Herstellungsprozess von Halbleiterbauelementen und die Rolle der Belichtungsmasken

Einer der wichtigsten Prozesse in der Herstellung von Halbleiterbauelementen, egal ob ICs und Chips oder Sensoren, ist die Fotolithographie. Es ermöglicht die präzise Strukturierung der Oberfläche eines Siliziumwafers durch einen mehrstufigen Belichtungs- und Ätzprozesses.

Zuerst lässt man eine dünne Schicht Siliziumoxid auf dem Wafer aufwachsen und lackiert diese anschliessend mit einem Lichtempfindlichen Lack, dem Fotoresist. Dessen chemische Eigenschaften werden durch das Bestrahlen mit Licht verändert, sodass nichtbelichteten Stellen löslich bleiben und die belichteten unlöslich werden. Auch der umgekehrte Vorgang wird zum Teil verwendet, also ein Lack der unter Bestrahlung mit Licht löslich wird, jedoch werden bei beiden Prozessen bestimmte Stellen durch das verwenden einer Belichtungsmaske abgeschattet. Anschliessend kann der lösliche Fotoresist entfernt werden.

Im darauffolgenden Ätzprozess wird das Siliziumoxid an den nicht von Fotoresist bedeckten Stellen abgetragen. Somit wurde die Struktur von den Belichtungsmasken zuerst auf den Fotoresist und anschliessend in die Siliziumoxidschicht übertragen. Die durch das Ätzen entstandenen Fenster in der Oxidschicht können nur verwendet werden, um beispielweise darunterliegende Schichten beispielsweise mit Ionen zu beschiessen und deren Eigenschaften zu verändern. Eine weitere Möglichkeit ist das Bedampfen mit einem Metal (meist Aluminium) wodurch elektrische Kontakte zwischen den Schichten hergestellt werden können.

Für die Herstellung von Siliziumstreifensensoren sind sieben bis neun solcher Strukturierungsdurchläufe notwendig und ebensoviele Belichtungsmasken. Das Design der Belichtungsmasken ist dabei entscheidend für das physikalische Layout des Halbleiterbauteils und ist somit massgeblich für das Funktionieren des Sensors verantwortlich.

Die nebenstehene Grafik illustriert den Herstellungsprozesses von Teststrukturen wie er vom polnische Partnerinstitut ITE Warsaw 2007 implementiert wurde (nur in englischer Sprache).

Maskendesign am HEPHY

Der Fachbereich für Halbleiterdetektoren hat den Framework SiDDaTA zur einfachen Erstellung von Belichtungsmasken für Streifensensoren und Testrukturen entwickelt. Das Layout der Masken wird dabei durch das Setzen von Parametern definiert und automatisiert gezeichnet. Das händische Zeichnen von Strukturen ist nicht notwendig.

Durch den Ansatz des programmierten Designs, können Änderungen an entscheidenden Parametern, die ein neuerliches Zeichnen der gesamten Masken notwendig machen, einfach und in sekundenschnelle ausgeführt werden.

Derzeit ist das Designframework für Mentor Graphics EDA Design Suite umgesetzt. Wir ermöglichen damit sowohl das Design von kompletten Streifensensoren, aber auch von individuellen Teststrukturen.

Das Standardset von Teststrukturen zur Qualitätskontrolle bei der Herstellung von Streifensensoren kann auf unterschiedliche Herstellungsprozess angepasst werden.

Wenn sie sich genauer Informieren wollen, werfen sie eine Blick in die Dissertation von Marko Dragicevic.