Halbleiterbauelemente

Die Brücke vom Material zur Anwendung

Für elektronische Bauelemente im CMOS- und Leistungsbereich steht die Technologie an erster Stelle der Forschung und Entwicklung.

Ob einzelne Fertigungsschritte für elektronische Bauteile oder ganze Prototypen, die „Technologie und Fertigung“ steht Ihnen als zuverlässiger Partner bei der Umsetzung Ihrer individuellen Projekte zur Seite. Unser Service-Spektrum umfasst dabei die gesamte Prozesskette: von Mikrotechnologien bis hin zu gedruckten makroelektronischen Systemen. Basierend auf einer umfassenden Reinraumausstattung bilden Silizium- sowie Siliziumkarbidprozesse das Rückgrat der Technologie.

Beispiele laufender Aktivitäten sind Sensor-Bauelemente, die Herstellung fortschrittlicher integrierter Leistungsbauelemente, oder auch die Niedertemperaturabscheidung anorganischer Materialien durch Druckverfahren. Aktuell rückt zudem die heterogene Integration verschiedener Technologien mehr und mehr in den Mittelpunkt. 

• Bauelemententwicklung und Design
  
• Prozessentwicklung
  
• Prozessierung und Prototypenfertigung (π-Fab)
• Charakterisierung und Analysemethoden

Der Bereich Bauelemente steht gleichbedeutend für die Entwicklung innovativer Bauelemente mit besonderem Schwerpunkt auf Leistungselektronik. Dabei ebnen neuartige Konzepte für Bauelemente auf Basis von Halbleitermaterialien (Silizium, Siliziumkarbid u.a.) den Weg für neue und leistungsfähigere Anwendungsgebiete („technology push“).

Unsere Aktivitäten umfassen sowohl die monolithische Integration elektronischer Bauelemente als auch die Entwicklung und Integration passiver Bauelemente. Beispiele sind neue dielektrische Materialien besonders für hochsperrende Kondensatoren sowie das Design und die Herstellung von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik.

Im Hinblick auf stetig steigende Anforderungen an elektronische Bauelemente liegt ein weiterer Forschungsschwerpunkt auf Hochtemperatur-Elektronik und Sensorik, die für den Einsatz unter besonders fordernden Rahmenbedingungen konzipiert sind.

Die heutigen Anforderungen der Digitalisierung und der Wandel hin zu erneuerbaren Energiequellen erfordern neuartige Halbleiterkonzepte. Um den Ansprüchen des Marktes und den Erwartungen der Kunden gerecht zu werden, bieten wir maßgeschneiderte Prozesslösungen zur Realisierung innovativer, energie- und kosteneffizienter Bauelemente auf Basis von Silizumkarbid. Mit Hilfe unserer Erfahrung und unserer Technologie fokussieren wir uns auf Machbarkeitsuntersuchungen von Prototypen und die Erbringung des Nachweises zu deren Herstellbarkeit mittels fortschrittlicher Fertigungsprozesse. Etablierte Prozesse in Kombination mit einem entsprechend ausgerichteten und bereits erprobten Prozessablauf senken die Barriere für die Überführung eines solchen Prototyps in eine Serienfertigung. In solchen Fällen bietet das IISB ebenfalls eine Kleinserienfertigung an, um die Lücke zwischen Prototypenentwicklung und Großvolumenfertigung zu schließen.

• Waferdünnen für 4H-SiC Leistungs-MPS-Dioden: Reduzierung der Gesamtdicke von 370 µm auf 90 µm (65 µm Substratdicke), was zu einer Verringerung des Durchlasswiderstands um 30 % im Schottkybetrieb bzw. um 60 % bei Leitfähigkeitsmodulation führt, wobei die ursprünglichen Sperrfähigkeiten erhalten bleiben.
• Grabenätzung für die 4H-SiC TrenchMOS-Fertigung: Verringerung des Vorwärtswiderstands durch die Erzeugung eines vertikalen Kanals entlang der Grabenseitenwand, was im Vergleich zum planaren MOSFET zu einer geringeren Zellweite ohne JFET-Bereich führt. Infolgedessen ermöglicht eine höhere Zellintegrationsdichte eine Verringerung und Einsparung der Chipfläche und damit auch der Chipkosten.

Als eigenständige Organisationseinheit innerhalb der Halbleiterbauelemente des Fraunhofer IISB steht π-Fab für individuelle Prototyp-Services und eine fortlaufende Silizium-CMOS- sowie Siliziumkarbid-Produktionslinie im industriekonformen Umfeld. Möglich machen das mehr als drei Jahrzehnte intensiver mikroelektronischer Forschung und Entwicklung, in denen wir unsere Aktivitäten im Bereich industrieorientierter Prototypentwicklung für leistungselektronische Halbleiterbauelemente in Kleinserienfertigung immer weiter ausbauen konnten. Heute liegt der Fokus vor allem auf Leistungsbauelementen, CMOS-Bauelementen, passiven Bauelementen, Sensoren und MEMS. Unsere Herstellungsprozesse zeichnen sich durch besonders hohe Flexibilität hinsichtlich eingesetzter Wafermaterialien und -größen aus. Siliziumwafer mit Durchmessern von 150 mm bis 200 mm können standardmäßig verarbeitet werden – weitere Größen auf Nachfrage. Die gesamte Prozesslinie basiert dabei auf einer 0,8-μm-Si-CMOS-Technologie und wird durch hochqualitative Kontaminationskontrolle gestützt.

Spezielles Augenmerk liegt zudem auf der Herstellung von Siliziumkarbid-Bauelementen mit Wafergrößen von 100 mm und 150 mm. Um auch in diesem Fall die Umsetzung aller gewünschten Prozessschritte , etwa Epitaxie, ICP-Trockenätzen, Wachstum von Siliziumdioxid, Aluminiumimplantation bei erhöhter Temperatur, Aktivierungstempern oder auch leitende Kontaktlegierung, zu gewährleisten, steht zusätzliches Equipment zur Verfügung. Zusätzlich fungiert π-Fab auch als Plattform zur Beurteilung und Optimierung für Prozessausstattung und wir unterstützen unsere Kunden auch bei Themen der Fertigungskontrolle. Damit formt die Prototyp-Fabrik gleichermaßen auch die Basis für die am IISB angebotenen SiC-Services, welche die volle Prozesskette vom Material, über Bauelemente bis hin zu SiC-Modulen und Mechatronik-Systemen abdeckt.

Charakterisierung

Leistungs- und Zuverlässigkeitscharakterisierung durch Messung der Bauelemente-Performance, statistische Prognose der Bauelementezuverlässigkeit unter Berücksichtigung einzelner Ausfallmechanismen sowie Prozessbewertung auf der Grundlage von Yield-Analysen. Zusätzlich werden elektrische Kontaminationsanalysen wie Ladungsträgerlebensdauer-Messungen oder DLTS zur Prozesskontrolle oder Materialcharakterisierung angeboten.

Kontaminationskontrolle

Auf dem Gebiet der Kontaminationskontrolle entwickeln wir analytische Methoden und Probenpräparationsmethoden oder passen sie kundenspezifisch an. Es werden sowohl More-Moore- als auch More-than-Moore-Anwendungen behandelt. Unser Schwerpunkt liegt auf der Entwicklung fortschrittlicher Kontaminationskontrollmethoden zur Steigerung des Yields. Gemeinsam mit Partnern entwicklen wir Lösungen zur Charakterisierung von Wafern, Prozessen, Medien, Materialien und Geräten hinsichtlich ihres Kontaminationsverhaltens, zur Bestimmung von Kontaminationsquellen und zur Zertifizierung der Reinraumtauglichkeit.

Präparation und Analyse von Nanostrukturen mittels fokussiertem Ionenstrahl (FIB)

Mit mehreren Zweistrahl-Anlagen aus Rasterelektronenmikroskop (REM/SEM) und fokussiertem Ionenstrahl (Focused Ion Beam, FIB) können wir zeitgleich und auf den Nanometer genau beliebige Materialien bearbeiten und abbilden. So ist eine Fehleranalytik in aufgebauten Systemen genauso möglich wie die Darstellung von Dotierungs- und Schädigungsverläufen implantierter Bauelemente, die Querschnittsanalyse in einem Schichtsystem oder lokale Prozesskontrolle auf Wafern. Unsere über Jahrzehnte aufgebaute Erfahrung mit den unterschiedlichsten Materialien eröffnet eine lange Liste an Präparations- und Analysemöglichkeiten von Halbleitermaterialien über Polymere, Gläser, Diamant, Knochen, Metalle, Kristalle, Keramiken, …