Integrierter Schaltkreis

Ein Integrierter Schaltkreis oder eine integrierte Schaltung (engl. integrated circuit, abgekürzt IC) ist eine elektronische Schaltung aus Transistoren, Kondensatoren, Widerständen und Induktivitäten, die vollständig in bzw. auf einem einzigen Stück Halbleitersubstrat integriert ist. Der erste integrierte Schaltkreis geht auf Jack Kilby in das Jahr 1958 zurück und umfasste etwa zehn Bauteile. Moderne integrierte Schaltkreise wie z.B. Speicherbausteine können viele Hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten.

Herstellung integrierter Schaltungen

Das Grundmaterial (Substrat) der überwiegenden Mehrzahl (mehr als 99%) der integrierten Schaltkreise ist Silizium, das gleichzeitig als aktives Material für die Transistoren dient. Für sehr hochfrequente oder optische Anwendungen kommen auch andere Materialien wie Gallium-Arsenid zum Einsatz. Für spezielle Anwendungen wird auch Silizium auf dem isolierenden Substrat Saphir verwendet (SOS = Silicon on Saphire).

Integrierte Schaltkreise werden industriell in großen Stückzahlen hergestellt. Die Fertigung erfolgt in extrem sauberer Umgebung, so genannten Reinräumen mit einer sehr geringen Dichte von Staubpartikeln. Dies ist nötig, weil selbst kleinste Partikel (< 0,1 µm = ca. halbe Größe eines AIDS-Virus) bereits den Ausfall eines kompletten Schaltkreises verursachen können.

Zunächst wird aus einer hochreinen Siliziumschmelze ein einkristalliner Zylinder (Ingot) gezogen und durch Zonenschmelzen weiter gereinigt. Dieser wird in 0,5-1,5 mm dünne Scheiben, die sog. Wafer, zersägt. Die heute in der Massenproduktion verwendeten Siliziumwafer haben Durchmesser von 6, 8 oder 12 Zoll (entsprechend 15, 20 oder 30 cm). Sie erhalten durch verschiedene Ätz-, Schleif- und Polierprozesse eine nahezu perfekte ebene Oberfläche mit Unebenheiten in der Größenordnung von wenigen nm. Die Dickenschwankungen (TTV-Werte) liegen im Bereich von wenigen µm.

Auf diesen Wafern werden durch eine wiederholte Folge von Strukturisierungs-, Ätz-, Dotier- und Abscheideprozessen die Bauelemente und die Struktur der Schaltung erzeugt. Die wichtigsten Prozessschritte sind

Fotolithografie: Aufbringen von Fotolack (Resist), Projektion der gewünschten Struktur mit kurzwelligem Licht durch eine Maske (engl. reticle oder mask, siehe Maske (Chipentwicklung)) und chemisches Entfernen der belichteten oder unbelichteten Lackbereiche (je nach Art des Lacks)
Ätzen
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)
Dotieren des Halbleiters durch Ionenimplantation oder Diffusion
Aufbringen metallischer Schichten (sputtern)
Thermisches Wachstum von Siliziumdioxid (SiO₂)
Abscheiden von polykristallinem Silizium (Polysilizium)
thermisches LPCVD oder plasmainduziertes PECVD Abscheiden von isolierenden Schichten

Die aktiven Bauelemente (Transistoren) des ICs bestehen aus unterschiedlich dotierten Halbleiterbereichen (p- und n-Halbleiter) im Substrat, einer Isolationsschicht (in der Regel SiO₂) und einer Polysiliziumschicht. Widerstände werden durch Leiterbahnen aus Polysilizium, Metallen (Tantal) oder Metallverbindungen (Titannitrid) realisiert. Kondensatoren bestehen entweder aus der Schichtenfolge Substrat-SiO₂-Polysilizium oder aus zwei Metallschichten mit einer abgeschiedenen isolierenden Zwischenschicht als Dielektrikum. Für die Verdrahtung der Bauelemente werden je nach Komplexität der Schaltung bis zu zehn Lagen Aluminium oder Kupfer aufgebracht und durch Lithografieschritte strukturiert. Die Metalllagen sind jeweils durch eine abgeschiedene isolierende Schicht voneinander getrennt.

Test und Packaging

Je nach Größe des IC befinden sich zwischen wenigen Hundert und einigen 10000 davon auf einem Wafer. Nach der Herstellung des Wafers wird jeder Chip getestet. Dabei werden alle wesentlichen Funktionen des ICs abgeprüft. Obwohl diese Messungen auf speziellen Testsystemen vollautomatisch ablaufen, haben die damit verbundenen Kosten bei hochintegrierten Prozessorchips bereits nahezu die Herstellungskosten erreicht.

Zusätzlich zu diesem Funktionstest, der die Aufgabe hat, nicht funktionierende Chips zu erkennen, werden parametrische Messungen auf dem Wafer an sogenannten PCMs (Process Control Module) durchgeführt. Dabei werden die wichtigsten elektrischen Parameter der verwendeten Bauelemente an speziellen Teststrukturen ermittelt. Die elektrischen Parameter müssen bestimmte Spezifikationen einhalten, um sicher zu stellen, dass die Chips im gesamten zulässigen Temperaturbereich und über die volle spezifizierte Lebensdauer zuverlässig arbeiten. Diejenigen Chips, die den Funktionaltest nicht bestehen, werden markiert und später aussortiert. Wafer die den parametrischen Test nicht bestehen werden komplett aussortiert, da diese Fehler auf einen ausserhalb der Spezifikation liegenden Herstellungsschritt zurückzuführen sind der folglich alle Chips betrifft.

Schließlich werden die integrierten Schaltkreise (Chips oder Dies) durch Zersägen des Wafers vereinzelt. Die 'guten' Chips werden in ein Gehäuse (engl. package) eingebaut. Die Anschlüsse auf dem Chip werden mit dünnen Golddrähten mit den Anschlüssen (Pins) des Gehäuses verbunden (Bonding). Die in Gehäuse eingebauten Dies müssen anschließend einen zweiten Test durchlaufen, um einerseits die Fehler zu erkennen, die möglicherweise durch das Packaging entstanden sind und um andererseits Eigenschaften testen zu können, die sich durch das Packaging verändern bzw. deren Messung ohne Gehäuse nicht möglich ist, wie z.B. das Bonding oder bestimmte Hochfrequenzeigenschaften.

Geschichte der integrierten Schaltungen

Foto einiger integrierter Schaltkreise im Plastikgehäuse

Bis in die 50er Jahre wurden elektronische Schaltungen diskret aufgebaut, d.h. die einzelnen Bauteile wurden auf sogenannte Leiterplatten (Platinen) aufgelötet und miteinander durch Drähte oder gedruckte Leiterbahnen verbunden.

Die ersten integrierten Schaltkreise entstanden Anfang der 1960er und bestanden lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren (Small-scale integration, SSI). Mit den Jahren wurden die Strukturen jedoch immer weiter verkleinert. Mit der medium-scale integration (MSI) fanden einige hundert Transistoren, bei der large-scale integration (LSI) Anfang der 1970er einige tausend Transistoren Platz auf einem Die.

Damit war es erstmals möglich, ganze CPUs auf einem Chip zu integrieren, was die Kosten für Computer extrem reduzierte. Anfang der 1980er folgte die very-large-scale integration (VLSI) mit einigen hunderttausend Transistoren, mittels derer man schon bald Speicherchips (RAM) mit einer Kapazität von 1 MB herstellen konnte. Aktuelle Prozessoren bestehen aus annähernd 100 Millionen Transistoren auf einer Fläche von nur wenig mehr als einem Quadratzentimeter. Speicherchips haben auf der gleichen Fläche bereits die Zahl von 1 Milliarde Transistoren erreicht (Stand: Herbst 2004)