinfachte Darstellung):
Damit sind die Teile des Wafers durch den Fotolack abgedeckt, die durch die folgenden Prozessschritte unverändert bleiben.
Die Strukturübertragung mittels Fotolithografie – einer der teuersten Prozessschritte in der Halbleiterherstellung – ist eine Herausforderung in der auf Steigerung der Integrationsdichte durch Verkleinerung setzenden Planarhalbleitertechnik. Die Gesetze der Optik begrenzen hier schon heute die Möglichkeit zur weiteren Strukturverkleinerung (sieheAuflösungsvermögen). Daneben stößt man inzwischen aber auch bei anderen Prozessschritten an z. B. materialbedingte Grenzen. So erlauben z. B. die elektrischen Eigenschaften bestimmter imHalbleiterprozess eingesetzter Standardmaterialien keine weitere Strukturverkleinerung. Auch die Querschnittsverkleinerung der Leiterbahnen führt zu Materialproblemen (Diffusion,Elektromigration u. a.)
Einen temporären Ausweg bietet die Verwendung neuer Strukturmaterialien wie z. B. der Einsatz speziellerLegierungen im Leiterbahnbereich oder der Einsatz modifizierter Dielektrika (low-k- undhigh-k-Materialien), da hierdurch grundsätzliche Veränderungen in der Technik zunächst vermeidbar sind. Langfristig erscheint jedoch der Übergang von der planaren zu 3-dimensionalen Techniken (vertikale und horizontale Positionierung einzelner Bauelemente) unabdingbar, da hierdurch im Prinzip bei gleicher Bauteildimensionierung höhere Bauteilpackungsdichten realisierbar sind. Erste Schritte in Richtung 3D-Techniken werden derzeit gemacht (siehe z. B.DRAPA).
Um die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters in bestimmten Regionen zu ändern, werden lokal Fremdatome in das Material eingebracht (Dotierung). Dies geschieht durchIonenimplantation oder Diffusion. Die Fremdatome werden dabei in verschiedenen Tiefen und in unterschiedlichen regionalenKonzentrationen eingelagert.
Nach einer Implantation schließt sich immer ein Ofenprozess an (Temperung), um die implantierten Fremdatome, die sich auf Zwischengitterplätzen befinden, gleichmäßig in das Kristallgitter einzubauen und die imKristallgitter entstandenen Schäden auszuheilen. (Das Kristallgitter des Substrats wird durch den Beschuss mit Ionen mechanisch geschädigt)
Es können Schichten aus isolierenden und leitenden Materialien auf dem Halbleitersubstrat aufgebracht werden.
Um im Grundmaterial Bereiche zu entfernen oder aus abgeschiedenen Schichten bestimmte Bereiche herauszulösen, werdenÄtzverfahren eingesetzt. Man unterscheidet zwischen anisotropen (richtungsabhängig) und isotropen (richtungsunabhängig) Ätzverfahren.
Dadurch, dass z. B. Leiterbahnen ein gewisses strukturelles Muster auf der Oberfläche des Substrates erzeugen, kommt es zu störenden Unebenheiten (z. B. Störung der Lithographie durchSchrägreflexion, Ungleichmäßigkeiten in folgenden Abscheidungen). Daher wird an mehreren Stellen im Fertigungsablauf der Wafer wieder planarisiert. Das kann durch selektives Zurückätzen oder durchchemisch-mechanisches Polieren (CMP) erfolgen.
Nicht nur dasPolieren hinterlässtPartikel auf der Oberfläche, die für den nächstenLithografieschritt völlig rein und eben sein muss. Auch z. B. Ätzprozesse hinterlassen Rückstände von unerwünschten Reaktionsprodukten. Im ersten Fall werden die Wafer mechanisch durch Bürsten undUltraschallbad gereinigt, im zweiten Fall durch nasschemische Verfahren und ebenfalls Ultraschall.
Um die feinen Strukturen und dünnen Schichten mitToleranzen von wenigenNanometern zuverlässig erzeugen zu können, braucht man leistungsfähige Messverfahren zur Prozesskontrolle. Eingesetzt werden diverseSpektroskopie- undScatterometrie-Verfahren,Rasterkraftmikroskopie und diverse elektrische Messverfahren sowie Partikel- und Defektkontrollen.
Durch die Abfolge der Einzelprozesse werden auf (bzw. in) dem Halbleitersubstrat Wannen unterschiedlicher Leitfähigkeit, Transistoren, Widerstände, Kondensatoren, Leiterbahnen und andere Bauelemente realisiert. Exemplarisch wird das Zusammenwirken der Prozesse an der Struktur eines Transistortyps erklärt.
Zur Herstellung einer Transistorebene auf einem Halbleitersubstrat sind mehrere der oben erklärten Prozessschritte notwendig. Nachfolgend soll kurz zusammengefasst die Prozessabläufe für die Herstellung heutiger (2009) Transistorstrukturen dargestellt werden:
Der heute übliche Fertigungsablauf für Transistoren enthält noch weitere Prozesse, z. B. diverse Hilfsdotierungen oder dickere Gate-Dielektrika für Dickoxidtransistoren.
In weniger als einem Jahrzehnt hat sich Halbleitertechnik zu einer Schlüsseltechnologie des 20. Jahrhunderts entwickelt. DerKalte Krieg und die daraus resultierenden militär- und informationstechnischen Bedürfnisse waren Geburtshelfer, Katalysator und sind bis heute Triebfeder der Entwicklung (siehe z. B. neuste Entwicklungen in derProzessortechnik,Datenspeicherung,Signalverarbeitung,Optoelektronik etc.). Der Aufbau eines stabilen produktionstechnologischen Gerüsts wurde durch diekommerzielle Fertigung mikroelektronischer Schaltungen im großindustriellen Maßstab, z. B. für die erstenTaschenrechner, erreicht.
Die Rolle des technologischen Vorreiters, den die Halbleitertechnik über Jahrzehnte innehatte, beginnt langsam zu verblassen. Andere Technologien wie dieBiotechnologie haben begonnen, den Staffelstab zu übernehmen. Die Halbleitertechnik befindet sich heute im Übergang von einer jungen Technologie zu einer gereiften und sich konsolidierenden Technologie (Technologielebenszyklus). In Zukunft werden in erster Linie kleine, aus rein technischer Sicht durchaus herausforderndeInnovationsschritte undevolutionäre Detailverbesserungen die Szene bestimmen. Das Ziel ist und wird es sein, die Möglichkeiten der bestehenden Techniken auszuschöpfen. Größere Entwicklungssprünge, ohnehin bei großtechnischen Produktionstechniken kaum zu erwarten, werden bei Halbleitertechniken unwahrscheinlicher. Dies gilt zumindest für die Industriezweige, die sich der Herstellung von integrierten Schaltkreisen widmen. Andere Teilbereiche der Mikroelektronik wie Bildschirme oder Solarzellen weisen weiterhin ein großes Forschungspotential auf.
Die Forschung und Technologieentwicklung für die Herstellung von integrierten Schaltkreisen erfolgt daher entlang sogenannterRoadmaps (dt.: »Projektplan«). Die maßgebende Roadmap ist die seit 1988 existierendeITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors); die mitwirkenden Firmen machen mehr als 90 % der weltweiten Halbleiterproduktion aus. In der ITRS werden die langfristigen Entwicklungsziele der Halbleiterindustrie auf 15 Jahre im Voraus geplant und regelmäßig der aktuellen Entwicklung angepasst. DieEntwicklungsstufen oder -schwerpunkte (engl.nodes) werden über den Begriff derStrukturgröße (bzw. derminimalen Strukturgröße) definiert. Die Richtungsvorgabe bei der Entwicklung soll technologische Engpässe früh erkennen und Forschungsanreize setzen. Dadurch ist es der Industrie gelungen, dasmooresche Gesetz aufrechtzuerhalten. Da die Produktion heutzutage in Bereichen arbeitet, die vor 20 Jahren als physikalisch „unmöglich“ galten, ist zu erwarten, dass sich das Ende dieser Entwicklung um weitere Jahre verschiebt. Das Ende ist spätestens bei Fertigung von Bauelementen mit Strukturgrößen (< 10 nm) von wenigen Atomen auf Basis der heutigen siliziumorientierten Technologie erreicht. Hier sind neue Entwicklungen mit neuartigen Funktionsweisen notwendig, um den Trend des mooreschen Gesetzes zu folgen. Die ITRS beschäftigt sich im Kapitel„Emerging Research Devices“ (ERD) mit potentiellen Technologien, die an der bestehenden Technologie angelehnt sind. Dazu gehören neben technologisch verwandten Konzepten wie demFeRAM oder geschichtete Dielektrika (beispielsweiseengineered tunnel barrier memory) auch Konzepte, die wohl nicht in den nächsten zehn Jahren anwendungsreif werden, wie Speicher und Schaltkreise auf Basis von leitendenMakromolekülen oderEinzelelektronentransistoren.
Wie andere Spitzentechnologien verursacht auch die Halbleitertechnologie steigende Kosten, um die Weiterentwicklung der existierenden Technologie aufrechtzuerhalten, vor allem im Bereich der Schaltkreisherstellung. Dieempirische Entwicklungsarbeit ist in vielen Bereichen notwendig, da entsprechende Simulationen die Vorgänge noch nicht mit der erforderlichen Genauigkeit wiedergeben. Dies liegt zum einen an den hohen Toleranzanforderungen als auch an fehlenden physikalischen Erklärungen für die Vorgänge im Nanometerbereich, dies betrifft beispielsweise das chemisch-mechanische Polieren oder den exakten Ablauf des Beschichtungsprozesses bei derAtomlagenabscheidung. Wie in anderentechnischen Disziplinen wird auch in der Halbleitertechnologie verstärkt an der Simulation von Prozessabläufen gearbeitet. Neben den seit Jahrzehnten eingesetzten Simulationen bei der Entwicklung und Verifizierungen von Schaltkreisen, werden auch zunehmend komplette Produktionsabläufe der Halbleiterbauelemente simuliert.
In der Photovoltaik kommen neben den Entwicklungskosten noch die vergleichsweise hohen Modulpreise für den Endkunden hinzu. Hier war lange Zeit ein hoherSubventionsbedarf notwendig, um eine kostendeckende Forschung betreiben zu können und gleichzeitig attraktive Produktpreise anzubieten, um die Technologie gegen konventionelle Kraftwerke (Kohle, Gas usw.) aufzustellen. Ziel dieser Politik, vor allem in Deutschland, war damals wie heute die Förderung alternativer und regenerativer Energiekonzepte.
Zu Beginn der Massenfertigung von Halbleiterbauelementen wurde den Umweltschutzaspekten recht wenig Beachtung geschenkt. Vor allem imSilicon Valley kam es in den späten 1960er- und frühen 1970er-Jahren zu großflächigen Grundwasserverschmutzungen. Diese Vorfälle brachten erstmals die Kehrseite einer bislang als besonders fortschrittlich geltenden Industrie zum Vorschein.
In der Tat werden im Zusammenhang mit der Herstellung mikroelektronischer Bauelemente umweltgefährdende Substanzen produziert, eingesetzt und emittiert. Hierzu zählen u. a. zahlreiche Schwer- und Halbmetalle, ozonschichtzerstörende Substanzen und Treibhausgase.Rückstände fallen – ggf. in umgewandelter und vermischter Form – als Feststoffe, Flüssigkeiten und Gase an. Viele der Einsatzstoffe werden aus technischen oder ökonomischen Gründen nicht recycelt.
Seit Mitte der 1980er-Jahre traten in vielen Industrieländern gesetzliche Regeln in Kraft, die die Industrie veranlasst haben, Maßnahmen zur lokalen Reduzierung des Umweltgefährdungspotentials zu implementieren. In den Boomregionen Asiens werden Umweltschutzaspekte jedoch oft ökonomischen Interessen untergeordnet. Freiwillige Regularien wie die seit Mitte der 1990er-Jahre einsetzende internationale Standardisierung z. B. nachISO 14001 (Environmental Management Systems) greifen dort naturgemäß wenig, solange sie nicht von nationalem Recht unterstützt werden.
