Halbleitertechnologie von A bis Z

In der Halbleiterfertigung werden Strukturen auf Siliciumscheiben mittels lithografischer Verfahren hergestellt. Dabei wird zuerst ein strahlungsempfindlicher Film, meist eine Fotolackschicht, auf dem Wafer aufgebracht, strukturiert und mit Ätzverfahren in die darunter liegende Schicht übertragen.

Die Fototechnik beinhaltet dabei folgende Prozessschritte:

• Aufbringen eines Haftvermittlers und Entfernen von Wasser auf dem Wafer
• Belacken der Wafer
• Stabilisieren der Lackschicht
• Belichten
• Entwickeln des Lackes
• Aushärten des Lackes
• Kontrolle

Bei einigen Prozessen wie der Ionenimplantation, dient der Fotolack als Schutzschicht um bestimmte Bereiche auf dem Wafer von der Implantation auszuschließen. Eine Übertragung der Lackmaske durch einen Ätzprozess findet hier nicht statt.

Zu Beginn werden die Wafer gereinigt und ausgeheizt (Pre-Bake) um anhaftende Partikel zu beseitigen und angelagertes Wasser zu entfernen. Die Oberfläche der Wafer ist Wasser anziehend (hydrophil) und muss vor dem Aufbringen der Lackschicht hydrophob, also Wasser abstoßend und somit Lack anziehend gemacht werden. Dazu wird auf den Wafern ein Haftvermittler, meist Hexamethyldisilazan (HMDS), aufgebracht. Die Wafer werden dabei dem Dampf dieser Flüssigkeit ausgesetzt, so dass sich die Scheibenoberflächen damit benetzten.

Durch die Feuchtigkeit in der Umgebungsluft befinden sich auch nach dem Ausheizen immer Wasserstoff H oder Hydroxidionen OH^- an der Waferoberfläche. Das HMDS spaltet sich in Trimethylsiliciumgruppen Si(CH₃)₃ auf und entfernt den Wasserstoff unter Bildung von Ammoniak NH₃.

Die Belackung der Wafer erfolgt durch eine Schleuderbeschichtung auf einem drehbaren Teller mit Vakuumansaugung (Chuck). Bei niedriger Drehzahl wird Lack in der Mitte der Scheibe aufgespritzt und dann bei 2000–6000 Umdrehungen pro Minute durch die Zentrifugalkraft zu einer homogenen Lackschicht auseinander gezogen. Deren Dicke beträgt je nach anschließendem Prozess bis zu 2 µm. Die Dicke hängt dabei von der Drehzahl und der Zähigkeit (Viskosität) des Lackes ab.

Damit der Lack auf der Scheibe gleichmäßig verfließen kann enthält er Wasser und Lösungsmittel, die ihn weich machen. Zur Stabilisierung der Lackschicht wird der Wafer danach bei ca. 100 °C ausgeheizt (Post-Bake bzw. Soft-Bake). Wasser und Lösungsmittel werden teilweise verdampft, eine Restfeuchtigkeit muss für die Belichtung erhalten bleiben.

Heutzutage kommen auf Grund der geringen Strukturgrößen oft noch weitere Hilfsschichten zum Einsatz, welche entweder vor oder nach dem Fotolack auf dem Wafer aufgebracht werden. Diese Schichten können u. a. als Antireflexschicht oder zur zusätzlichen Planarisierung dienen.

In einer Belichtungsanlage befindet sich eine Glasmaske die teilweise mit Chrom beschichtet ist, dadurch werden partiell Bereiche des belackten Wafers belichtet und andere abgeschattet.

Je nach Art des Lackes werden belichtete Teile löslich oder unlöslich. Mit Hilfe einer Entwicklerlösung werden die löslichen Bereiche entfernt, so dass eine strukturierte Lackschicht erhalten bleibt. Bei Positivlack spaltet sich ein Stickstoffmolekül N₂ durch das energiereiche UV-Licht ab. Zurück bleibt ein Keto-Karben, das sich aus energetischen Gründen zu Keten (CH₂=C=O) umwandelt. Unter Aufnahme von Feuchtigkeit aus der Umgebungsluft bildet sich aus dem Keten eine Carbonsäure.

Die Belichtungszeit ist sehr wichtig damit die Strukturen die exakte Größe erhalten. Je länger die Scheibe den Strahlen der Belichtungsanlage ausgesetzt wird, desto größer werden dabei die belichteten Bereiche. Eine exakte Bestimmung der korrekten Belichtungsdauer zum Erreichen der vorgegebenen Strukturbreiten mit einem oder mehreren Testwafern (Vorläufern) ist notwendig, da sich der Lack je nach Umgebungstemperatur auch unterschiedlich verhalten kann.

Bei einer Überbelichtung werden Lackstege und damit die darunter liegenden Strukturen zu klein, Kontaktlöcher werden zu groß. Bei einer zu kurzen Belichtungszeit sind die Kontaktlöcher nicht geöffnet, Leiterbahnen sind zu breit und stehen unter Umständen miteinander in Kontakt. Zudem führt eine schlechte Fokussierung zu unbelichteten Bereichen, so dass Kontaktlöcher bei der Entwicklung später nicht freigelegt werden und zwischen Leiterbahnen Verbindungen bestehen bleiben, die zu Kurzschlüssen führen.

Je nach nachfolgendem Prozess muss das Lackmaß, also die Breite der Lackstege oder die Größe der Kontaktlöcher angepasst werden. Bei isotropen Ätzungen (die Ätzung geschieht sowohl in vertikaler als auch horizontaler Richtung) wird die Maskierung nicht 1:1 in die zu strukturierende Schicht übertragen.

Zur Belichtung werden je nach Anforderung energiereiche Strahlen wie UV-Licht, Röntgenstrahlung, Elektronenstrahlen und Ionenstrahlen eingesetzt. Dabei gilt, je kürzer die Wellenlänge der Strahlung, desto kleiner sind auch die erreichbaren Strukturbreiten.

In der Vergangenheit nutzte man Strahlung mit 436 nm und 365 nm Wellenlänge (Quecksilberdampflampen). Bei den kleinsten Strukturen kommen heutzutage Laser mit 193 nm (Argonfluorid) zum Einsatz, für größere Strukturen 248 nm (Kryptonfluorid). Als nächster Schritt wird der Wechsel zu extremer UV-Strahlung mit 13,5 nm erwartet. Ursprünglich waren auch Stickstofflaser mit 157 nm geplant, welche jedoch auf Grund der dafür notwendigen Kaliumfluoridlinsen nicht praktikabel sind, da diese Feuchtigkeit aus der Luft absorbieren. Zudem wäre eine Immersionsbelichtung mit Wasser nicht möglich, da Licht mit einer Wellenlänge von 157 nm von Wasser absorbiert wird.

Durch den Einsatz spezieller Belichtungsmasken, können Strukturen aufgelöst werden, deren Dimensionen unter der der verwendeten Belichtungswellenlänge liegen. Zudem kann das Auflösungsvermögen mit Flüssigkeitsfilmen im Linsensystem (Immersionsbelichtung) und anderen optischen Techniken erhöht werden. Damit können auch aktuelle Strukturen mit minimalen Abmessungen von 22 nm nach wie vor mit einer Belichtungswellenlänge von 193 nm hergestellt werden. Nach dem neuesten Stand könnten sogar Strukturbreiten von nur noch 8 nm mit Immersionsbelichtung und 193 nm Wellenlänge realisiert werden.

Während Quecksilberdampflampen und Gaslaser bei der Belichtung von Wafern Anwendung finden, werden Röntgen- und Ionenstrahlen meist für Forschungszwecke eingesetzt. Elektronenstrahlschreiber werden zur Herstellung der Fotomasken verwendet.