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. Er wurde in TTL Logik entwickelt. Transistor, Transistor Logik war zunächst sehr preiswert herzustellen, hatte aber eine hohe Verlustleistung. Es war die Zeit der grossen Netzteile.(50Ampere,5Volt stabilisiert. Wie fast bei allen Erfindungen wurde eine Weiterenwicklung eingeleitet wobei die Bauformen zunächst verkleinert wurden.

Miniaturisierung

Moderne integrierte Schaltkreise wie z.B. Speicherbausteine und Mikroprozessoren können viele Hundert Millionen Bauteile (insbesondere Transistoren) enthalten. Der PentiumPro - Prozessor (1995) enthält z.B. 5,5 Millionen Transistoren, heutige Prozessoren können aus über 200 Millionen Transistoren bestehen.

Das Bestreben, immer weitere und umfangreichere Funktionen auf einem einzigen Chip zu integrieren, hat folgende Gründe:

Miniaturisierung von Geräten und deren Steuerung
- zur besseren Handhabung (z.B. mobile Geräte).
- zur Einsparung von Werkstoffen.
effizientere Fertigung: sämtliche Bauteile hunderter Chips werden simultan gefertigt und verdrahtet
geringere Leistungsaufnahme: kleinere Bauteile erfordern auch weniger Strom
kürzere Leitungslängen und somit kürzere Signallaufzeiten: die Schaltvorgänge können schneller ablaufen als in diskret aufgebauten Schaltungen
höhere Zuverlässigkeit als konventionelle, gelötete Schaltungen

Arten und Anwendung Integrierter Schaltungen

Nach der Bauform:

monolithische Schaltkreise bestehen aus einem einzigen Kristallstück (Chip)
Dickschicht-Hybridschaltkreise vereinen mehrere Chips sowie gedruckte Leiterzüge und passive Bauteile in Dickschicht-Technologie auf einem Keramikträger. Sie sind oft nur tauchlackiert.
Dünnschicht-Schaltkreise sind meistens Widerstands-Netzwerke, die durch Bedampfen und ggf. Elektronenstrahlabgleich auf einem Glassubstrat hergestellt werden. Schutz durch Tauchlackierung.

Nach der Signalart:

Digitale ICs verarbeiten oder speichern Signale, die in Form von zwei diskreten Pegeln vorliegen
Analoge ICs verarbeiten Signale mit beliebigen Zwischenwerten
mixed signal - ICs haben sowohl analoge als auch digitale Schaltungsteile

Nach der Aufgabe:

Prozessoren: Rechen- und Steuereinheiten von Computern
Halbleiterspeicher speichern digitale Daten.
ASICs sind anwendungsspezifische Entwicklungen (z.B. in Brotröstern, KFZ, Waschmaschinen)
Sensor-ICs wandeln und verarbeiten nichtelektrische Größen (z.B. Beschleunigung, Licht, Magnetfelder)
DSPs (digitale Signalprozessoren) verarbeiten digitale Signale oder analoge Signale in digitale Form
D/A- und A/D-Wandler wandeln digitale in analoge Werte oder umgekehrt
FPGAs (field programmable gate array) sind vom Kunden konfigurierbare digitale ICs, die aus einer Vielzahl von zusammenschaltbaren Funktionsbausteinen bestehen
Microcontroller (µC) enthalten alle Teile eines kleinen Computers (Programmspeicher, Rechenwerk, Arbeitsspeicher und Register)
sog. Power-ICs können hohe Ströme und Spannungen verarbeiten (z.B. als komplette Leistungs-Verstärker oder in Netzteilen)

Herstellung integrierter Schaltungen

Grundmaterial

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 für Silicon on Saphire).

Herstellungsprozesse

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 HI-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 150, 200 oder 300 mm). 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, Total Thickness Variation) 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 (Halbleitertechnologie) (engl. reticle oder mask) und chemisches Entfernen der belichteten oder unbelichteten Lackbereiche (je nach Art des Lacks)
Ätzen (nasschemisch oder Plasma)
Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)
Dotieren des Halbleiters durch Ionenimplantation oder Diffusion
Aufbringen metallischer Schichten (Sputterdeposition)
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

Chips 3 bg 102602.jpg Plastikgehäusen auf einer Computer-Platine (Makroaufnahme)]] Je nach Größe der ICs befinden sich zwischen wenigen Hundert und einigen 10.000 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 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. eprom.jpgDiejenigen 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 Dice) 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). Ein alternatives Verfahren zur Montage von Chips in ein Gehäuse ist die Flip Chip Technik. Sie wird insbesondere bei Chips mit vielen Anschlüssen eingesetzt (z. B. Mikroprozessoren). Die in Gehäuse eingebauten Dice 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.

Bild: Hochauflösendes, frei verwendbares Close-Up des inneren eines ICs, gut zu erkennen sind die Bonding-Drähte aus Gold. Leider ohne Maßstabsangabe.

Pinbelegung

Typische Versorgunsspannung Bezeichnung
BJT	FET
V_CC	V_DD	V+	$V_{S+}$	Positive Versorungsspannnung
V_EE	V_SS	V−	$V_{S-}$	Negative Versorungsspannnung

Geschichte der integrierten Schaltungen

Image:Chips1_old.jpg|Chips aus einem Rechner Image:Chips2_old.jpg|Chips auf Keramikträger aus einem Rechner Image:diverseICs.JPG|Integrierte Schaltkreise im Plastikgehäuse Bis in die 1950er Jahre standen Halbleiterbauelemente nur als diskrete Bauteile, d.h. einzelne Transistoren, Dioden, etc., zur Verfügung. In Größe und Lebensdauer war dies bereits ein wesentlicher Durchbruch gegenüber den damals konkurrierenden Elektronenröhren, insbesondere da sich inzwischen die Verwendung von Leiterplatten (Platinen) durchsetzte.

Die ersten integrierten Schaltkreise in Serienproduktion entstanden Anfang der 1960er (v.a. auch bei Texas Instruments und Fairchild Semiconductor) und bestanden lediglich aus bis zu wenigen Dutzend Transistoren (Small-scale integration, SSI). Mit den Jahren wurden die Strukturen jedoch immer weiter verkleinert und auch passive Bauelemente (z.B. Widerstände) integriert, wobei die Anzahl der Transistoren aber weiterhin die wichtigste Kenngröße blieb. 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 als Mikroprozessoren 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. Mit dieser Weiterentwicklung der Fertigungstechnologie einher ging eine immer höhere Entwurfsautomatisierung, ohne die die Entwicklung komplexer Schaltungen nicht mehr möglich war.

Aktuelle HighEnd-Prozessoren enthalten über 200 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 2005).

Personen

Jack Kilby, Robert Noyce, Jean Hoerni, Robert Widlar, Gordon Moore, G.W.A. Dummer

Siehe auch

Weblink

Halbleiterbauelement | Elektrische Schaltung | Aufbau- und Verbindungstechnik der Elektronik

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