Table Of ContentFESTKORPERPROBLEME Xll
ADVANCES IN SOLID STATE PHYSICS
RiB
FESTKORPER
PROBLEMEXII
ADVANCESIN
soug STATE
Plenary Lectures of the Professional Groups
PHYSICS "Semiconductor Physics",
"Magnetism",
"Low TemperaturePhysics",
"Thermodynamics and Statistics",
of the German PhysicalSociety
Freudenstadt, April 10--14, 1972
Edited by
O. Madelung, Marburg
With 359 figures
Pergamon
Vieweg
FESTKiiRPER
PROBLEMEI(ll
ADVANCESIN
SOLID STATE
in Referatender Arbeitsgemeinschaften
PHYSICS
,,Halbleiter",
,,Magnetismus"
undder FachausschLisse
,,Tiefe Temperaturen"
,,Thermodynamik und Statistik"
der deutschen Physikalischen Gesellschaft
Freudenstadt,10.bis 14. April 1972
Herausgegeben von
O. Madelung, Marburg
Mit 359 Abbildungen
Pergamon
Vieweg
Pergamon PressLtd., Headington Hill Hall,Oxford OX30BW
Pergamon Press Inc., Maxwell House, Fairview Park, Elmsford, New York 10523
Pergamon of Canada Ltd., 207, Queen's Quay West,Toronto 1, Canada
Pergamon Press(Aust.|Pw. Ltd., 19a Rushcutters Bay,Sydney,N.S.W. 2011
Friadr. Vieweg+SohnGmbH, Burgplatz 1, D--33 Braunschweig, Germany-West
SIBN 080172857 Pergamon
ISBN 352808018 3 Vieweg
1972
AUe RechtevorbehaRen
Copyright © 1972 by Friedr. Vieweg+ Sohn GmbH, Verlag, Braunschweig
Library ofCongressCatalogCardNo. 64-51891
Nopart ofthis publication maybe reproduced, storedin aretrieval
system or transmitted,mechanical,photocopying, recordingor
otherwise, without priorpermissionofthecopyright holder.
Satz: Composerstudio Friedr. Vieweg+ SohnGmbH, Braunschweig
Druck: E. Htmold,Braunschweig
Buchbinder: W.Langeliiddecke, Braunschweig
Umschlaggestaltung: Barbara Seebohm, Braunschweig
Printedin Germany-West
Vorwort
Die Frtihjahrstagung der im Arbeitskreis Festk6rperphysik zusammen-
geschlossenen Arbeitsgemeinschaften und Fachausschtisse fand in die-
sem Jahr vom 10. bis 14. April in Freudenstadt statt. An der Tagung
nahm auch die Sektion ftir Kristallkunde der Deutschen Mineralogischen
Gesellschaft teil. Mit fast 600 Vortr~igenwar es die bisher gr6fSte Ta-
gung dieser Art. Der vorliegende Band enth~ilt alle Hauptvortdige der
Arbeitsgemeinschaft Halbleiter und den gr6gtenTeil der Hauptvor-
trfige der anderen Arbeitsgemeinschaften und Fachausschiasse. Zus~itz-
lich wurde ein Hauptvortrag des Fachausschusses Oberfl~ichenaufge-
nommen, der auf der Regensburger Frtihjahrstagung gehalten wurde.
Mit der IYoergabe der Leitung des Fachausschusses Halbleiterphysik
der Deutschen Physikalischen Gesellschaft an Herrn Prof. Dr. H. J.
Queisser, Stuttgart, endetmeine T~itigkeit als Herausgeber dieser Buch-
reihe. Ich m6chte an dieser Stelle noch ~inmal allen danken, die mir
bei der Vorbereitung und Durchf'tihrung'der Frtihjahrstagungen des
Fachausschusses Halbleiterphysik und bei der Herausgabe der Tagungs-
b~inde geholfen haben. Mein Dank gilt besonders dem Vieweg-Verlag,
der auch in diesem Jahr wieder alles daransetzte, den Tagungsband
wenige Wochen nach der Tagung herauszubringen.
Marburg/Lahn, im Mai 1972 O.Madelung
Contents / Inhalt
K. U.Stein
Hochintegrierte Halbleiterschaltungen
1.Ruge,H. Mailer,H.Ryssel
Die lonenimplantation als Dotiertechnologie 23
K. F. Renk
Phononpulse 107
B. Kramer
Electronic Structure andOpticalProperties ofAmorphous
Semiconductors 133
U. Helm
Zeitaufgel6steSpektroskopie an Halbleitern 183
R. v.Baltz,U.Birkholz
Polaronen 233
L.Merten
Polaritonen (Theorie) 343
R. C/aus
Polaritonen (Experiment) 381
A. Haug
Strahlungslose Rekombination in Halbleitern (Theorie) 411
R. Conradt
Auger-Rekombination in Halbleitem 449
B. Passon
Frequenzabh~ingigkeit des Ummagnetisiemngsvorganges in massiven
Eisen-Silizium-Einkristallen 465
E.Dormann
Kem-Spin-Echo-Messungen an magnetischgeordnetenSubstanzen 487
H. Gabriel, J.Bosse
Theorie derkernmagnetischen Relaxation inderkondensiertenPhase 505
F. A. deJonge,W.F.Druyvesteiyn
Calculationsand Experiments Related tothe Magnetostatics ofBubble
Domains 531
I4/.Klose,A. Miiller
Supraleitende A 15-Phasen 599
H. Wiihl
Supraleiter mithoher L~bergangstemperatur 627
N.M.Hugenholtz
The How,WhyandWhereforeof C*-Algebras in Statistical Mechanics 641
S.Hess
Zur Berechnung yonSpektralfunktionen geeignete L6sungsmethoden
der BoRzmann-Gleichung 649
J.Ke~ler
M6glichkeitenzurErzeugung spinpohfisierter Elektronen 671
Festk6rperprobleme Xll (1972)
Hochintegrierte Halbleiterschaltungen
Karl-UlrichStein
Siemens AG, Forschungslaboratorien, 8Miinchen70
Summary: The tendencyto increasethe number ofdevicesand functionsofLarge Scale Inte-
grated (LSI) Semiconductor chipscharacterizesthedevelopmentin thisfield duringthelast
years.
The reasonsandmethodsofthedevelopmentare reviewed. Concerningthereasons, increased
integration promisesbetterperformance,higherreliability and lowercost.The methodsforthe
development andtestingarecharacterizedby anintensiveuse of computersandcomputer con-
trolled machines.
The tendencies offuture developmentofdevicesfor LSI-circuitsareclassified.Theyare illust-
rated by representativeexamplesofmemory andlogicdevices whichapply physicaleffectsand
designsnot used until now.
Zusammenfassun8: Die Verwirklichungyon immerhSher integrierten Schaltungenmit immer
mehr Funktionen jeHalbleiterchip kennzeichnet seit Jahren die EntwicklungtierHaibleiter-
techniken.
Es wirdeine()bersichtfiberdie Griinde undMethoden dieser Entwicklung gegeben.DieEnt-
wicklungstendenzen bei den Halbleiterstrukturen FtirLogik-undSpeicherelemente werdenan-
hand einiger repr~isentativer Beispiele diskutiert, insbesondere hinsichtlich Prozet~komplexit~it,
Fl~ichenbedarf und Leistungsaufnahme.
1. Einleitung
Der Begriff .hochintegrierte Halbleiterschaltungen" stellt eine freieObersetzungdes
englischen Originalausdrucks ,,largescaleintegrated (LSI)circuits" dar.Mitdiesem
Begriff werdenelektrischeSchaltungenaufHalbleiterchips inmonolithischerinte-
grierter Technik bezeichnet,die mehralseinigehundert Schaltelementeje Chipent-
halten [11.
Die hochintegriertenHalbleiterschaltungensteUen einekonsequente Anwendung
derplanaren Halbleitertectmologien [2], [3] dar, die zun~ichst nurfordie Herstellung
yonbipolarenTransistorenmitgeringenSperrstr6men und grot~er Zuverlassigkeit
gedachtwaren.DabeilichensichauchgeringeHersteUkostenerzielen,da manein
Kollektiv yonTransistorenaufeinerHalbleiterscheibe parallelbearbeitenkonnte
und erstnacheinern Testvorgang die Schel"be in Einzelchips mitje einemTransistor
unterteilte.
1 FestkSrperproblemeXII l
Die Grtinde fiirdieIntegrationyonmehrerenTransistorenundanderen Schaltele-
menten aufdemeinzelnenChipunddieHerstellungyonelektrisch leitenden Ver-
bindungen zwischendenSchaltelementen zurRealisierungyon Analog- oderDigital-
schaltungen lagenvorallem darin,die Abmessungen derSchaltungenzu verringern
unddie Zuverl~issigkeit zuerh6hen.(EineEinftihrungindiedabeiangewandten Ver-
fahren bieten [4]und [5] ftirbipolare und [6] ftirMOS-Techniken).
DieWeiterentwicklungdermonolithischen Integration,dieerstmals umdas Jahr
1965 kommerzielle Bedeutung bekam, ftihrte zuhochintegriertenChips,die heute
bis zu mehrals 104 MOS-Transistoren je Halbleiterchip enthalten.Einen quantita-
tiven Eindruckvom Anwachsen derAnzahlyonTransistorenbeiSchaltungenin
MOS-Technologien inden vergangenen Jahren vermittelt Fig.1.
I 105_
104
.(ia.-.-~ .
,o
.~.
0 o
C
o 103-
t-
O
102:
Fig. 1
o Anzahl derTransistorenjeChip bei
N
C 101 hochintegriertenMOS-Schaltungen
1960 m'7o
Jahr
Im folgendenwird zuniichsteineObersichtfiberdieGrtindeftirdieseEntwicklung
unddie Methodikbeim EntwurfundTestenderhochintegriertenSchaltungenge-
geben. Hinsichtlich derWeiterentwicklungder Halbleiterstrukturen ftirhochintegrierte
Schaltungen lassen sich verschiedene Entwicklungsrichtungenklassifizieren.Diese
Entwicklungsrichtungenwerdenanhandeiniger repr~isentativer Beispiele diskutiert.
2. Griinde ftir die Einfiihrung derhochintegrierten Schaltungen
Technische Produktewerden inderRegelnurdanneingeftihrt,wennsie bessere
Eigenschaftenund/oder geringere KostenaufweisenalsvorhandenetechnischeL6-
sungen.
Die wichtigstenEigenschaften, die man sichyonelektrischenSchaltungendervor-
gegebenen Funktionwiinscht,sind
hoheArbeit sgeschwindigkeit
geringe Leistungsaufnahme und
grofie Zuverl/issigkeit.
Die Arbeitsgeschwindigkeit wird - jenachArt derSchaltung - als Verz6gerungs-
zeit, z.B. beim Gatterf'tireine logische Verkntipfung,als Grenzen derTaktfrequenz,
z.B. bei Schieberegisterspeichern, oderals Zugriffs-und Zykluszeit beiSpeichern mit
wahlfreiem Zugriff defmiert.
Der Punkt Leistungsaufnahme istbeiden elektrischenEigenschafteninteressant,well
dieLeistungsaufnahmedenerreichbaren Grad an IntegrationaufdemChip,diePak-
kungsdichtederdieChipsenthaltendenBausteineund die ~iufiere Bauweisederge-
samtenelektrischen Schaltungbestimmt [4] oderzumindest mitbestimmt.
Die Zuverl/issigkeit [7]istyonbesondererBedeutungftirumfangreiche Halbleiter-
systeme,die man in Zukunft ftirRechner,Nachrichtenvermittlungs-und b~bertra-
gungseinrichtungen realisieren m6chte.Angabentiberdie Zuverl~issigkeit umfassen
Ausf~lle derSchaltungdurch ~,nderung derelektrischen ParametertiberlangeZeit
und pl6tzlich auftretende katastrophale Fehler.
Rinsichtlich derKosteninteressiertsichderAnwendereinerHalbleiterschaltung,
welche Kostenje Funktion,die in derSchaltungintegriert ist,ftirihn auftreten.
DieseKostensetzen sichausden
Gesamtkosten der HersteUung jefunktionsf~hige Fl~icheneinheit einer Silizium-
scheme unddem
Fl~ichenbedarfderelektrischenSchaltungje Funktion
zusammen. DieGesamtkostenje Fl~cheneinheit ergebensichaus denKostenftirdie
durchgeftthrten Halbleiterprozesse,ausder Ausbeute anbrauchbarenChipsje Halb-
leiterschex'be, ausdenKostenftirdas Priifen derHalbleiterchips undausdenKosten
ftirdas Einsetzenund Kontaktieren derHalbleiterchips in Geh~use.
Die einzelnen Faktoren beiEigenschaftenund Kosten lassen sichgr6fitenteils bei
dem Erbergang ,;onniedrig-zuhochintegriertenHalbleiterschaltungen verbessern.
Die Arbeitsgeschwindigkeit l~ifit sichaufgrundderTatsacheerh6hen,daftdieein-
zelnen FunktionseinheitenderelektrischenSchaltungohne l~ingere Leitungenmit
st6rendenparasitarenGr6fien aufengstemRaummiteinanderverbundenwerden
k6nnen. DieseTatsachewirktsichauchgOnstig aufdieLeistungsaufnahmederge-
sarntenSchaltungaus,da beispielsweise beim Umladen derparasit~renKapazit/iten
einerVerbindungsleitung elek-trische Energie verbraucht wird.
