Manchmal ist es wünschenswert unterschiedliche Dotierungen im Silizium sichtbar zu machen. Meist geht es darum den Inhalt eines ROM auszulesen. Viele Varianten ein ROM aufzubauen sind ohne Weiteres sichtbar: Offensichtlich ist es, wenn die Daten in Form von gesetzten oder ausgesparten Kontakte eingebracht werden. Eine andere Möglichkeit ist es unter einer Gateleketrode auf das Gateoxid zu verzichten, also das dicke Feldoxid bestehen zu lassen. Ebenso sichtbar sind Variationen der aktiven Bereiche im Substrat. Im ersten Moment unsichtbar bleiben allerdings die Daten bei einem sogenannten Implant-ROM, bei dem Speicherzellen variiert werden, indem man lokal eine Dotierung einbringt oder nicht.
Unterschiedliche Dotierung sind nicht ohne Weiteres sichtbar. Bei älteren Prozessen und größeren Strukturen erkennt man die Bereiche meist, weil sich darüber durch die Herstellung verschieden dicke Siliziumoxidschichten befinden. In diesen Schichten treten andere Interferenzen auf und es ergeben sich andere Farben. Darüber erkennt man indirekt die unterschiedlichen Dotierungen. Wenn man die oberen Schichten eines Schaltkreises abtragen muss, um das ROM freizulegen, so ist meist nicht mehr zu erkennen welche Bereiche wie dotiert wurden. Aber auch mit den oberen Schichten sind unterschiedlich dotierte Bereiche nicht immer zu erkennen.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten unterschiedlich dotierte Bereiche sichtbar zu machen. Theoretisch ändert sich mit der Dotierung die Reflektion von infrarotem Licht. Praktisch lässt sich das offenbar für kleine Strukturen aber kaum umsetzen. Mit einem Elektronenmikroskop kann man die Dotierung im Silizium umfangreich analysieren, der Aufwand ist aber nicht unerheblich. Die gebräuchlichste Methode unterschiedliche Dotierungen herauszuarbeiten ist das sogenannte Dash-Etch. Dabei kommt eine Mischung aus Flusssäure, Salpetersäure und Essigsäure zum Einsatz. Salpetersäure oxidiert das Silizium. Flusssäure löst das entstehende Siliziumoxid auf. Die Essigsäure reguliert den Vorgang. Mit dem richtigen Mischungsverhältnis ergibt sich bei unterschiedlichen Dotierungen eine leicht unterschiedliche Reaktionsgeschwindigkeit. Das führt dazu, dass n dotierte Bereiche etwas tiefer geätzt werden als p dotierte Bereiche. Den Höhenunterschied kann man optisch erkennen. Eine Dunkelfeldbeleuchtung bietet sich an.
Eine weniger bekannte und einfacher anzuwendende Methode ist das Aufbringen von Silberfluorid. Das Silizium reagiert nicht direkt mit Silberfluorid, es sorgt aber dafür, dass die Silberionen reduziert werden und das Silber sich als Metall abscheidet. Unterschiedliche Dotierungen im Silizium führen zu einer unterschiedlich starken Reduktion der Silberionen.
In der DDR-Halbleiterindustrie hat man Silberfluorid genutzt, um Dotierungsprofile, also die Tiefen der Dotierungen zu analysieren. Dazu wurden die integrierten Schaltungen in den folgenden Bildern zuerst unter einem Winkel von 8,5° geschliffen. Die Breite der von oben sichtbaren Schicht wird dadurch um einen Faktor 6,7 vergrößert und lässt sich leichter analysieren.
Auf die geschliffene Kante des Schaltkreises hat man dann Silberfluorid aufgebracht, wodurch sichtbar wurde wo sich die unterschiedlichen Dotierungen befinden.
Das Schliffbild zeigt viele sehr interessante Zusammenhänge. Anhand der gerade noch erkennbaren Oberflächenstruktur und der Anordnung der Kontakte und der Dotierungsprofile kann man davon ausgehen, dass es sich hier um einen NPN-Transistor handelt. Der Kollektoranschluss befindet sich dann links, teilweise außerhalb des Bilds. Mittig findet sich der quadratische Emitterkontakt. Zwischen Kollektor- und Emitterkontakt ist der Basiskontakt platziert.
Es hat sich also auf den n dotierten Bereichen mehr Silber abgesetzt, wodurch diese dunkler erscheinen. Die starke n-Dotierung, die genutzt wird, um ohmsche Kontakte zu realisieren, ist überraschenderweise wieder so hell wie die p-Dotierung. Die nach unten breiter werdende Kollektorwanne zeigt, wie sich bei der Herstellung die Dotierung im Silizium ausgebreitet hat. Dass die Zuordnung der Dotierung korrekt ist, zeigt sich an den Winkeln der Wannen. Die p-Dotierung diffundiert deutlich schneller durch das Silizium als die n-Dotierung. Dadurch schrumpfen die n dotierten Wannen während der Herstellung. Besonders gut erkennbar ist das an der Oberfläche des Halbleiters.
An einer Stelle scheinen sich Emitter und Kollektor zu berühren. Wenn es sich nicht um ein Artefakt der Bearbeitung handelt, dann wurde hier offenbar der Emitter zu weit in das Silizium eindiffundiert. Das ist ein besonders kritischer Parameter eines jeden Bipolartransistors. Die sogenannte Basisweite sollte möglichst klein sein. Gleichzeitig macht eine Berührung von Emitter und Kollektor den Transistor unbrauchbar.
Auf der Oberfläche des Transistors befinden sich einige dünne Schichten. Höchstwahrscheinlich handelt es sich um die Siliziumoxidschichten, die während der einzelnen Prozessschritte entstehen. Unlogisch erscheint dann aber die hohe Anzahl von Schichten oberhalb des Emitters, der zuletzt eingebracht wird.
Der hier analysierte integrierte Schaltkreis ist ein sowjetischer 256Bit Speicher in I2L-Technik. Eine Besonderheit ist die große Siliziumoxidwanne, in der sich die Transistoren in kleinen isolierten Wannen befinden. Die Herstellung solcher Strukturen ist sehr speziell und aufwändig. Die Unterseite der Wanne war ursprünglich die Oberseite eines Wafers. Nach dem Einbringen der Siliziumoxidwanne lässt man darauf eine verhältnismäßig dicke Siliziumschicht aufwachsen. Danach wendet man den Wafer und schleift ihn von der ursprünglichen Rückseite ab, bis man auf die Oxidwannen trifft. Von da ab baut man die Transistoren weiter auf. Wie so ein Prozess aussehen kann, ist im Rahmen des TP1322 dokumentiert.
Ungewöhnlich sind die tiefen Gräben auf der Unterseite des Siliziums. Elektrisch dürften diese Strukturen keine Funktion haben. Vielleicht waren sie bei der Herstellung relevant. Das korrekte Ausrichten des Wafers nach dem Wenden ist offenbar nicht unproblematisch.
Im privaten Bereich kann man Silberfluorid als Lösung erwerben, die normalerweise von Zahnärzten für die Behandlung von Karies verwendet wird. Als Medizinprodukt ist dieses Silberfluorid leider besonders teuer. Glücklicherweise benötigt man nur geringe Mengen. Silberfluorid ist ätzend und hinterlässt hartnäckige dunkle Flecken.
Der Operationsverstärker NEC µPC811 wird mit einem verhältnismäßig modernen Prozess gefertigt. Entfernt man die oberen Lagen, so kann man die unterschiedlich dotieren Bereiche nur noch erahnen.
Bringt man einen Tropfen der Silberfluoridlösung auf das Die auf und lässt es für eine Minute einwirken, so setzt sich eine dicke Schicht Silber ab. Nichtsdestotrotz erkennt man bereits eine gewisse Selektivität bei der Abscheidung.
Lässt man die Lösung nur 10s einwirken, so setzt sich deutlich weniger Silber ab. Auch hier ist eine gewisse Selektivität erkennbar. Die Silberpartikel sind aber verhältnismäßig grob.
Gibt man für weitere 10s die Silberfluorid-Lösung auf das Die, so bildet sich bereits wieder eine sehr dicke Schicht, die mehr verdeckt als sie sichtbar macht.
Der µPC812 ist die Variante des µPC811 mit zwei Operationsverstärkern.
Verdünnt man einen Tropfen der Silberfluoridlösung mit 1ml Wasser, so setzt sich das Silber deutlich feiner ab. Da sich das Silber nicht mit dem Silizium verbindet, ist die Schicht sehr empfindlich. Man muss die Lösung mit Isopropanol abspülen, darf die Oberfläche aber nicht mechanisch säubern, weil man das Silber ansonsten wieder vollständig entfernt. Eine Berührung mit einem weichen Gegenstand reicht bereits aus, um die Silberschicht abzukratzen.
Die Empfindlichkeit der Silberschicht hat aber auch einen Vorteil. Ist man mit der Qualität der Abscheidung nicht zufrieden, so kommt man schnell zur Ausgangssituation zurück.
Für dieses Bild betrug die Einwirkzeit der verdünnten Silberfluoridlösung 5min.
Sowohl die Hellfeld- als auch die Dunkelfeldaufnahme zeigen interessante Details, die auf dem unbehandelten Substrat nicht oder nur kaum zu erkennen waren.
Der breite Streifen im rechten Bereich zeigt, dass sich das Silber sehr stark auf Kontakten absetzt. Auch auf den Isolationsrahmen, die wahrscheinlich hochdotiert sind, setzt sich sehr viel Silber ab.
Das obere Element enthält zwei PNP-Transistoren. Das ist auf Grund der Geometrien klar zu erkennen. In der n dotierten Fläche hat sich wenig Silber abgesetzt. Deutlich mehr Silber befindet sich in den p dotierten Bereichen und dann auch wieder über dem stark n dotierten Bereich, der als ohmscher Basiskontakt dient. Auf dem rechten Emitterkontakt scheint sich ein größerer Silberkristall gebildet zu haben. Gleichzeitig hat sich in einem kleinen Bereich um diesen Kristall weniger Silber abgesetzt. Teilweise scheinen solche größeren Ablagerungen Einfluss auf ihre Umgebung zu haben, so dass sich dort unabhängig von der Dotierung weniger Silber absetzen kann.
Im unteren Bereich wurde ein NPN-Transistor integriert. Auch hier bleibt die n dotierte Kollektorfläche eher frei von Silber, während sich auf dem stark n dotierten Kollektorkontakt viel Silber absetzt. Man kann den eckigen Kontakt innerhalb der ovalen Dotierung erkennen. Auf der p dotierten Basisfläche schlägt sich wieder mehr Silber nieder als auf der Kollektorfläche. Auch dort sind die Kontakte zu erkennen. Das Auflösungsvermögen ist hier bereits grenzwertig. Der Emitterkontakt trägt eine größere Menge Silber, der Emitterbereich selbst ist aber wiederum relativ frei von Silber. Entweder liegt das an der größeren Menge Silber auf dem Kontakt oder die Dotierung des Emitters ist niedriger als die Dotierung der Kollektorkontaktierung.
Bei kleinen Strukturen sind die Ergebnisse unterschiedlich. Während der untere rechte Transistor sich sehr gut abzeichnet, fehlt bei den oberen Transistoren die Basisfläche vollständig. Auch hier haben sich größere Silberablagerung auf den Kontakten gebildet. Vermutlich kann man bessere Ergebnisse erzeugen, wenn man die oberen Schichten gründlicher abträgt.
An einigen Stellen war die Einwirkzeit bereits zu lang. Die Strukturen verschwinden dort zunehmend unter einer gleichmäßigen Silberschicht.
Lässt man den integrierten Schaltkreis nach einer Reinigung für 8min in der verdünnten Silberfluorid-Lösung, so wird das Ergebnis insgesamt eher schlechter. Es verschwinden deutlich mehr Strukturen als neue Strukturen auftauchen.
Eine weitere Reduktion der Silberfluorid-Konzentration liefert schlechtere Ergebnisse. Für das obige Bild wurde ein Tropfen der Lösung in 2ml Wasser gegeben und die Einwirkzeit auf 20min verlängert. Es hat sich Silber abgesetzt. Teilweise bilden sich schon größere Kristalle. Es ergibt sich aber keine gleichmäßige Schicht, die es ermöglichen würde die unterschiedlichen Dotierungen zu erkennen.
Silberfluorid eignet sich auch dazu MOS-Schaltungen zu analysieren. Der obige Ausschnitt stammt aus dem Z8400. Auf der Ebene des Substrats (oben rechts) kann man auf Grund der Überreste noch erkennen wo sich Gateelektroden befanden, wo das Polysilizium den aktiven Bereich kontaktierte und wo Kontakte die Metalllage mit dem aktiven Bereich verbanden. Die minimale Kanallänge der Transistoren beträgt 3,5µm.
Für das Bild unten links wurde das Die 8min in verdünnte Silberfluorid-Lösung gelegt. Auch hier erkennt man deutlich wie stark sich das Silber an Unregelmäßigkeiten absetzt. Wo sich Überreste der Metallkontakte befinden, bilden sich sehr dunkle Schichten und Silberkristalle. Wo sich Gateleketroden befanden war vorher schon sichtbar, jetzt kann man aber bei genauerer Betrachtung teilweise erkennen wo sich Enhancement- und wo sich Depletion-MOSFETs befinden. Unter den Gateelektroden der Depletion-MOSFETs hat sich etwas inhomogener mehr Silber abgesetzt.
Der Z8400 basiert auf der sogenannten Depletion-Load NMOS-Logic. Im Gegensatz zu CMOS-Logik kommen dabei nur NMOS-Transistoren zum Einsatz. Die aktiven Bereiche sind n dotierte Flächen in einem p dotierten Substrat. Wo sich später ein MOSFET bilden soll, befinden sich p dotierte Unterbrechungen, über denen später die Gateelektroden aufgebracht werden (rot). Will man ein Gatter aufbauen, so benötigt man aber neben diesen üblicheren Enhancement-NMOS-Transistoren auch eine Struktur, die einen definierten High-Pegel bereitstellen kann. Am einfachsten ist die Nutzung eines Pull-Up-Widerstands. Deutlich effizienter ist es stattdessen einen Depletion-NMOS-Transistor einzusetzen (blau). Verbindet man bei diesen Transistoren Gate und Source, so verhält sich der Transistor wie ein schaltbarer Pull-Up-Widerstand.
Einen Depletion-NMOS-Transistor kann man aufbauen, indem man unter die Gatelektrode eine n-Dotierung einbringt. Diese geänderte Dotierung wird mit Silberfluorid sichtbar, da sich dort etwas mehr Silber absetzt. Ganz rechts im Bild kann man eine zusätzliche Dotierung nicht erkennen (rosa). Die Transistoren dort sollten allerdings auch Depletion-NMOS sein. Wahrscheinlich handelt es sich hier um die oben bereits beobachtete Schwäche des Verfahrens. Direkt oberhalb der Gatebereiche befinden sich großen Mengen Silber, die die Abscheidung in der direkten Umgebung beeinflussen.
Eine andere Besonderheit des Verfahrens ist in diesem Bild deutlich zu sehen. Befinden sich nur ein schmaler Streifen des aktiven Bereichs zwischen zwei Gateelektroden, so setzt sich darauf manchmal deutlich mehr Silber ab. Warum das so ist, bleibt unklar.
