Fertigung der Halbleiterchips

Zu Beginn der Produktion eines ASICs wird das Ausgangsmaterial bereitgestellt. Es handelt sich dabei um Siliziumscheiben mit genau definierter Beschaffenheit. Diese Wafer – aus einkristallinem Silizium gefertigt – haben einen Durchmesser von rund 150mm oder 200mm, sind metallisch-glänzend und auf Hochglanz poliert. Die Scheibe ist noch nicht einmal einen Millimeter dick und ist durch ein fehlendes Teil markiert. Flat nennt der Experte diese Kennzeichnung. Hierbei handelt es sich um eine gewollte Markierung. Daran erkennt man die Kristallorientierung sowie die Grunddotierung des Rohmaterials – wichtig für die späteren Eigenschaften der Halbleiterchips.

Dann geht es auch schon los. Damit der Wafer jederzeit wieder erkannt wird, bekommt er eine eindeutige Markierung. Genau genommen erhält die blanke Scheibe mit dem Laser einen Barcode eingebrannt. Dieser Barcode dient nicht nur der Identifizierung, sondern hilft auch in der späteren Fertigung bei der Prozesssteuerung – hierzu wird er von manchen Maschinen automatisch ausgewertet. Im Anschluss wird der neu eingesteuerte Wafer zusammen mit 24 weiteren Wafern, einem so genannten Fertigungslos, zum ersten Mal gereinigt.

Gereinigt wird ständig in der Halbleiterfertigung. Vor einem kritischen Prozessschritt, während und erst recht nach einem Fertigungsschritt wird die Oberfläche der Siliziumscheibe von Fremdsubstanzen befreit. Dies ist notwendig, damit die spätere Funktion der ASICs nicht gestört wird. Denn die elektrische Funktion der Schaltung wird in dem Halbleitermaterial Silizium durch die gezielte „Verunreinigung“ mit kleinen Mengen so genannter Dotierstoffe erreicht. Also muss während der Herstellung dafür gesorgt werden, dass die Nutzeffekte nicht durch „Dreckeffekte“ überlagert werden. Daher heißt es immer wieder: Reinigung. Eine Sonderform der Reinigung stellt dabei der RCA-Clean dar. Hierbei werden mittels hochreiner Chemikalien nicht nur organische, sondern auch metallische Verunreinigungen sowie Oxide von der Oberfläche entfernt. Diese spezielle Reinigung wird insbesondere bei den besonders kritischen Ebenen, wie beispielsweise der Gate-oxid-Schicht angewandt.

Das frisch gereinigte Fertigungslos erhält nun in einem ersten Schritt eine Schicht aus Siliziumdioxid. Diese auch Pad-Oxid genannte Schicht besteht aus einem thermisch gewachsenen Oxid mit einer Dicke von rund zwanzig Nanometern. Hierzu werden die frisch gereinigten Siliziumwafer in einem Ofenrohr auf knapp 1.000°C erhitzt. An der Oberfläche wandelt sich das Silizium bedingt durch die hohe Temperatur und die definierte Sauerstoff-Atmosphäre in Siliziumdioxid um. Im Anschluss wird eine zweite Schicht aus Siliziumnitrid abgeschieden. Beide zusammen dienen als Hartmaske für die spätere lokale Erzeugung eines dicken Feldoxids für die elektrische Isolation. Da der Schichtstapel (Oxid und Nitrid) noch den gesamten Wafer bedeckt, müssen in einem nächsten Schritt die Bereiche genauer definiert werden, in denen das gewünschte Feldoxid wachsen soll.

Hierfür kommen zum ersten Mal die Layoutdaten zum Einsatz, die bei der Entwicklung eines ASICs generiert wurden. Insbesondere die erste Belichtungsmaskenebene enthält nämlich genau die benötigten Informationen, wo kleine Ausschnitte in die bisher ganzflächigen Schichten geätzt werden sollen.

Hierzu wird in einem automatischen Verfahren die gesamte Oberfläche mit einem Photolack bedeckt. Damit dies gleichmäßig geschieht, benutzt man dazu einen sogenannten Spincoater, bei dem auf dem sich drehenden Wafer Photolack aufgebracht wird.

Nach dem Trocknen können dann in einem Lithographiegerät die Informationen aus der Belichtungsmaske, dem Reticle, auf den Wafer und damit in die Photolackschicht übertragen werden. Da die Strukturen in der Belichtungsmaske nur für ein Feld von rund 20 mal 40mm2 vorliegen, aber die gesamte Waferoberfläche genutzt werden soll, müssen die Belichtungsfelder nebeneinander gesetzt mehrfach auf die Siliziumscheibe übertragen werden. Da nach jeder Belichtung der Wafer eine Feldlänge weiter geschoben wird, werden die einzelnen Felder sozusagen gezielt nebeneinander auf den Wafer platziert, weswegen das Gerät auch Stepper genannt wird.

Die Qualität der Lithographie korreliert mit der gewünschten Strukturbreite, die weniger als ein Mikrometer beträgt. Damit sind auch die Anforderungen an die Reinheit in dem Lithographiebereich besonders hoch: Verunreinigungen und sonstige Partikel gefährden die Qualität der Bauelemente, so dass Reinraumklassen von unter eins zum Einsatz kommen. Dies bedeutet, dass nur ein Partikel, der maximal 0,5µm groß ist, in einem Kubikfuß Luft enthalten sein darf.

In den lichtdurchlässigen Bereichen der Maske wird bei der Bestrahlung mit UV-Licht die darunter liegende Lackschicht belichtet und kann an dieser Stelle in dem nachfolgenden Entwicklungsschritt von der Waferoberfläche gelöst werden. Nach dem Härten des verbleibenden Lackes besteht die oberste Schicht auf dem Wafer nun aus einer mehr oder weniger löcherigen Lackschicht. Mit dieser Maske kann nun in einem nächsten Schritt die darunter liegende Oxid-Nitrid-Schicht nass- oder trockenchemisch strukturiert werden.

Hierzu wird die Waferoberfläche beispielsweise in einem Ätzverfahren mit reaktiven Ionen bzw. Radikalen bombardiert, welche in einem plasmaunterstützten Verfahren in einer Prozesskammer bereitgestellt werden. Diese Radikale reagieren mit den Molekülen und Atomen der Oberfläche und tragen beispielsweise die Oxidschicht in den nicht von Photolack bedeckten Bereichen ab. Die gasförmigen Reaktionsprodukte werden über das Pumpsystem entsorgt und es bleiben nur noch lackbedeckte Oxidflächen und ungeschützte Silizium-flächen, ehemals vom Nitrid-Oxid-Schichtverbund bedeckt, übrig.

Damit ist es gelungen, die Informationen aus der Lithographiemaske in die Oxidschicht zu übertragen – nur es stören noch die Lackreste. Diese können in einem speziellen Sauerstoffplasma quasi rückstandsfrei verascht werden. Wiederum schließt die Fertigungssequenz mit einer Reinigung der Oberfläche. Erstmals sind nun Strukturen auf der Oberfläche zu sehen, aber bis zum fertigen Chip ist es noch ein langer Weg. Anhand des beschriebenen Ablaufes können zahlreiche weitere Prozessschritte erläutert werden, die mit jeder aufgebrachten Schicht wieder durchschritten werden müssen. Insgesamt besteht der Herstellprozess einer integrierten Schaltung überwiegend aus der mehrfachen Abfolge der Schritte Reinigung, Aufbringen einer Schicht, Belacken, Lithographie, Strukturierung und/oder Implantation, Entlacken. Bei einigen Temperaturprozessen ist der Lithographieschritt nicht notwendig – beispielsweise nach dem Aktivieren. Diese Sequenz beschreibt die gezielte Modifikation einer einzelnen Materialebene, welche auf bzw. an der Oberfläche des Siliziumwafers, zusammen mit vielen anderen, einen Schichtstapel bildet. Aufgrund der oberflächennahen Dimensionen und dem Sandwich-Aufbau spricht man in der Halbleiterfertigung auch von Planartechnologien. Alle Schichten, seien es Metall-ebenen für die Verdrahtung, Dielektrika für die Isolation oder Kapazitäten sowie Poly-Siliziumschichten für Gatestrukturen oder Widerstände, werden ganzflächig planar aufgebracht und nachfolgend strukturiert.