3 Herstellung von ICs

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1 3 Herstellung von ICs Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen Um nun einen Computer zu bauen, muss man die logischen und arithmetischen Verknüpfungen AND, OR, +, usw. irgendwie physikalisch realisieren. Das heißt, man braucht Bauteile, die es möglich machen, Informationen in Form von Spannung (meist sind es 5 Volt-Rechteck-Impulse) miteinander zu verknüpfen. Dies wird durch den Einsatz der Halbleitertechnik möglich. Halbleiter sind Werkstoffe mit einem spezifischen elektrischen Widerstand zwischen dem der Metalle und dem der Isolatoren. Durch Zugabe verschiedener geeigneter Stoffe (Dotierungsstoffe) kann dieser spezifische Widerstand um mehrere Zehnerpotenzen geändert werden, was für die Halbleitertechnik von entscheidender Bedeutung ist. Man unterscheidet Elementhalbleiter, die nur aus einem chemischen Element bestehen dazu zählen Silizium und Germanium, und Verbindungshalbleiter, welche aus zwei chemischen Elementen bestehen, etwa Galliumarsenid GaAs. 3.1 Herstellung von Silizium 1. Reduktion aus Quarzsand: 1460 SiO + 2C Si + 2CO 2 Dieses Silizium hat eine Reinheit von %; für eine Halbleiteranwendung ist es noch nicht brauchbar. Oft wird daraus eine flüssige Siliziumverbindung hergestellt, das Trichlorsilan SiHCl Destillation der flüssigen Siliziumverbindung Trichlorsilan SiHCl 3. (Bild: SIEMENS) Aus dem gereinigten Trichlorsilan wird Si durch Reduktion mit Wasserstoff hergestellt. Es entstehen polykristalline Siliziumstäbe. 3. Weitere Reinigung der Stäbe im Zonenschmelzverfahren. Eine Hochfrequenzspule dient als Heizung, die den Si-Stab nur an eben einer Stelle aufweicht; die Schmelze wird durch die Oberflächenspannung gehalten: In der durch den Stab wandernden Schmelzzone reichern sich die Verunreinigungen an. Ist die Schmelzzone am Stabende angelangt, so wird dieser stark verunreinigte Teil abgeschnitten und der Stab erneut zonengeschmolzen. Zum Schluss ist der Anteil an Fremdatomen so gering, dass er nicht mehr chemisch, sondern nur mehr durch Leitfähigkeitsmessungen nachgewiesen werden kann. 26 Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010

2 (Bild: SIEMENS) Ein älteres Verfahren zur Herstellung der Silizium-Einkristalle ist das Tiegelziehen. Dabei befindet sich die Siliziumschmelze in einem Quarztiegel, der mit einem Graphitmantel umgeben ist. In die Schmelze taucht ein Impfkristall, der unter langsamer Drehung stetig aus der Schmelze gezogen wird. Der Durchmesser der gezogenen Einkristalle hängt von der Ziehgeschwindigkeit und der Temperatur der Schmelze ab; üblich sind Stabdurchmesser von 15 cm. Nachteil: In den Einkristall kommen Verunreinigungen aus dem Quarztiegel. Zur Weiterverarbeitung zerschneidet man die hochreinen Si-Einkristallstäbe in dünne, handtellergroße Siliziumscheiben (Wafers), die das Ausgangsmaterial für die Chip-Herstellung darstellen. Je nach den weiteren Bearbeitungsverfahren entstehen auf den Scheiben integrierte Schaltungen, Einzeltransistoren und Dioden. 3.2 Eigentliche Herstellung von ICs Zunächst muss einmal das Bedürfnis gegeben sein, einen neuen Mikrobaustein zu entwickeln. Die Idee kommt zunächst in die Entwicklungsabteilung der Chip-Produktionsfirma, die sich Gedanken darüber macht, wie man die geforderten Funktionen am besten in einen Chip packen könnte. Gleichzeitig überlegt die Anwendungsabteilung, ob die Produktion eines solchen Chips überhaupt wirtschaftlich und praktikabel ist. Wenn die Entscheidung, den Chip tatsächlich herzustellen, positiv ausgefallen ist, beginnt die eigentliche Chipentwicklung. Am Anfang steht der so genannte Logik-Entwurf. Der Entwickler überlegt, welche logischen Funktionen er benötigt. Alle diese logischen Funktionsblöcke müssen (im Prinzip) aus Dioden und Transistoren zusammengesetzt werden. Am Computer wird ein Logikplan erstellt; dieser kann dann automatisch in einen Schaltplan umgesetzt werden, in dem die tatsächlichen Bausteine (Dioden, Transistoren) aufscheinen. Das Computerprogramm führt nun zwei Testläufe durch: Einerseits wird die Logik des Systems kontrolliert (das heißt: was kommt heraus 0, 1 oder undefinierte Zustände), andererseits wird die Funktionsweise aller Halbleiterbausteine simuliert. Nach all diesen Schritten wird der Logikplan in einen Schaltplan umgewandelt, der auch die tatsächliche Größe der Funktionseinheiten zeigt. Dieser Plan heißt Lay-out. Dabei arbeitet ein ganzes Team, jeder Mitarbeiter hat einen Teil der Gesamtschaltung vor sich. Die Aufgabe besteht darin, die einzelnen Bausteine so anzuordnen, dass die Schaltung funktioniert die Schaltung möglichst wenig Platz benötigt kein Bauelement ein anderes stört (Mindestabstände!). Nach diesem Fertigungsschritt erfolgt wieder eine umfangreiche Testserie. Ergebnis: Ein kompletter Schaltungsentwurf. Ist der Schaltungsentwurf fertig, so wird die Lay-out-Geometrie in Zahlen und Anweisungen umgewandelt, die für die Herstellung der so genannten Masken benötigt werden. Sie dienen dann als Vorlage für das Aufbringen der P- und N-Strukturen auf die Chips. Dieser Vorgang geschieht meist mittels Planartechnik. Mag. Christian Zahler, Stand: Mai

3 3.3 Planartechnik Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen Die technologische Grundlage zur Herstellung von integrierten Schaltungen ist die Planartechnik. Die Oberfläche einer runden Siliziumscheibe von etwa 15 cm Durchmesser aus dem hochreinen Einkristall wird einer Reihe sich teilweise wiederholender Arbeitsgänge unterworfen. 1. Oxidation Bei einer Temperatur von etwa 1200 C werden die Siliziumscheiben solange einer Sauerstoffatmosphäre ausgesetzt, bis sich an ihrer Oberfläche eine dünne Schicht Siliziumoxid gebildet hat. Dies geschieht in mikrocomputergesteuerten Rohröfen. Das Oxid ist einerseits ein Isolator und verhindert andererseits das Eindringen von Fremdatomen überall dort, wo nicht dotiert werden soll. 2. Fotolackbeschichtung Eine etwa einen Mikrometer dicke, UV-empfindliche Lackschicht wird aufgetragen, indem ein Lacktropfen durch Rotation mit bis zu 6000 Umdrehungen pro Minute gleichmäßig auf der Scheibe verteilt wird. 3. Belichtung durch Maske Der Lack wird durch eine Maske hindurch belichtet, auf der die winzigen Strukturen der Schaltung abgebildet sind. Dadurch wird die Konstruktionszeichnung der Schaltung stark verkleinert auf die Siliziumscheibe übertragen. Die Lithografiegeräte, die die Belichtung der Fotolackschicht übernehmen so genannte Wafer- Stepper stellen die Schlüsseltechnologie in der Herstellung mikroelektronischer Bauteile dar. Für die Herstellung künftiger 1 GBit-RAM-Bausteine (ab 2001) braucht man Strukturgrößen von 0,18 bis 0,15 µm. Dafür werden derzeit neue Lithografiemethoden entwickelt (Ionen-Projektions- Lithografie). 4. Entwicklung 28 Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010

4 Beim anschließenden Entwickeln des Fotolacks bilden sich an den von der Maske ungeschützten Stellen Öffnungen ( Fenster ), an denen die Oxidschicht freigelegt wird. 5. Fensterätzung Das Oxid wird an den fotolackfreien Stellen mittels Plasmaätzung weggeätzt. 6. Fotolackentfernung Der restliche Fotolack wird mit Lösungsmitteln entfernt. Das verbleibende Oxid wirkt bei der nachfolgenden Diffusion als abschirmende Maske. Abb.: Wie eine Straßenschlucht zwischen Hochhäusern wirkt dieses Strukturdetail eines Chips. Die Schlucht ist etwa 0,003 mm breit. (Foto: SIEMENS) 7. Diffusion Mag. Christian Zahler, Stand: Mai

5 Dotieratome, z. B. Bor, diffundieren an den oxidfreien Stellen in den Kristall ein und erzeugen p- leitende Zonen. An den vom Oxid geschützten Stellen bleibt das Silizium n-leitend. Das Eindiffundieren erfolgt hauptsächlich durch Ionenimplantation, wobei die entsprechenden Ionen mit einer Energie von ( ) kev (Kiloelektronenvolt) eingeschossen werden. Die thermische Diffusion bei Temperaturen von etwa 1000 C ist nicht mehr gebräuchlich. 8. Herstellung der Leiterbahnen Zur Herstellung der vorgesehenen leitenden Verbindungen wird zunächst ganzflächig Aluminium auf die Siliziumscheibe aufgedampft. In einem weiteren Schritt wird Aluminium dort weggeätzt, wo keine Verbindungswege und Kontaktstellen entstehen sollen. Abbildung: 2000fache Vergrößerung von Leiterbahnen eines Mikrocomputer-Peripherie-Bausteins (Foto: SIEMENS) 9. Zerlegen der Scheibe in einzelne Chips Auf einer Siliziumscheibe (Wafer) befinden sich viele hundert integrierte Schaltungen: 30 Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010

6 (Foto: SIEMENS) Daher muss am Ende des Fertigungsprozesses die Scheibe durch Ritzen und Brechen oder Sägen in einzelne Schaltungen (Chips) zerlegt werden, welche in der Folge in ein Kunststoff- oder Keramikgehäuse eingebaut werden. Zur elektrischen Verbindung der 0,01 mm² großen Kontaktstellen der Schaltung mit den Außenanschlüssen (den Beinen der Trägerspinne ) wird ein Golddraht vom Durchmesser von etwa 25 µm (halbe Dicke eines Haares) verwendet. Dieser wird auf die Kontaktstelle gesetzt und mit Ultraschall in Schwingung versetzt. Die Reibung an der Kontaktstelle verursacht eine derart hohe Erwärmung, dass die Konaktstelle mit dem Draht verschweißt wird. Bild: vollautomatische Kontaktieranlage (Foto: SIEMENS) Mehrere ICs werden auf einer Kunststoffplatte = Platine untergebracht, auf der leitende Flächen (= Leiterbahnen) die ICs untereinander verbinden. Verbesserungen des Fertigungsprozesses mit dem Ziel einer weiteren Strukturverkleinerung bis unter 0,18 µm sind vor allem bei der Belichtungstechnik (Elektronenstrahl-Lithographie, Röntgen- Lithographie), beim Ätzprozess (Plasmaätzung) und in der Verbindungstechnik (Multilayertechnik auch für höhere Verarbeitungsgeschwindigkeit notwendig) zu erwarten. Anmerkung zur CPU-Herstellung Die Leiterbahnen in den Chips bestehen aus Aluminium, die großen Chiphersteller AMD, IBM und Intel arbeiten an der Kupfertechnologie, um die Aluminiumleiterbahnen durch Kupferbahnen ersetzen zu können. Eine Verbindung von Kupfer und dem Siliziumsubstrat führte bisher zu inakzeptablen Verunreinigungen des Siliziums, AMD hat im Jahr 2000 mit der Herstellung von CPUs mit Kupferleitungen begonnen Die Herstellung von CPUs mit noch höheren Taktfrequenzen ist dann möglich, da auch die Erwärmung der CPU nicht mehr so hoch ist: Der spezifische Widerstand von Kupfer ist nur etwas mehr als halb so groß ist wie der von Aluminium. Mag. Christian Zahler, Stand: Mai

7 4 Logische Verknüpfungen Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen Wir haben im vorigen Kapitel gehört, wie die Herstellung von ICs funktioniert. Voraussetzung war aber ein fertiger Schaltplan. Wir wollen uns jetzt damit beschäftigen, wie man zu einem solchen Schaltplan gelangt. Elektronische Bauteile werden nicht nur in Computern eingesetzt, sondern in fast allen Geräten des täglichen Lebens man denke an Bügeleisen, Telefon, CD-Gerät, Waschmaschine, Radio, Fernseher, Messgeräte usw. Die elektronischen Bauelemente haben für alle diese Anwendungen sehr verschiedene Aufgaben zu erfüllen. ICs, die speziell für einen Anwender entwickelt werden, bezeichnet man auch als ASICs (Application Specified Integrated Circuit). Bevor nun mit der Schaltplanerstellung begonnen wird, muss der Auftraggeber (Computer-, Waschmaschinenhersteller usw.) bekannt geben, was die gewünschte Schaltung können soll. Die präzise Formulierung der Aufgabenstellung, das so genannte Pflichtenheft, muss vom Auftraggeber unterschrieben werden, um spätere Streitigkeiten über die genaue Funktion der Schaltung zu vermeiden. Die Techniker versuchen nun, das Problem in Tabellen oder Gleichungen darzustellen. Für die kombinatorischen Verknüpfungen können dazu Wahrheitstafeln verwendet werden. Ein konkretes Beispiel: Von Taschenrechnern und LCD-Anzeigen ist die 7-Segment-Anzeige von Zahlen bekannt (siehe Abb. rechts). In jeder dieser Anzeigen muss sich daher eine Schaltung befinden, die genau dann Strom an ein Segment anlegt, wenn es zur Darstellung einer ganz bestimmten Ziffer notwendig ist. Betrachten wir das Segment e: Dieses soll genau dann leuchten, wenn die Zahlen 0, 2, 6 und 8 angezeigt werden. Als Eingangssignal muss daher eine der Ziffern 0 9 kommen. Für die Darstellung einer Ziffer im BCD-Code brauchen wir 4 bit: 0 10 = = = = = = = = = = Man kann sich also 4 Eingangsvariablen x 0, x 1, x 2, x 3 vorstellen, von denen jede den Wert 0 oder 1 annehmen kann. Das Ausgangssignal ist abhängig von diesen 4 Variablen. Wir bezeichnen es als f(x 1,x 2,x 3,x 4 ). dezimal x 3 x 2 x 1 x 0 f(x 0,x 1,x 2,x 3 ) Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010

8 egal egal egal egal egal egal Interessanterweise haben wir hier 6 Möglichkeiten, die gar nicht als Eingangssignal vorkommen können (wir kennen ja nur 10 Ziffern!). Daher ist es in diesen Fällen egal, was am Ende herauskommt (Fachbezeichnung: don t care -Zustände). So eine Tafel nennt man Operations- oder Wahrheitstafel. Bei der Konstruktion von kombinatorischen Schaltungen ist meist eine derartige Tafel bekannt: man kennt die Anzahl der Ein- und Ausgänge, und man weiß, welche Werte (abhängig von den Eingangswerten) an den Ausgängen gewünscht werden. Es gibt eine Reihe von Programmen, die aus diesen Informationen selbständig Schaltungen erstellen und optimieren können. Die zugrundeliegenden Algorithmen werden an dieser Stelle nicht besprochen, da dies den Rahmen des vorliegenden Skriptums sprengen würde. Wir werden uns auf die Besprechung der wichtigsten logischen Operationen beschränken, aus denen im Prinzip alle Schaltungen aufgebaut sind. In jedem Computer müssen mathematische beziehungsweise logische Rechenvorgänge technisch realisiert werden. Logische Operationen: AND, OR, NOT Mathematische Operationen: Addieren (+) Dabei muss gesagt werden, dass logische Operationen wesentlich einfacher zu realisieren sind als mathematische. Grund: Man braucht für die Durchführung einer Addition bereits einen Speicher. (Anmerkung: Alle Rechenvorgänge werden auf Additionen zurückgeführt!) Die Schaltungen können technisch auf verschiedene Weise realisiert werden. Wir werden jedoch auf die Unterschiede nicht eingehen. Die bekanntesten Möglichkeiten sind: rein mechanisch (diese Darstellung verwenden wir, da man sie aufbauen kann und relativ leicht durchschaut) TTL (Transistor-Transistor-Logik; hier baut man die Schaltungen nur aus Transistoren auf typisch ist ein Fernsehgerät) MOS (Metal Oxide Semiconductor; Schaltungen bestehen aus 3 Bestandteilen: Metall z. B. Aluminium für die Leiterbahnen, Metalloxid zur Isolation, Silicium als Halbleiter) CMOS (Complementary MOS) Die logischen Verknüfungen AND, OR und NOT werden wegen ihrer Wichtigkeit auch als Grundgatter bezeichnet. 4.1 AND Das logische UND entspricht dem sprachlichen sowohl... als auch : Ich möchte etwas trinken UND etwas essen bedeutet, dass ich SOWOHL etwas trinken ALS AUCH etwas essen möchte. In einer mechanischen Schaltung sieht dies so aus: Mag. Christian Zahler, Stand: Mai

9 AND als Schaltung: x 1 x 2 6 V = 6 V/0,03 W Ausgangssignal V Gatterdarstellung: x 1 x2 & y mathematisch: y = x 1 x 2 Man ordnet in der obigen Schaltskizze die Zustände geschlossene Schalter, Lämpchen leuchtet dem Wert 1 zu. Diese Zuordnung bezeichnet man als positive Logik. Dies kann man in einer Operationstafel darstellen: x 1 x 2 y = x 1 x OR Das logische ODER heißt inklusives ODER oder nicht ausschließendes ODER und entspricht dem sprachlichen entweder... oder... oder beide. Es ist nicht mit dem ausschließenden ODER zu verwechseln (siehe XOR). Ich möchte etwas trinken ODER etwas essen bedeutet, dass ich etwas trinken ODER etwas essen ODER beides möchte. Gatterdarstellung: x 1 x2 1 y mathematisch: y = x 1 x 2 Dies kann man in einer Operationstafel darstellen: x 1 x 2 y = x 1 x Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010

10 XOR auch: Antivalenz Das exklusive oder enstpricht dem sprachlichen entweder... oder : Ich möchte etwas trinken XOR etwas essen bedeutet, dass ich ENTWEDER etwas trinken ODER etwas essen möchte, aber nicht beides. Gatterdarstellung: x 1 x2 = 1 y mathematisch: y = x 1 XOR x 2 Dies kann man in einer Operationstafel darstellen: x 1 x 2 y = x 1 XOR x Mag. Christian Zahler, Stand: Mai