Silizium hat sich zum Standardmaterial in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik entwickelt. Nennen Sie mindestens drei Gründe, warum sich Silizium in der Mikroelektronik durchgesetzt hat.
günstig bei super Qualität gut erforschte Technologie Halbleiter => Integration von Halbleiterbauteilen möglich gibts wie Sand am Meer monolithische Integration möglich (Elektronik und Mechanik auf 1 chip)
Silizium hat sich zum Standardmaterial in der Mikroelektronik und
Mikrosystemtechnik entwickelt. Nennen Sie mindestens zwei Gründe, warum
sich Silizium in der Mikrosystemtechnik durchgesetzt hat.
Monolithische Integration meist möglich (Mechanik und Elektronik auf 1 Chip, viele Prozesse sind CMOS-kompatibel) Anlagen und Know-How schon von ME verfügbar Mechanische Eigenschaften von Si-Einkristall (Ermüdungsfrei, gute Festigkeit) Anisotrope Ätzbarkeit Si-Eigenschaften können leicht modifiziert werden (el/therm. Isolator usw.)
In welcher Hauptgruppe (Spalte) und in welcher Periode (Zeile) steht Silizium im
Periodensystem?
HG 4 Periode 3
Nennen Sie je ein Element, welches in der dritten und der fünften Spalte im
Periodensystem steht und welches in der Herstellung von mikroelektronischen
Schaltungen verwendet wird. Wofür werden diese Elemente in das Silizium
eingebracht.
3. HG: Bor (p-Dotierung) 5. HG: Phosphoer (n-Dotierung) Änderung el. Eigenschaften, pn-Übergänge, Piezoresistive Widerstände, Ätzstopp,...
Geben Sie größenordnungsmäßig den Schmelz- und den Siedepunkt von
Silizium an.
Schmelzpunkt: 1415 °C Siedepunkt: 2953°C
Geben Sie die Anzahl der freien Valenzelektronen von Silizium an?
4
Welches Kristallgitter besitzt Silizium, und wie sind die Atome im Kristallgitter
angeordnet?
Diamantstruktur (kfz, die um 1/4 Raumdiagonale verschoben sind)
Welche Energie ist notwendig um bei Silizium ein Elektron vom Valenzband in
das Leitungsband zu heben?
1,12 eV
Nennen Sie zwei der wichtigsten Siliziumverbindungen und dazu jeweils zwei
typische Anwendungsfelder.
SiO2: Stressausgleichsschicht, el/therm. Isolator Si3N4: Ätzmaske, el/therm. Isolation, Passivierung (z.B. thermische Oxidation oder Dotieren durch Diffusion),.....
Wie lautet die Bildungsregel für die Millerschen-Indizes?
Was bedeutet ein Querstrich über einer Zahl?
1. Schnittpunkte Ebene mit Achsen in Gitterkonstatenvielfachen 2. Kehrwerte 3. Negative Werte => Oberstrich 4. Durchmultiplizieren mit kleinstem gemeinsamem Nenner
Welche „Flats“ kennzeichnen einen p-dotierten Wafer mit (100)-Waferoberfläche?
Primary flat: 0 Grad (projizierte <110> Richtung) Secondary flat: 90 Grad Secondary flats (100)-Wafer: 90° (p-dotiert) & 180° (n-dotiert) secondary flats (111)-Wafer: 0° (p-dotiert) & 45°(n-dotiert)
Welche „Flats“ kennzeichnen einen n-dotierten Wafer mit (100)-Waferoberfläche?
primary: 0° secondary: 180°
Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111}-Ebenen
eine (100)-Waferoberfläche?
54,74°
Unter welchen Winkeln schneidet die Gruppe aller äquivalenten {111}-Ebenen eine (110)-Waferoberfläche?
35,26° und 90°
Welche der genannten Materialkien (Si, Al, Glas, Si3N4) wählen Sie aus, wenn Sie (a) Wärme möglichst effizient ableiten wollen bzw. (b) Wärme möglichst effizient isolieren wollen? Begründen Sie ihre Wahl.
Wärmeleitung: Al - Si - Si3N4 - Glas Grund: absteigender Wärmeleitkoeffizient. Hat was mit kristallin- und amorph zu tun?
Was ist das Ausgangsmaterial zur Herstellung von hochreinem einkristallinem Silizium?
Quarzit (Gestein/Sand mit sehr hohem Quarzgehalt, SiO2)
Was ist der Unterschied zwischen polykristallinem und einkristallinem Silizium?
Einkristallin: ermüdungsfrei, keine inneren Spannungen, keine Korngrenzen/Kristallgrenzen, anisotropes Verhalten (mechanisch, KOH-Ätzen usw)
Benennen und beschreiben Sie die Teilprozesse zur Herstellung eines Siliziumkristalls bis zum einkristallinen Siliziumstab?
1. Reduktion zu metallurgischem Sillizium (MGS; C-Elektroden im Lichtbogenofen => Si mit Reinheit von 98%) 2. Erzeugung von Trichlorsilan (HSiCl3): feinmahlen, gasförmiges HCl reagiert bei 600K mit Si zur gasförmigem Trichlorsilan, Destillation (Siedep. 31,8°C) 3. Rückreaktion (Silizium-Abscheidereaktor), CVD: bei 1700K reagiert Trichlorsilan mit H2 zu Si; Abscheidung an dünnem Si-Stab => polykristalliner Si-Stab, EGS mit Reinheit im ppb Bereich 4. Tiegelziehverfahren (aufschmelzen und bei Schutzgas und Rotation & u.U. Dotierstoff mit Impfkristall langsam kontrolliert rausziehen, epitaktisches Wachstum) oder Zonenziehverfahren (Schutzgas, Dotiergas, Länge nach induktiv lokal aufschmelzen, Segregation und epitaktisches Wachstum)
Beschreiben Sie das „Tiegelziehverfahren“. Wie kann beim „Tiegelziehverfahren“ dotiert werden?
Si in beheiztem Quarztiegel (SiO2) verflüssigt, Schutzgasatmosphäre , Impfkristall kontrolliert, langsam und unter Rotation herausziehen => einkristalline Fortsetzung. Dotieren: Dotierstoff in Si-Flüssigkeit lösen Problem oft: Quarztiegel-Sauerstoff (Segregationskoeff > 1) Auch Czoralsky-Verfahren genannt
Welche Reinheit weist Metalurgical Grade Silicon (MGS) auf?
98%
Was versteht man unter fraktionierte Destillation und zu welchem Zweck wird sie bei der Siliziumherstellung eingesetzt?
Trennung von Stoffen mit verschiedenen Siedepunkten via Verdampfen und Kondensation (HSiCl3, H2, HCl, Verunreinigungen). Trichlorsilan hat Siedepunkt von 31,8 °C was weit von anderen weg ist. => weitere Aufreinigung
Welche Reinheit weist Electronic Grade Silicon (EGS) auf?
ppb-Bereich
Wie funktioniert die Reinigung eines Siliziumkristalls durch „Segregation“? Beschreiben Sie darauf aufbauend das „Zonenziehverfahren“ für die Herstellung großer einkristalliner Siliziumstäbe. Wie kann der Siliziumstab beim Zonenziehverfahren dotiert werden?
Segregation bedeutet, die Sättigungskonzentration eines Stoffes ist in der festen Phase des Siliziums geringer als in der flüssigen Phase des Siliziums. Dadurch kann durch Aufschmelzen und Erstarren lassen die Reinheit bei einem Segregationskoeff. > 1 erhöht werden: Sekretationskoeff k = c_sat_solid / c_sat_liquid Zonenziehverfahren Polykristallinen Stab der Länge nach über Induktionsspule lokal aufschmelzen, wobei an Startseite Impfkristall. Mehrmals, wenn hohe Reinheit gewünscht. Auch hier Rotation an Schmelzzone. Schutzgas und u.U. Dotiergas hinzu. Vorteil: berührungsloses Aufschmelzen, d.h. keine Quarztiege.-Verunreinigung.
Was versteht man unter „Zonenreinigen“?
Mehrmaliges Zonenziehverfahren, wobei jeweils Reinigung durch Segregation stattfindet (zumindest für Stoffe mit Segregationskoeff. < 1)
Mit welchem Verfahren („Tiegelziehverfahren“ oder „Zonenziehverfahren“) können sehr hochohmige Si-Wafer (ca. 2000 Ohm*cm) hergestellt werden? Begründen Sie ihre Wahl.
vermutlich durch das Zonenziehverfahren, da hier mehrmaliges Aufschmelzen und Erstarren möglich ist, wobei ja jedesmal Segregation genutzt werden kann. Dadurch geringere Konz. an z.B. B und P und somit weniger leitfähig?
Nennen und erläutern sie mindestens drei verschiedene Typen von Wafer-Fehlern.
Parallelitätsabweichung (Dicke nicht konstant) Durchbiegung Verwerfung (zwar gleiche Dicke, aber Wellen-Durchbiegung) Fehlorientierung des Flats
Ausbeutebetrachtung: Ein Wafer wird in n Prozessschritten hergestellt. Jeder einzelne Prozessschritt wird mit einer Ausbeute YSi beherrscht. Wie berechnet sich die Gesamtausbeute an fehlerfrei prozessierten Wafern?
Produkt der Ausbeuten jedes Einzelschritts.
Beschreiben Sie die Funktionsweise einer Diode. Was ist die Raumladungszone und durch welchen Mechanismus entsteht sie?
pn-Übergang. Dotieratome 3. HG fangen 1 Elektron ein => Loch entsteht; Lochüberschuss bei beweglichen Ladungsträgern; Löcher sind Majoritätsladungsträger. Ferminiveau gesenkt Dotieratome 5. HG geben 1 Elektron ab => Elektronenüberschuss bei beweglichen Ladungsträgern; Elektronen Majoritäsladungsträger. Ferminiveau erhöht. Majoritätsladungsträger diffundieren in jeweils anderes Gebiet (Thermodynamik) und rekombinieren dort (=> ortsfeste Ionen). Das geht bis das sich einstellende Feld so stark entgegenwirkt dass kein Nettostrom mehr (Driftstrom) --> Raumladungszone. Die Ladungen in der RLZ sind nicht beweglich, darum wirkt sie als Isolator. Je geringer die Dotierung, desto größer die RLZ (Nutzung bei Bipolartransistor: Basis nur schwach dotiert) Durchlassrichtung: p an Pluspol n an Minuspol (angelegte Spannung wirkt Diffusionsspannung entgegen; Abbau der Sperrschicht und ungebremste Diffusion/Stromfluss)
Wie sieht die Kennlinie einer Diode aus? Beschriften Sie die Achsen.
rechts exponentiell, wobei 0,7V Diffusionsspannung
Beschreiben Sie die Funktionsweise eines Bipolar-Transistors. Zeichen Sie den Aufbau des Transistors und benennen Sie die unterschiedlich dotierten Bereiche. Wo befinden sich Raumladungszonen?
Dünne Basis zwischen Emitter und Collektor. U_CE wird so angelegt dass BE-RLZ in Durchlassrichtung und BC-RLZ in Sperrichtung. Da BC-RLZ sperrt fließt zwischen E und C nur der Sättigungssperrstrom der BC-RLZ (der entsteht dadurch dass immer wieder statistisch Minoritätsladungsträger in beiden Seiten generiert werden und z.T. wegen dem Feld der RLZ in die andere Zone gezogen werden). Jetzt wird aber eine zweite Spannung in Durchlassrichtung der BE-RLZ angelegt. Somit wird die Basis mit den Majoritätsladungsträgern des E (also ihren Minoritätsladungsträgern) quasi überschwemmt. Man sorgt dafür dass die Basis so dünn ist, dass die angeschwemmten Minoritätsladungsträgern nicht mit den Majoritätsladungsträgern rekombinieren, sondern bis zur BC-RLZ durchkommen. Dort werden sie vom BC-RLZ-Feld angesaugt und es fließt Strom.
Beschreiben Sie die Funktionsweise eines CMOS-Transistors. Wie ist er aufgebaut? Zeichen Sie den Aufbau des Transistors und benennen Sie die unterschiedlich dotierten Bereiche.
Aufbau Gate, Drain, Source statt Basis, Collektor und Emitter analog zu Bipolar: Drain und Source selbe Dotierung, nur beide stark dotiert; Gate anders dotiert Gateoxid: heute high-k-Dielektrika; einige nm dick Gateelektrode: i.d.R. Polysilizium Polarität der Spannungen gleich (Beispiel pnp: Source positiv zu Gate geschalten und nochmal extra positiv zu Drain) vierter Anschluss am Substrat: mit Source verbunden Funktionsweise Gate-Source-Spannung zieht Minoritätsladungsträger des Gate-Materials an, Kondensator lädt sich auf Minoritätsladungsträger rekombinieren, wenn die Spannung groß genug ist gibt es lokal keine Majoritätsladungsträger mehr zum rekombinieren, es entsteht ein Minoritätsladungsträger-leitender Kanal ("Inversionszone") zwischen Drain und Source je stärker die GS-Spannung, desto mehr Ladungsträger sind vorhanden und desto größer der Strom der durch U_DS entsteht Inversionszone ist keilförmig wegen der Überlagerung mit den Feldern an den einzelnen Diodenübergängen (an Source breiter, an Drain schmäler)
Was ist ein „Fin-FET“? Zeichnen Sie den Aufbau eines „Fin-FET“ und benennen Sie die Anschlüsse. Welche Vorteile bringt ein „Fin-FET“?
Definition: FETs, bei denen der Bereich unter der Gateelektrode nicht 2D ist, sondern nur wenige nm dünn ist und herausragt und von Gateoxid- und Elektrode umschlungen ist. Vorteile: geringere Gatelänge nötig (aktuell 22nm von Intel) kürzere Schaltzeiten (da dünn) weniger Energie weniger Temperaturempfindlich geringeres Rauschen kleinere Leckströme (GS)
