3 Herstellung von ICs

Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
3 Herstellung von ICs
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:
SiO 2 + 2C ⎯1460
⎯
⎯°→ Si + 2CO
Dieses Silizium hat eine Reinheit von 96 – 98 %; für eine Halbleiteranwendung ist es noch nicht
brauchbar. Oft wird daraus eine flüssige Siliziumverbindung hergestellt, das Trichlorsilan SiHCl3.
2. Destillation der flüssigen Siliziumverbindung Trichlorsilan SiHCl3.
(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
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
(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 2010
27
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
3.3 Planartechnik
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.
(Grafik: SIEMENS)
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.
(Grafik: SIEMENS)
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 WaferStepper – 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-ProjektionsLithografie).
(Grafik: SIEMENS)
4. Entwicklung
28
© Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
Beim anschließenden Entwickeln des Fotolacks bilden sich an den von der Maske ungeschützten
Stellen Öffnungen („Fenster“), an denen die Oxidschicht freigelegt wird.
(Grafik: SIEMENS)
5. Fensterätzung
Das Oxid wird an den fotolackfreien Stellen mittels Plasmaätzung weggeätzt.
(Grafik: SIEMENS)
6. Fotolackentfernung
Der restliche Fotolack wird mit Lösungsmitteln entfernt. Das verbleibende Oxid wirkt bei der
nachfolgenden Diffusion als abschirmende Maske.
(Grafik: SIEMENS)
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 2010
29
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
Dotieratome, z. B. Bor, diffundieren an den oxidfreien Stellen in den Kristall ein und erzeugen pleitende 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 (100 ... 200) keV (Kiloelektronenvolt) eingeschossen werden. Die thermische
Diffusion bei Temperaturen von etwa 1000°C ist nicht mehr gebräuchlich.
(Grafik: SIEMENS)
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.
(Grafik: SIEMENS)
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
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
(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, RöntgenLithographie), 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 2010
31
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
4 Logische Verknüpfungen
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:
010 = 00002
510 = 01012
110 = 00012
610 = 01102
210 = 00102
710 = 01112
310 = 00112
810 = 10002
410 = 01002
910 = 10012
Man kann sich also 4 „Eingangsvariablen“ x0, x1, x2, x3 vorstellen, von denen jede den Wert 0 oder 1
annehmen kann. Das „Ausgangssignal“ ist abhängig von diesen 4 Variablen. Wir bezeichnen es als
f(x1,x2,x3,x4).
dezimal
x3
x2
x1
x0
f(x0,x1,x2,x3)
0
0
0
0
0
1
1
0
0
0
1
0
2
0
0
1
0
1
3
0
0
1
1
0
4
0
1
0
0
0
5
0
1
0
1
0
6
0
1
1
0
1
7
0
1
1
1
0
8
1
0
0
0
1
9
1
0
0
1
0
32
© Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
5
1
0
1
0
egal
4
1
0
1
1
egal
3
1
1
0
0
egal
2
1
1
0
1
egal
1
1
1
1
0
egal
0
1
1
1
1
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 2010
33
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
AND als Schaltung:
x1
x2
V
6 V/0,03 W
Ausgangssignal
6V=
Gatterdarstellung:
x1
&
x2
y
mathematisch: y = x1 ∧ x2
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:
x1
x2
y = x1 ∧ x2
0
0
0
0
1
0
1
0
0
1
1
1
4.2 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:
x1
x2
≥1
y
mathematisch: y = x1 ∨ x2
Dies kann man in einer Operationstafel darstellen:
34
x1
x2
y = x1 ∨ x2
0
0
0
0
1
1
1
0
1
© Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010
Grundlagen der Informatik, PC-Hardware und Schnittstellen
1
1
1
4.3 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:
x1
x2
=1
y
mathematisch: y = x1 XOR x2
Dies kann man in einer Operationstafel darstellen:
x1
x2
y = x1 XOR x2
0
0
0
0
1
1
1
0
1
1
1
0
© Mag. Christian Zahler, Stand: Mai 2010
35