mini|Integrierter Schaltkreis (IC). Das Chip-Gehäuse wurde geöffnet und ermöglicht den Blick auf den eigentlichen Halbleiter. Die erkennbaren Strukturen im Zentrum sind die realisierte elektronische Schaltung. Im Außenbereich sind die goldenen Anschlussleitungen zu erkennen, die die elektrische Verdrahtung zwischen IC und Gehäusekontakten bilden.
Die Halbleitertechnik (HLT) ist ein technischer Fachbereich, der sich mit Entwurf und Fertigung von Produkten auf der Basis von Halbleitermaterialien beschäftigt, vor allem mit denen für mikroelektronische Baugruppen, beispielsweise integrierte Schaltungen. Historisch wird sie, aufgrund der Verwendung der Produkte als Schlüsselkomponenten in elektrotechnischen Erzeugnissen, als Teilgebiet der Elektrotechnik, speziell der Mikroelektronik und Nanoelektronik, gesehen. Trifft man die Zuordnung aufgrund der eingesetzten Methoden, Verfahren und materialtechnischen Eigenschaften der hergestellten Produkte, ist auch eine Zuordnung zu den Bereichen Chemietechnik und Keramik möglich.
Verwandte oder abgeleitete Fachbereiche sind die Mikrosystemtechnik und die Photovoltaik. Diese beiden nutzen ebenfalls Verfahren der Halbleitertechnik, verwenden aber im Kern keine mikroelektronischen Schaltkreise. Da die Grenzen zur Halbleitertechnik fließend sind, werden jedoch zunehmend auch Mikrosysteme und die Auswertungselektronik auf einem Substrat integriert; beispielsweise bei Smart-Sensoren.
In der Praxis gibt es zwei verschiedene Sichtweisen auf die Halbleitertechnik:
Die Einzelprozess-Sicht: Dabei werden die struktur- oder eigenschaftsändernden Verfahren an sich unter dem Aspekt betrachtet, welche Parameter der Prozesse zu den gewünschten physikalischen Eigenschaften wie Dimension, Leitfähigkeit, Homogenität etc. führen. Die Integrationssicht: Dabei wird die zu realisierende Struktur – eine Transistor- oder eine Leitungsebene – unter dem Aspekt betrachtet, welche Einzelprozesse zu den gewünschten elektrischen – oder seltener mechanischen oder optischen – Eigenschaften der Struktur führen.
Herstellungsprozesse mini|hochkant=1.1|Wafer von 2 Zoll bis 200 Millimeter mit bereits fertig produzierten Schaltungen
Die von der Halbleitertechnik eingesetzten Verfahren sind sowohl chemischer als auch physikalischer Natur. So werden neben chemischen Beschichtungsverfahren, Ätz- und Reinigungsprozessen auch physikalische Methoden eingesetzt, wie physikalische Beschichtungs- und Reinigungsverfahren, Ionenimplantation, Kristallisation oder Temperaturprozesse (Diffusion, Ausheizen, Aufschmelzen etc.). Weitere Verfahren nutzen sowohl chemische als auch physikalische Prozesse, beispielsweise die Fotolithografie oder das chemisch-mechanische Planarisieren. Darüber hinaus werden unterschiedlichste Messverfahren zur Charakterisierung und Prozesskontrolle eingesetzt.
Für die Herstellung von (mikro-)elektronischen Schaltungen werden die Verfahren der Halbleitertechnik in einer bestimmten Folge auf einem Substrat angewendet. Als Substrat dient hierbei meist eine weniger als ein Millimeter dünne Scheibe eines Halbleiter-Einkristalls (meist Silizium), ein sogenannter Wafer. Vor allem bei der Herstellung von integrierten Schaltkreisen wird die Funktion der elektronischen Bauelemente und Baugruppen in einem oberflächennahen Bereich (max. 1 µm tief, moderne CMOS-Schaltkreise für niedrige Spannungen unterhalb von 100 nm Tiefe) auf einer Seite des Wafers realisiert. In diesem Bereich werden die Materialeigenschaften (vor allem die elektrischen) des Wafers gezielt verändert und bei Bedarf strukturiert (Material entfernt und ggf. mit einem anderen Werkstoff gefüllt). Dieses Prinzip geht auf das von Jean Hoerni erfundene Planarverfahren zur Herstellung von Transistoren zurück. Nach der Definition der elektronischen Bauelemente werden diese durch Auftragen mehrerer strukturierter Schichten mit spezifischen elektrischen Eigenschaften (Schichten mit bestimmter Leitfähigkeit, Isolierschichten und Leiterbahnen) elektrisch kontaktiert und miteinander verbunden. In diesem Bereich können elektrische Bauelemente wie Kondensatoren (beispielsweise beim DRAM) realisiert werden. Weitere Details zu diesem Thema finden sich im Abschnitt Herstellung des Artikels integrierter Schaltkreis.
Nachfolgend werden die in der Halbleitertechnik angewandten Verfahren und deren Anwendung gruppiert nach Prozessfolgen für bestimmte Funktionen vorgestellt. Spezielle Anforderungen an alle Fertigungsverfahren und Produktionsanlagen ergeben sich aus den Abmaßen der zu fertigenden Bauelemente. Diese liegen je nach Technologieknoten der mikroelektronischen Bauelemente unterhalb von einem Mikrometer und kleiner (in modernen Produkten kleiner 30 Nanometer). Daher wird Partikelfreiheit im eigentlichen Herstellungsprozess, in der Fertigungs- und Waferhantierungsumgebung gefordert (Reinraumherstellung).
Vorbereitung des Ausgangsmaterials mini|links|hochkant=0.6|Gezogener Silizium-Einkristall
Im engeren Sinn wird die Herstellung des Ausgangsmaterials nicht unter Halbleitertechnik gefasst, soll hier aber zur Vollständigkeit beschrieben werden: Bei der Gewinnung von Halbleitermaterialien (Silizium, Germanium, Verbindungshalbleiter wie Gallium-Arsenid und Siliziumgermanium) werden durch chemische und chemisch-metallurgische Verfahren hochreine Einkristallsubstrate erzeugt (in wenigen Fällen, z. B. für Solarzellen, sind auch polykristalline Substrate im Einsatz). Um die einwandfreie Funktion der später zu realisierenden Bauteile zu gewährleisten, ist ein qualitativ hochwertiges Substratmaterial erforderlich. Angestrebt wird ein möglichst fehlerfrei kristallisiertes, reines, homogenes Basismaterial. Sind diese Anforderungen nicht erfüllt, so können z. B. bei einzelnen Transistoren zufällig erhöhte Leckströme oder veränderte Arbeitspunkte auftreten. Auf Metallverunreinigungen liegt ein besonderes Augenmerk. Die Verunreinigungsniveaus liegen hier in Bereichen von Milliardstel (ppb-Bereich) oder Billionstel (ppt-Bereich).
mini|Sicht auf die Vorderseite einer FOSB-Kassette mit acht Wafern Im Fall von Silizium wird aus einer mehrfach gereinigten Schmelze ausgehend von einem Keimkristall ein Zylinder von heute (2012) bis zu 300 mm Durchmesser und mehr als einem Meter Länge gezogen (siehe Czochralski-Verfahren und Zonenschmelzverfahren). Der Zylinder wird in Scheiben (Wafer) mit einer Dicke kleiner einem Millimeter zersägt, die anschließend geschliffen und poliert werden. In dieser Form findet das Halbleitermaterial üblicherweise Eingang in die eigentliche Fertigung der Bauelemente. Vor allem in den Fertigungsstätten werden die Wafer dann in sogenannten FOUPs (engl.: , dt. einheitliche Halterung mit frontaler Öffnung) transportiert; für den Transport außerhalb vollautomatischer Fertigungsanlagen werden sogenannte FOSBs (engl.: , dt. Versandbehälter mit frontaler Öffnung) eingesetzt.
Zu den weltweit größten Herstellern von Siliziumwafern zählt das deutsche Chemieunternehmen Wacker/Siltronic.
Definition der Strukturen mini|hochkant=1.1|Rotationsbeschichtungsanlagen für den Photolackauftrag unter photochemisch unwirksamer Beleuchtung („Gelblicht“)
Um auf dem Substrat verschiedene Bauteile und Schaltungselemente realisieren zu können, müssen auf dem Ausgangsmaterial Gebiete definiert werden, die vom folgenden Prozessschritt betroffen sind und solche, die nicht betroffen sind. Dazu wird die Fotolithografie – ein fotografisches Verfahren – eingesetzt (vereinfachte Darstellung): Auf den Wafer wird zunächst ein lichtempfindlicher Fotolack aufgeschleudert (Rotationsbeschichtung, engl.: spin-coating). In einem Stepper oder Scanner wird das Abbild einer Maske durch Belichtung mit streng monochromatischem Licht (heute meist aufgeweiteter Laserstrahl) auf den lichtempfindlichen Fotolack übertragen. Scanner ermöglichen es, kleinere Strukturen auf dem Wafer zu belichten, als es mit dem Stepper möglich ist. Der Grund dafür ist, dass beim Stepper die gesamte Fotomaske als rechteckiges Bild abgebildet wird und sich alle nicht korrigierbaren Fehler des optischen Linsensystems negativ auswirken. Beim Scanner wird anstatt der gesamten Fotomaske nur ein schmaler Streifen im optischen Linsensystem abgebildet. Durch eine synchronisierte Bewegung von Fotomaske und Wafer wird die gesamte Fotomaske auf den Wafer projiziert, währenddessen können Belichtungsparameter wie z. B. der Fokus nachjustiert und so lokal an den Wafer angepasst werden. In einem chemischen Bad wird der Fotolack entwickelt, das heißt, die belichteten Bereiche (beim sogenannten Positivlack) des Lacks werden herausgelöst, nur die unbelichteten Bereiche verbleiben auf dem Wafer. Bei Negativlack ist es gerade umgekehrt. Hier werden die unbelichteten Stellen herausgelöst. Durch eine anschließende Wärmebehandlung (sogenanntes Hard- oder Softbake) werden die Lackstrukturen stabilisiert und Reste von Lösemitteln werden ausgetrieben. Damit sind die Teile des Wafers durch den Fotolack abgedeckt, die durch die folgenden Prozessschritte unverändert bleiben. Es folgt ein halbleitertechnischer Prozessschritt, wie z. B. Dotieren, Abscheiden oder Ätzen. Im anschließenden Prozessschritt wird der unbelichtete Fotolack ebenfalls entfernt – das kann durch nasschemische Verfahren oder durch Veraschung im Sauerstoff-Plasma erfolgen.
Die Strukturübertragung mittels Fotolithografie – einer der teuersten Prozessschritte in der Halbleiterherstellung – ist eine Herausforderung in der auf Steigerung der Integrationsdichte durch Verkleinerung setzenden Planarhalbleitertechnik. Die Gesetze der Optik begrenzen hier schon heute die Möglichkeit zur weiteren Strukturverkleinerung (siehe Auflösungsvermögen). Daneben stößt man inzwischen aber auch bei anderen Prozessschritten an z. B. materialbedingte Grenzen. So erlauben z. B. die elektrischen Eigenschaften bestimmter im Halbleiterprozess eingesetzter Standardmaterialien keine weitere Strukturverkleinerung. Auch die Querschnittsverkleinerung der Leiterbahnen führt zu Materialproblemen (Diffusion, Elektromigration u. a.)
Einen temporären Ausweg bietet die Verwendung neuer Strukturmaterialien wie z. B. der Einsatz spezieller Legierungen im Leiterbahnbereich oder der Einsatz modifizierter Dielektrika (low-k- und high-k-Materialien), da hierdurch grundsätzliche Veränderungen in der Technik zunächst vermeidbar sind. Langfristig erscheint jedoch der Übergang von der planaren zu 3-dimensionalen Techniken (vertikale und horizontale Positionierung einzelner Bauelemente) unabdingbar, da hierdurch im Prinzip bei gleicher Bauteildimensionierung höhere Bauteilpackungsdichten realisierbar sind. Erste Schritte in Richtung 3D-Techniken werden derzeit gemacht (siehe z. B. DRAPA).
Dotieren des Ausgangsmaterials mini|Ionenimplantation-Anlage zum Einbringen hochenergetischer Ionen in den Wafer, beispielsweise Sauerstoff bei der SIMOX-Technik (englisch: separation by implanted. oxygen, SIMOX).
Um die elektrischen Eigenschaften eines Halbleiters in bestimmten Regionen zu ändern, werden lokal Fremdatome in das Material eingebracht (Dotierung). Dies geschieht durch Ionenimplantation oder Diffusion. Die Fremdatome werden dabei in verschiedenen Tiefen und in unterschiedlichen regionalen Konzentrationen eingelagert. Tiefe Schichten mit geringer vertikaler Ausdehnung können dazu dienen, einzelne Transistoren in eine Isolationswanne zu legen, um sie so bezüglich ihrer Substratanschlüsse zu entkoppeln. Tiefe Schichten mit einer großen vertikalen Ausdehnung bis zur Oberfläche des Substrates können dazu dienen, in einem n-dotierten Substrat eine p-dotierte Wanne anzulegen, in der wiederum n-Kanal-Metall-Isolator-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (n-Kanal-MISFET bzw. n-Kanal-MOSFET) angelegt werden können. Oberflächennahe Dotierungen können als Source-Drain-Region von Transistoren oder als Widerstandsbereiche genutzt werden.