Halbleitertechnologie von A bis Z

Ein Transistor ist ein elektronisches Halbleiterbauelement das zum Schalten oder Verstärken von Strom verwendet werden kann. Der Stromfluss erfolgt über zwei Anschlüsse (Drain, Source), während der dritte (Gate) zur Steuerung dient. Neben dem Feldeffekttransistor (FET) gibt es noch einen weiteren grundlegenden Transistortyp, den Bipolartransistor. Bei ihm heißen die Anschlüsse Emitter (Source beim FET), Basis (Gate) und Kollektor (Drain). Die Funktionsweise des Bipolartransistors beruht auf Ladungsträgern beider Polaritäten (daher bipolar), Löchern und Elektronen. Beim Feldeffekttransistor, auch als unipolarer Transistor bezeichnet, sind abhängig von der Bauart entweder Elektronen oder Löcher am Stromtransport beteiligt.

Bei dem nachfolgend beschriebenen Transistor handelt es sich um einen sogenannten MOSFET (engl. metal oxide semiconductor field-effect transistor, Metall-Oxid-Halbleiter-FET). Obwohl heute meist hochdotiertes Polysilicium als Gatematerial Verwendung findet und kein Aluminium mehr zum Einsatz kommt, wird auch bei diesem Transistortyp nach wie vor die Bezeichnung MOSFET benutzt. Besser wäre in diesem Fall die Bezeichnung IGFET (engl. insulated gate FET, FET mit isoliertem Gate). Bei neuartigen Transistoren mit High-k-Metal-Gate-Technologie ist die Bezeichnung MOSFET dagegen wieder korrekt, sofern als Isolator weiterhin ein Oxid verwendet wird.

Der Transistor ist das grundlegende Bauelement in der Halbleiterfertigung, in modernen Mikrochips finden sich mehrere hundert Milliarden Transistoren. Durch die Kombination mehrerer Transistoren können sämtliche logische Gatter realisiert werden, um aus Eingangssignalen entsprechende logische Ausgangssignale zu erhalten. Dadurch bilden Transistoren das Herzstück eines jeden Mikroprozessors, Speicherchips usw. Der Transistor ist die von der Menschheit in der höchsten Gesamtstückzahl produzierte technische Funktionseinheit, und aus dem heutigen Leben nicht mehr wegzudenken.

Der Transistor wird in der Produktion Schicht für Schicht aufgebaut. Dabei steht hier der grundlegende Aufbau eines einfachen MOSFETs im Vordergrund; wie diese Schichten in der Fertigung tatsächlich entstehen, zeigt das Kapitel Aufbau eines n-Kanal-FET im Bereich Bauelemente.

Der hier beschriebene Aufbau ist der planare Transistor: Das Gate liegt flach auf der Scheibenoberfläche und steuert den Kanal von oben. Diese Bauform bestimmte die Halbleitertechnik über vier Jahrzehnte und ist für das Verständnis der Funktionsweise nach wie vor die richtige Ausgangsform. In den Prozessen für kleinste Strukturen ist sie inzwischen abgelöst worden, weil ein Gate, das nur von einer Seite wirkt, den immer kürzeren Kanal nicht mehr zuverlässig sperren kann. Wie die Nachfolger aussehen, beschreibt das Kapitel Transistoren und Speicher.

Anreicherungs-FET: Ohne eine positive Spannung am Gate stehen zwischen Source und Drain keine freien Ladungsträger in Form von Elektronen zur Verfügung, da das Substrat p-dotiert ist. Im stationären Zustand sind hier Löcher die Majoritätsladungsträger und Elektronen Minoritätsladungsträger.

Durch eine positive Spannung am Gate werden Elektronen durch das elektrische Feld aus dem Substrat angezogen (Löcher dementsprechend verdrängt) und bilden so einen leitenden n-Kanal zwischen Source und Drain. Die isolierende Siliciumdioxidschicht verhindert einen Stromfluss zwischen Substrat und Gate.

Da der Transistor den Stromfluss ohne angelegte Spannung sperrt nennt man den Transistor auch selbstsperrend. Der Kanal bildet sich dabei nicht allmählich, sondern erst oberhalb einer bestimmten Gatespannung, der Schwellspannung. Sie ist die wichtigste Kenngröße des Transistors: Unterhalb davon sperrt er, oberhalb leitet er. Über die Dotierung des Substrats und die Wahl des Gatematerials lässt sie sich gezielt einstellen.

Verarmungs-FET: Durch eine leichte n-Dotierung zwischen Source und Gate erreicht man, dass ein Transistor auch ohne Gatespannung leitend ist (eine Spannung zwischen Source und Drain reicht aus). So genannte Verarmungs-FETs, oder auch selbstleitende Transistoren, sperren nur dann, wenn am Gate eine negativere Spannung als am Source-Anschluss anliegt. Dadurch werden die Elektronen, die sich unter dem Gate befinden, verdrängt - die leitende Elektronenbrücke geht verloren.

Der zweite wichtige Transistortyp neben dem Feldeffekttransistor ist der Bipolartransistor. Seine Funktionsweise beruht auf beiden Ladungsträgern (bipolar), Elektronen und Löchern. Bipolartransistoren sind schneller als Feldeffekttransistoren, beanspruchen jedoch mehr Platz und können somit nicht so kostengünstig gefertigt werden.

Bipolartransistoren bestehen im Wesentlichen aus zwei gegeneinander geschalteten p-n-Übergängen mit der Schichtfolge n-p-n oder p-n-p. Die Anschlüsse des Bipolartransistors werden als Emitter (E), Basis (B) und Kollektor (C) bezeichnet, Emitter und Kollektor besitzen jeweils die gleiche Dotierungsart. Zwischen den beiden Anschlüssen befindet sich die sehr dünne Basisschicht, die dementsprechend jeweils anders dotiert ist.

Beschrieben wird hier ein npn-Transistor in Standard Buried Collector-Bauweise (SBC, vergrabener Kollektor). Die Funktionsweise des pnp-Transistors ist analog dazu, die Vorzeichen der angelegten Spannung müssen lediglich vertauscht werden.

Die beiden p-n-Übergänge werden im Folgenden als EB (Emitter-Basis) bzw. CB (Kollektor-Basis) bezeichnet. Ohne äußere Spannung bilden sich an EB und CB Raumladungszonen aus (siehe Der p-n-Übergang). Mit einer negativen Spannung am Emitter und einer positiven Spannung am Kollektor wird die Raumladungszone an EB abgebaut, an CB jedoch vergrößert. Wird an der Basis nun eine positive Spannung angelegt, so wird EB leitend - Elektronen gelangen in die Basisschicht. Da diese sehr dünn ist, können die Ladungsträger in den Kollektor injiziert werden, wo sie auf Grund der angelegten positiven Spannung abgesaugt werden. Somit fließt ein Strom von Emitter zu Kollektor. Nahezu alle Elektronen gelangen so bereits bei einer geringen Spannung an der Basis zum Kollektor (>95 %), was bedeutet, dass mit einem relativ kleinen Basisstrom (Emitter zu Basis) ein sehr großer Kollektorstrom (Emitter zu Kollektor) ermöglicht wird.

Die beiden tiefen p⁺-dotierten Gebiete dienen zur seitlichen Isolation gegen andere Bauteile. Neben dem Transistor ist zudem ein Widerstand notwendig (nicht in Grafik), da Bipolartransistoren nicht stromlos angesteuert werden können.

Der grundlegende Aufbau und die Funktionsweise eines FinFET unterscheiden sich nicht von einem herkömmlichen MOS-Feldeffekttransistor. So gibt es auch hier einen Source- und Drainanschluss, über die der Stromfluss erfolgt. Die Steuerung des Transistors regelt eine Gateelektrode. Im Gegensatz zum klassischen, in Planarbauweise hergestellten Feldeffekttransistor wird der Kanal zwischen Source und Drain jedoch als dreidimensionale Struktur auf dem Siliciumsubstrat erzeugt, so dass die Gateelektrode diesen von mehreren Seiten umschließen kann. So wird ein wesentlich besseres elektrisches Verhalten ermöglicht: Leckströme können reduziert und Steuerströme besser kontrolliert werden.

Die dreidimensionale Struktur erzeugt jedoch auch neue parasitäre Kapazitäten und minimale Abmessungen (engl. critical dimension), die optimiert werden müssen. Die Gatelänge wird in einem FinFET parallel zum Kanal gemessen, während die Weite des Gates der doppelten Finnenhöhe plus der Finnenbreite entspricht. Die Höhe des Kanals limitiert den Steuerstrom und die Gatekapazität, die Breite beeinflusst die Durchbruchspannung und Kurzkanaleffekte und die daraus resultierenden Größen wie den Stromverbrauch.

Einordnung

Der FinFET ist keine Zukunftstechnik mehr, sondern hat eine abgeschlossene Epoche geprägt. Nachdem er jahrzehntelang erforscht worden war, kam er 2011 erstmals in die Serienfertigung und war über ein Jahrzehnt die Standardbauform aller leistungsfähigen Prozessoren. An den kleinsten Strukturen ist er inzwischen selbst abgelöst worden: Wird die Finne immer schmaler und höher, lässt sie sich mechanisch kaum noch beherrschen, und die Weite des Gates ist nur in Stufen einstellbar – sie ergibt sich aus der Anzahl der Finnen und lässt sich nicht stufenlos wählen. Der Nachfolger löst beide Probleme, indem er die Finne umlegt (siehe Vom FinFET zum Nanosheet).

Im Bereich Bauelemente wird der Aufbau eines Multigate-Transistors mit drei Gates (Tri-Gate) im Bulk-Prozess beschrieben.

Die DRAM-Speicherzelle: 1 Transistor, 1 Kondensator

Eine DRAM-Zelle (Dynamic Random Access Memory) speichert ein einzelnes Bit als elektrische Ladung auf einem Kondensator. Ein Zugriffstransistor verbindet diesen Kondensator bei Bedarf mit der Bitline – ist der Transistor gesperrt, bleibt die Ladung isoliert und das Bit gespeichert; wird er über die Wordline leitend geschaltet, kann die Ladung ausgelesen oder neu geschrieben werden. Diese Zweierkombination aus einem Transistor und einem Kondensator wird als 1T1C-Zelle bezeichnet und ist mit Abstand die flächeneffizienteste Möglichkeit, ein Bit zu speichern – deutlich kompakter als die sechs Transistoren einer SRAM-Zelle, dafür jedoch mit einer entscheidenden Einschränkung: Die gespeicherte Ladung fließt über Leckströme langsam ab und muss periodisch alle paar Millisekunden aufgefrischt werden, daher der Name „dynamisch".

Die Herausforderung beim Zellenentwurf ist rein geometrisch: Ein Kondensator braucht Fläche, um genügend Ladung für ein zuverlässig auslesbares Signal zu speichern – typischerweise im Bereich einiger Femtofarad. Mit jedem neuen Technologieknoten schrumpft die verfügbare Zellfläche jedoch weiter, während die nötige Kapazität nahezu konstant bleibt. Die Fertigungsindustrie hat dieses Problem auf zwei grundlegend verschiedene Weisen gelöst.

Zwei Wege zum selben Ziel: Stack versus Trench

Der Stapel-Kondensator (Stack-Kondensator, dominant bei Samsung, SK Hynix und Micron) baut die benötigte Fläche vertikal oberhalb des Zugriffstransistors auf: Zylindrische oder kronenförmige Elektrodenstrukturen türmen sich über der Waferoberfläche auf und können bei Bedarf – innerhalb der Grenzen der Lithografie und Ätztechnik – nahezu beliebig hoch werden.

Der Trench-Kondensator (Graben-Kondensator, historisch von IBM entwickelt und u. a. bei Infineon/Qimonda eingesetzt) verlagert dieselbe Fläche stattdessen nach unten: Ein tiefer, schmaler Graben wird mehrere Mikrometer in das Substrat geätzt, und die Kondensatorelektroden liegen als konzentrische Zylinderflächen an dessen Wänden. Der große Vorteil dieses Ansatzes liegt in der Prozessreihenfolge: Der Graben – der aufwendigste und kritischste Teil der Fertigung – entsteht bereits vor dem Zugriffstransistor, wodurch der Transistor selbst am Ende einer nahezu ebenen Waferoberfläche gefertigt wird, ohne die hohen Stufen eines fertigen Stapel-Kondensators überwinden zu müssen.

Das folgende Diagramm stellt beide Bauformen im Querschnitt gegenüber; wie der vollständige Trench-Prozess Schritt für Schritt aufgebaut wird, zeigt das Kapitel DRAM-Fertigung: der Trench-Kondensator-Prozess im Bereich Bauelemente.