Chemie in der Halbleiterfertigung

Ein moderner Mikrochip durchläuft mehrere hundert Prozessschritte, und fast jeder davon ist Chemie: Gase reagieren auf heißen Oberflächen, Säuren lösen Schichten ab, Fotolacke verändern sich unter Licht. Dieser Artikel führt dich durch die wichtigsten Stationen – von der Gewinnung des Siliziums bis zur Verdrahtung auf dem Chip.

Vom Sand zum Reinstsilizium

Silizium ist nach Sauerstoff das zweithäufigste Element der Erdkruste, kommt aber nur gebunden vor, vor allem als Quarz (SiO₂). Im Lichtbogenofen wird Quarz bei rund 2000 °C mit Kohlenstoff reduziert:

Dieses Rohsilizium ist zu etwa 98–99 % rein – für Aluminiumlegierungen genug, für Halbleiter viel zu schmutzig. Im Siemens-Verfahren wird es deshalb mit Chlorwasserstoff in das flüssige Trichlorsilan überführt, das sich durch Destillation extrem rein gewinnen lässt:

Anschließend kehrt man die Reaktion um: An glühenden Siliziumstäben scheidet sich aus Trichlorsilan und Wasserstoff wieder Silizium ab – jetzt mit einer Reinheit von 99,9999999 % („neun Neunen“) und besser.

Aus der Schmelze dieses Reinstsiliziums zieht man nach dem Czochralski-Verfahren einen Einkristall von bis zu 300 mm Durchmesser, der in etwa 0,75 mm dünne Scheiben gesägt und spiegelglatt poliert wird – die Wafer.

Oxidieren: der perfekte Isolator

Eine große Stärke von Silizium ist sein Oxid. Bei 900 bis 1200 °C wächst auf dem Wafer eine gleichmäßige, fast fehlerfreie Schicht Siliziumdioxid – trocken mit Sauerstoff oder schneller mit Wasserdampf:

Das Oxid dient als Maske beim Dotieren, als Isolation zwischen Bauelementen und klassisch als Gate-Isolator des MOSFETs. In modernen Chips ersetzt man es dort durch Materialien mit höherer Dielektrizitätszahl wie Hafniumoxid – mehr dazu unter Grenzen der Halbleitertechnik.

Fotolithografie und Ätzen

Um Strukturen zu erzeugen, wird der Wafer mit einem Fotolack beschichtet und durch eine Maske belichtet. Beim Positivlack werden die belichteten Stellen im Entwickler löslich und verschwinden; zurück bleibt eine Lackschablone. Durch sie hindurch wird die darunterliegende Schicht abgetragen:

• Nassätzen: Flusssäure löst Siliziumdioxid, greift Silizium aber kaum an:

• Trockenätzen: In einem Plasma aus fluor- oder chlorhaltigen Gasen entstehen reaktive Teilchen, die – von einem elektrischen Feld beschleunigt – senkrecht nach unten ätzen. So entstehen steile Wände für sehr feine Strukturen, während Nassätzen in alle Richtungen gleich schnell und damit unter die Maske ätzt.

Danach wird der Lack entfernt, und der Zyklus beginnt für die nächste Schicht von vorn. Ein heutiger Prozessor braucht davon mehrere Dutzend.

Dotieren, Abscheiden, Verdrahten

• Dotieren: Bor-, Phosphor- oder Arsenatome werden heute meist per Ionenimplantation eingeschossen – ionisiert, im Feld beschleunigt und mit genau dosierter Menge. Ein anschließendes Ausheizen setzt sie auf Gitterplätze und heilt Strahlenschäden aus.
• Abscheiden: Bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) reagieren Gase an der heißen Waferoberfläche und hinterlassen eine feste Schicht, etwa Siliziumnitrid aus Silan und Ammoniak. Die Atomlagenabscheidung (ALD) baut Schichten sogar Atomlage für Atomlage auf.
• Verdrahten: Die Leitbahnen bestehen heute meist aus Kupfer. Weil sich Kupfer schlecht ätzen lässt, ätzt man Gräben in den Isolator, füllt sie galvanisch mit Kupfer – eine Anwendung der Elektrolyse – und schleift den Überstand durch chemisch-mechanisches Polieren (CMP) wieder ab.

Reinheit über alles

Ein Staubkorn von 1 µm ist bei Strukturen im Nanometerbereich ein Felsbrocken. Chips entstehen deshalb in Reinräumen, deren Luft tausendfach sauberer ist als in einem Operationssaal. Auch die Chemikalien sind extrem rein: Das Spülwasser („Reinstwasser“) ist so ionenarm, dass sein spezifischer Widerstand mit 18,2 MΩ·cm nahe am theoretischen Grenzwert für reines Wasser liegt – Leitungswasser liegt bei wenigen kΩ·cm.

Der Aufwand hat eine Kehrseite: Das Gewinnen und Reinigen der Rohstoffe frisst viel Energie, und die Fabriken brauchen große Mengen Wasser und Chemikalien. Säuren, Lösungsmittel und giftige Prozessgase wie Arsin oder Phosphin müssen aufwendig aufgefangen, neutralisiert und entsorgt werden, damit sie nicht in die Umwelt gelangen.

Mehr als Silizium

Silizium ist der Hauptdarsteller, doch ohne eine ganze Reihe weiterer Elemente käme kein Gerät aus:

• Tantal ist hitze- und säurefest und bildet ein sehr dünnes, stabiles Oxid. Daraus entstehen Tantal-Elektrolytkondensatoren mit großer Kapazität auf kleinstem Raum; im Chip dient Tantalnitrid als Sperrschicht, damit Kupfer nicht ins Silizium wandert. Gewonnen wird es vor allem aus dem Erz Coltan, das zu einem großen Teil aus Zentralafrika stammt – dort finanziert der Abbau teils bewaffnete Konflikte, weshalb Tantal zu den „Konfliktmineralien“ zählt, deren Herkunft Hersteller nachweisen müssen.
• Niob ist dem Tantal chemisch eng verwandt und steckt im selben Erz. Es wird vor allem für hochfeste Stähle und Superlegierungen genutzt, in der Elektronik für Niob-Kondensatoren und als Supraleiter in den Magneten von Teilchenbeschleunigern und MRT-Geräten.
• Molybdän ist ein hochschmelzendes Metall, das Stahl härter macht. In Flachbildschirmen bildet es die Leitschichten der Dünnschichttransistoren (TFT), Molybdändisulfid ist ein Trockenschmierstoff.
• Gallium schmilzt schon knapp unter 30 °C und dehnt sich beim Erstarren aus – wie Wasser. Als Verbindungshalbleiter steckt es in Galliumnitrid für blaue LEDs und Leistungstransistoren und in Galliumarsenid für Hochfrequenzbausteine, Laserdioden und hocheffiziente Solarzellen in Satelliten.
• Antimon dient als n-Dotierstoff, in Halbleitern wie Indiumantimonid für Infrarotsensoren und als Antimontrioxid im Flammschutz von Kunststoffen und Kabelisolierungen.

Die gleichen Grundtechniken – Belichten, Entwickeln, Ätzen, galvanisch Abscheiden – findest du übrigens in größerem Maßstab bei der Leiterplattenfertigung wieder, und in noch kleinerem in der Nanoelektronik.

Selbsttest