Table Of ContentEinfiihrung in die
Halbleitertechnologie
Von Dr. phil. nat. Waldemar von Munch
o. Professor an der Universitat Stuttgart
Mit 170 Bildern und 39 Tafeln
EI3
B. G. Teubner Stuttgart 1993
Die Deutsche Bibliothek - CIP-Einheitsaufnahme
Munch, Waldemar von:
Einfuhrung in die Halbleitertechnologie / von Waldemar von Munch. -
Stuttgart: Teubner, 1993
ISBN-13: 978-3-519-06167-0 e-ISBN-13: 978-3-322-88970-6
DOl: 10.1007/978-3-322-88970-6
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und strafbar. Das gilt besonders fUr Vervielfiiltigungen, Ubersetzungen, Mikroverfilmungen und die
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© B. G. Teubner Stuttgart 1993
Gesamtherstellung: Zechnersche Buchdruckerei GmbH, Speyer
Einband: Tabea und Martin Koch, Ostfildern/Stuttgart
Vorwort
Die Entwicklung der Halbleitertechnologie gehOrt zweifellos zu den bedeutenden
industriellen Errungenschaften des zwanzigsten lahrhunderts. Es ist zu erwarten,
daB diese Technologie auch weiterhin den technischen Fortschritt wesentlich mit
bestimmen wird. Das Ziel dieses Buches ist es deshalb, einen moglichst breiten
Leserkreis mit den Grundlagen der Halbleitertechnologie vertraut zu machen.
Die stofftiche Gliederung des Buches erfolgt vorwiegend nach didaktischen Ge
sichtspunkten. Ausgehend von den Halbleiterwerkstoffen und ihren Eigenschaf
ten werden zunachst die fur die Funktionsfahigkeit von Halbleiterbauelementen
wesentlichen Kriterien der Materialauswahl erlautert; dabei wird ein breites
Spektrum von Halbleiterwerkstoffen (elementare Halbleiter, Verbindungshalblei
ter) betrachtet. Bei der Darstellung der Verfahrensschritte der Halbleitertechnolo
gie wird eine Verdeutlichung der Grundprinzipien angestrebt; auf eine detaillierte
Beschreibung der Einzelprozesse wird hingegen bewuBt verzichtet. In einigen
Fallen werden Verfahren behandelt, welche -unabhangig von ihrem gegenwarti
gen industriellen Einsatz - fur das Verstandnis der Weiterentwicklung der Halb
leitertechnologie von Bedeutung sind. Bei der Auswahl der Literaturstellen wur
de zusammenfassenden Darstellungen der Vorzug gegeben.
Herrn Dipl.-Phys. C. Rose habe ich fur die kompetente und griindliche Textverar
beitung zu danken.
Stuttgart,luli 1993 W. v.Miinch
Inhalt
1 Einleitung
1.1 Halbleiterwerkstoffe ................................................................................. 1
1.1.1 Elementare Halbleiter .................................................................... 2
1.1.2 Verbindungshalbleiter .................................................................... 4
1.2 Halbleitereigenschaften ........................................................................... 11
1.3 Halbleiterbauelemente ............................................................................ 25
2 Halbleitermaterial
2.1 Bereitstellung des Rohmaterials ............................................................. 31
2.2 Kristallisation ......................................................................................... 37
2.2.1 Materialreinigung durch Kristallisation ....................................... 38
2.2.2 Einkristallzucht ............................................................................ 44
2.3 Scheibenherstellung ................................................................................ 58
3 Epitaxie
3.1 Gasphasenepitaxie .................................................................................. 65
3.2 Molekularstrahlepitaxie .......................................................................... 78
3.3 Flussigphasenepitaxie ............................................................................. 83
4 Dotierungsverfahren
4.1 Dotierstoffe ............................................................................................. 93
4.2 Dotierung wahrend der Kristallzucht ..................................................... 96
4.2.1 Homogene Dotierung ................................................................... 96
4.2.2 Inhomogene Dotierung ................................................................ 97
4.3 Epitaktischer Schichtautbau ................................................................... 98
4.4 Legierungstechnik ................................................................................ 100
4.5 Diffusion ............................................................................................... 103
4.5.1 Diffusionstheorie ........................................................................ 103
4.5.2 Diffusionsverfahren .................................................................... 115
4.6 Ionenimplantation ................................................................................. 123
5 Schichtherstellung
5.1 Dielektrika ............................................................................................ 131
5.2 Halbleiter .............................................................................................. 143
5.3 Metalle und Silizide .............................................................................. 144
VI Inhalt
6 Strukturierung
6.1 Lithographie ......................................................................................... 154
6.2 Atztechnik ............................................................................................. 166
6.2.1 NaBchemische Atzung ............................................................... 167
6.2.2 Trockenatzverfahren .................................................................. 170
6.3 Abhebetechnik ...................................................................................... 176
7 Aufbau-und Verbindungstechnik
7.1 Ohmsche Kontakte ............................................................................... 178
7.2 Chipmontage ......................................................................................... 182
7.3 Kontaktierung ....................................................................................... 188
8 Halbleiterbauelemente
8.1 Dioden .................................................................................................. 193
8.2 Bipolartransistoren ............................................................................... 201
8.3 Thyristoren ........................................................................................... 214
8.4 Feldeffekttransistoren ........................................................................... 221
8.4.1 Sperrschicht-Feldeffekttransistoren ........................................... 222
8.4.2 Feldeffekttransistoren mit Schottky-Gate .................................. 224
8.4.3 MOS-Feldeffekttransistoren ....................................................... 228
8.5 Optoelektronische Bauelemente ........................................................... 231
8.5.1 Strahlungsdetektoren .................................................................. 231
8.5.2 Solarzellen .................................................................................. 235
8.5.3 Leuchtdioden .............................................................................. 236
8.5.4 Injektionslaser ............................................................................ 240
9 Integrierte Schaltungen
9.1 Isolationstechnik ................................................................................... 243
9.2 Integrierte Bipolarschaltungen ............................................................. 247
9.3 Integrierte Schaltungen mit Feldeffekttransistoren .............................. 252
Literatur ............................................................................................................ 255
Sachverzeichnis ................................................................................................ 262
1 Einleitung
Fiir die Herstellung von Halbleiterbauelementen stehen zahlreiche Halbleiter
werkstoffe zur Verfiigung. Die wesentlichen elektronischen und technologischen
Eigenschaften dieser Werkstoffe sollen im Abschnitt 1.1 erlautert werden. In
Abschnitt 1.2 sind die wichtigsten Halbleiterbauelemente mit den fur ihre Funkti
onsfiihigkeit relevanten Halbleitereigenschaften zusammengestellt. Aus der Ge
geniiberstellung von Anforderungen und Eigenschaften resultieren Kriterien fiir
die Auswahl der Halbleiterwerkstoffe fur verschiedene Anwendungsflille.
1.1 Halbleiterwerkstoffe
Je nach Anordnung der Atome bzw. 10nen im Festkorper unterscheidet man zwi
schen einkristallinen, polykristallinen und arnorphen Halbleiterwerkstoffen. Die
elektrische Leitfahigkeit kann durch die Bewegung von Elektronen und/oder 10-
nen bewirkt werden.
Halbleiter
I
I I
kristallin amorph
I
I
einkristallin polykristallin
I
I
grobkristallin feinkristallin
Fiir technische Anwendungen werden iiberwiegend einkristalline, elektronisch
leitende Halbleiter eingesetzt. Bei diesen Werkstoffen wird die elektrische LeiWi
higkeit durch StOrungen des Gitteraufbaues (Gitterbaufehler, Fremdatome) stark
beeinftuBt. Grobkristallines Silizium wird zur Herstellung von Solarzellen ver
wendet. Die Technologie der feinkristallinen und amorphen Halbleiterwerkstoffe
wird im Rahmen dieses Skriptums nicht behandelt.
2 1.1 Halbleiterwerkstoffe
1.1.1 Elementare Halbleiter
Bild 1.1 zeigt einen Ausschnitt aus dem Periodischen System der Elemente. Wie
daraus hervorgeht, sind elementare Halbleiterwerkstoffe in den Gruppen III bis VI
zu finden.
Bild 1.1
Elemente der II. bis VI. Gruppe
des Periodischen Systems der
Elemente (Halbleiter bzw.
halbleitende Modifikationen
gerastert)
Bor ist das einzige halbleitende Element der III. Gruppe. Wegen der geringen La
dungstragerbeweglichkeit und im Hinblick auf technologische Probleme (hoher
Scbmelzpunkt, Existenz verschiedener Modifikationen) ist es wenig wahrschein
lich, daB Bor eine nennenswerte Bedeutung als Halbleiterwerkstoff erlangen wird.
In der N. Gruppe ist zunachst Diamant als Halbleiterwerkstoff zu nennen. Dia
mant besitzt einen - im Vergleich zu anderen Halbleitern - sehr groBen Band
abstand sowie eine hohe Elektronen- und Locherbeweglichkeit. Besonders her
vorzuheben ist die extrem hohe intrinsische WarmeleitHihigkeit. In der Natur
kommen p-Ieitende Diamanten ("Typ lIb") vor; derartige Kristalle (bzw. Schich
ten) konnen auch kiinstlich hergestellt werden. Die Herstellung n-Ieitenden
Materials ist - infolge hoher Ionisierungsenergie der Donatoren - nur begrenzt
moglich. Es kann erwartet werden, daB Diamant in speziellen Anwendungen
(Hochtemperaturbaue]emente, UV-Sensoren, Thermistoren) eine Bedeutung als
Halbleiterwerkstoff erlangen wird. Daneben wird Diamant als Warmesenke bei
Bauelementen mit hoher Leistungsdichte (z.B. Injektionslaser) eingesetzt.
Die zweite kristalline Modifikation des Kohlenstoffs, Graphit, ist wegen partiell
tiberlappender Valenz- und Leitungsbander den Halbmetallen zuzurechnen und
daher zur Herstellung von Halbleiterbauelementen (im engeren Sinne) ungeeig
net. Widerstande aus amorphem Kohlenstoff werden u.a. zur Messung sehr tiefer
Temperaturen verwendet.
1.1.1 Elementare Halbleiter 3
Eine herausragende technische Bedeutung haben die Elemente Silizium und Ger
manium. Die Eigenschaften und Anwendungen dieser Halbleiterwerkstoffe wer
den in verschiedenen Teilen dieses Skriptums ausfuhrlich beschrieben.
Die halbleitende Modifikation des Zions (graues Zion oder a-Zion genaont) ist
nur bei Temperaturen unterhalb 13°C stabil. Aus diesem Grund (und wegen des
sehr geringen Bandabstandes) ist a-Zion technisch nicht verwertbar.
Diamant, Silizium, Germanium und a-Zion kristallisieren im Diamantgitter. Die
ses Gitter kaon gemaB Bild 1.2 als Kombination zweier gleichartiger kubisch
fHichenzentrierter Gitter aufgefaBt werden. Jedes Atom ist von vier Nachbarato
men in tetraedrischer Anordnung umgeben. Die in Bild 1.2 eingezeichneten Stege
sollen die aus jeweils zwei Elektronen bestehenden "Elektronenbriicken" symbo
lisieren (kovalente Bindung). Der Zusammenhang zwischen der Gitterkonstanten
a und dem Atomabstand d ist
4d
a =- (Ll)
J3
Bild 1.2
Diamantgitter
Germanium und Silizium bilden eine liickenlose Mischkristallreihe, d.h. es kon
nen Legierungen vom Typ Ge l-xSix (0:0; x :0; 1) hergestellt werden. Mit derartigen
Mischkristallen lassen sich -z.B. in Kombination mit Silizium oder Germanium
Heterotibergange realisieren. AuBerdem finden Germanium/Silizium-Mischkri
stalle in thermoelektrischen Bauelementen Verwendung.
4 1.1 Halbleiterwerkstoffe
Die halbleitenden Modifikationen des Phosphors und des Arsens (V. Gruppe) sind
ohne technische Bedeutung.
In der VI. Gruppe des Periodischen Systems findet man die Halbleiter Selen und
TelIur. Hiervon kann Selen zur Herstellung von Photoelementen und Gleichrich
tern eingesetzt werden. Tellur kann als potentieller Halbleiterwerkstoff fur Dunn
schicht-Feldeffekttransistoren (TFf) angesehen werden; die Einsatzmoglichkei
ten sind jedoch auf Grund des verhaItnismaBig geringen Bandabstandes sehr be
schrankt.
Bei allen elementaren Halbleiterwerkstoffen handelt es sich -mit Ausnahme von
TelIur - urn indirekte Halbleiter, d.h. Elektronenubergange vom Leitungs- in das
Valenzband sind nur bei einer Anderung des Elektronenimpulses moglich.
1.1.2 Verbindungshalbleiter
Durch Kombination mehrerer Elemente lassen sich Halbleiterwerkstoffe mit viel
faltigen Eigenschaften herstellen. In Bild 1.3 sind die Gruppen II bis VI des
Periodischen Systems symbolisch dargestellt. Durch Verbindungslinien werden
einige Kombinationsmoglichkeiten zur Realisierung wichtiger binarer Halbleiter
werkstoffe aufgezeigt.
n-il
(Verb. Zn, Cd, Hg mit S, Se, Te)
m-~ (Verb.AI,Ga,In mit P,As,Sb)
SiC, GelSi
PbO, PbS, PbSe, PbTe
Bild 1.3 Schema der Zusammensetzung einiger binarer
Verbindungshalbleiter
Von besonderer Bedeutung fUr die Halbleitertechnologie sind die III-V-Verbin
dungen. Aus den Elementen Aluminium, Gallium, Indium (III. Gruppe) und den
Elementen Phosphor, Arsen, Antimon (V. Gruppe) lassen sich neun binare Verbin
dungen herstellen, welche in nachfolgendem Schema zusammengestellt sind:
1.1.2 Verbindungshalbleiter 5
AlP
AlAs GaP
AISb GaAs InP
GaSb InAs
InSb
In diesem Schema sind die Verbindungen derart angeordnet, daB der Bandabstand
der Werkstoffe von oben nach unten abnimmt; auf gleicher Hohe befindliche Ver
bindungen wei sen annahemd gleiche Bandabstande auf.
BildlA
Zinkblendegitter
Die vorstehend aufgefiihrten III -V-Halbleiter kristallisieren irn Zinkblendegitter
(Bild 1.4). In Analogie zum Diamantgitter kann das Zinkblendegitter als Kombi
nation zweier kubisch-flachenzentrierter Gitter (mit unterschiedlichen Atomsor
ten) dargestellt werden. Jedes Atom der III. Gruppe ist von vier Atomen der V.
Gruppe in tetraedrischer Anordnung umgeben. Bei den Verbindungen Alurnini
umphosphid, Aluminiurnarsenid, Galliumphosphid und Alurniniurnantirnonid
handelt es sich urn indirekte Halbleiter; die restlichen runf Verbindungen sind di
rekte Halbleiter.
Durch Kombination verschiedener Elemente der III. und V. Gruppe lassen sich
ternare oder quaternare Halbleiter herstellen. Die temaren Halbleiter sind entwe
dervom Typ
