Die Herstellung von Halbleiterbauelementen und integrierten mikroelektronischen Schaltungen ist eins der komplexesten industriellen Verfahren überhaupt. Unter extremen Anforderungen an Genauigkeit eines jeden Schrittes und an die Umgebungsbedingungen der Fertigung werden die Chips hergestellt.

In der Vorlesung zur Halbleitertechnologie, die jeweils im Wintersemester gehalten wird, lernen Sie dieses interessante Gebiet kennen. Vorgestellt werden Technologien der Siliziumtechnik, mit der Mikroprozessoren, Speicher und weitere Bausteine entstehen, die Sie z.B. beim Einsatz Ihres Smartphones oder Ihres Computers nutzen. Im zweiten Teil der Vorlesung werden komplementäre Materialien und Technologien für Höchstfrequenz- und Leistungsanwendungen behandelt.

Ausgangsmaterial der integrierten Schaltungen ist hochreines, einkristallines Silizium, dessen Gewinnung am Anfang der Vorlesung steht.

Verschiedene Prozessschritte werden anschließend vorgestellt, immer in einer Mischung aus physikalischen Grundlagen und der praktischen Ausführung in einem Halbleiter-Werk, wie es z. B. im Fraunhofer-Institut besteht. Dazu gehören die Oxidation, Diffusion, Dotierung mittels Ionenimplantation, Abscheideverfahren für dünne Schichten, Ätzverfahren, Messtechnik. Hervorheben möchte ich hier die Lithographie, deren unerhörte Präzision den Fortschritt in der Mikroelektronik ermöglicht hat und auch weiterhin gestattet. Mit optischer Belichtung von Maskenvorlagen sind in einer Massenfertigung Strukturgrößen von weniger als 100 nm (Das ist ein tausendstel Haardurchmesser !) möglich, neueste Verfahren mit extremen UV-Licht oder Elektronenstrahlbelichtung erreichen bis zu 5 nm Strukturgröße (~10 Atomdurchmesser).

Die Einzelschritte münden schließlich in einem (CMOS-) Gesamtprozess, der im Detail beschrieben wird.

Ziel der Herstellung ist es, CMOS-Bauelemente zu liefern. Deren Parameter und Regeln zum Entwurf werden in engem Zusammenhang zur Herstellungstechnologie vorgestellt.

Abschließend stehen die Themen Ausbeute und Zuverlässigkeit auf dem Plan. Beide beeinflussen wesentlich den Erfolg der Mikroelektronik. Während die Ausbeute, d. h. die Anzahl lieferbarer Chips im Verhältnis zum Aufwand der Fertigung über den aktuellen, kommerziellen Erfolg einer Fertigung entscheidet, sind die Maßnahmen zur Sicherung der Zuverlässigkeit wichtig, um den Einsatz der Chips für eine Lebensdauer von 10 oder mehr Jahren zu garantieren.

Zu den komplementären Technologien zählen die Verbindungshalbleiter, wie zum Beispiel Galliumnitrid (GaN), das die Beleuchtungstechnik revolutioniert hat. Neben GaN spielen SiGe, InP und GaAs eine bedeutende Rolle für Höchstfrequenzanwendungen, z.B. in mobilen Netzwerken. Die sogenannten III-V-Materialien InP und GaAs bilden die Basis für die moderne optische Kommunikation. Die Materialtechnologie für die Herstellung von Verbindungshalbleitern ist besonders, da diese Materialien in der Natur nicht vorkommen. In diesem Zusammenhang werden für Verbindungshalbleiter spezielle Prozessschritte, z.B. höchstauflösende Elektronenstrahl-Lithografie, besprochen.

Lernziele:    

Die Studierenden sollen die einzelnen Prozessschritte zur Herstellung hochintegrierter (CMOS-) Schaltungen und den CMOS-Gesamtprozessablauf kennen,
den Zusammenhang zwischen Technologie und Bauelementeparametern oder Designregeln verstehen, ebenso Einflüsse auf die Ausbeute bei der Herstellung und auf die
Zuverlässigkeit der Bauelemente. 
Verfahren zur Materialsynthese der Verbindungshalbleiter sowie spezielle Prozesse werden im Zusammenhang mit Anwendungen vorgestellt und erklärt.
In den Übungen weden anwendungsnahe Beispiele durchgearbeitet.

Literatur:    

• U. Hilleringmann: Silizium-Halbleitertechnologie, 4. Auflage, Teubner Studienbücher, 2004
• Peter Van Zant: Microchip Fabrication. A Practical Guide to Semiconductor Processing, 4th edition, McGraw-Hill Professional Publishing, 2000

Ansprechpartner: Prof. Dr. Nils Weimann