Integrierter Schaltkreis

Definition und Aufbau

Ein integrierter Schaltkreis, auch integrierte Schaltung oder IC (englisch „integrated circuit“), ist eine elektronische Schaltung, die auf einem dünnen, meist einige Millimeter großen Plättchen aus Halbleitermaterial hergestellt wird. Dieses Plättchen heißt Chip oder Die. Es enthält typischerweise zahlreiche elektrisch miteinander verbundene Bauelemente, darunter Transistoren, Dioden, Widerstände und Kondensatoren.

Der Chip wird meist zum Schutz und zur leichteren Kontaktierung in ein deutlich größeres Gehäuse eingebaut. Die elektrischen Anschlüsse des Gehäuses werden als Pins bezeichnet. Umgangssprachlich werden „Chip“ und „IC“ teilweise gleichgesetzt; technisch bezeichnet der Chip jedoch nur das Halbleiterplättchen mit der eigentlichen Schaltung, während der IC häufig den gesamten eingebauten Baustein meint.

Moderne ICs können viele Milliarden Bauelemente auf wenigen Quadratmillimetern enthalten. Seit Anfang der 1990er Jahre werden ihre Strukturen im Nanometer-Bereich gefertigt. Dadurch lassen sich komplexe Schaltungen wie Mikroprozessoren und Speicherchips auf sehr kleiner Fläche unterbringen. Daneben gibt es standardisierte Bausteine wie Logik-ICs und Operationsverstärker. Die Logik-Chips der seit den 1970er Jahren hergestellten 74xx-Serie enthielten anfangs nur Transistoren im ein- oder zweistelligen Bereich.

Von ICs zu unterscheiden sind Doppel-, Dreifach- und andere Mehrfachbauelemente, bei denen mehrere eigenständige Bauelemente lediglich ein gemeinsames Gehäuse oder einen gemeinsamen Glaskolben besitzen. Die Bauelemente eines ICs werden dagegen auf oder in einem gemeinsamen Halbleitersubstrat gefertigt und durch Leiterzüge zu einer Schaltung verbunden.

Historische Entwicklung

Vor integrierten Schaltungen wurden elektronische Schaltungen überwiegend aus diskreten Bauteilen aufgebaut, also aus einzelnen Transistoren, Dioden und anderen Bauelementen, die auf einer Leiterplatte verbunden wurden. Bereits Mitte der 1920er Jahre gab es jedoch Röhren mit integrierten Funktionen. Die Elektronenröhren 3NF und 2HF enthielten neben aktiven Röhrenelementen im Inneren zusätzlich vier beziehungsweise zwei Widerstände sowie zwei beziehungsweise einen Kondensator. Dadurch entstanden fertige Radio-Grundschaltungen, an die nur noch Außenkomponenten wie Antenne, Stromversorgung und Lautsprecher oder Kopfhörer angeschlossen werden mussten. Transistoren verdrängten solche röhrenbasierten Lösungen vor allem wegen ihrer geringeren Größe und Leistungsaufnahme.

Werner Jacobi erfand und patentierte 1949 einen „Halbleiterverstärker“ aus fünf Transistoren auf einem Halbleiterträger. Die Transistoren bildeten eine dreistufige Verstärkerschaltung; zwei waren „über Kopf“ geschaltet und ermöglichten eine Impedanzwandlung zwischen den Verstärkerstufen. In der am 15. Mai 1952 bekannt gemachten Patentschrift wurde der Integrationsgedanke so beschrieben: „Halbleiterverstärker, dadurch gekennzeichnet, daß auf den Halbleiter mehrere in verschiedenen Schalt- bzw. Verstärkerstufen wirkende Elektrodensysteme aufgesetzt werden.“ Eine unmittelbare wirtschaftliche Nutzung des Patents ist nicht bekannt.

Der erste integrierte Schaltkreis, ein Flipflop, wurde im September 1958 von Jack Kilby entwickelt. Er bestand aus zwei Bipolartransistoren auf einem Germanium-Substrat, die durch Golddrähte verbunden waren. Dieser Hybrid-Schaltkreis setzte Transistor-Transistor-Logik (TTL) in einer kleinen Bauform um. Robert Noyce meldete im Juli 1959 den ersten monolithischen IC zum Patent an. Bei dieser Bauweise werden sämtliche Bauelemente einschließlich der Verdrahtung auf beziehungsweise in einem einzigen einkristallinen Substrat gefertigt. Dabei wurden bereits Fotolithografie und Diffusionsprozesse eingesetzt.

Die ersten ICs in Serienproduktion entstanden Anfang der 1960er Jahre, insbesondere bei Texas Instruments und Fairchild Semiconductor. Sie enthielten bis zu wenige Dutzend Bipolartransistoren und gehörten zur small-scale integration (SSI), meist in RTL-Technik. Die Rüstungsindustrie und die Raumfahrt förderten die Entwicklung; bis Mitte der 1960er Jahre war die US-Regierung der wichtigste Abnehmer. Ab 1965 wurden im Gemini-Programm Bordcomputer auf IC-Basis eingesetzt.

Mit der medium-scale integration (MSI) wurden einige hundert, mit der large-scale integration (LSI) Anfang der 1970er Jahre einige tausend Transistoren auf einem Chip möglich. Dadurch konnte erstmals eine vollständige CPU als Mikroprozessor integriert werden. 1970/71 wurden nahezu gleichzeitig der Intel 4004, der TI TMS 1000 und der Garrett AiResearch Central Air Data Computer vorgestellt. Mit der very-large-scale integration (VLSI) folgten Anfang der 1980er Jahre einige hunderttausend Transistoren; dadurch konnten unter anderem RAM-Speicher mit 256 KiBit und 1 MiBit hergestellt werden. Mit Mikroprozessoren sind die Namen Gordon Moore, Marcian Edward Hoff und Federico Faggin verbunden; Robert Widlar leistete wichtige Beiträge zu analogen ICs.

Im Jahr 2010 enthielten Grafikprozessoren bis zu drei Milliarden Transistoren und General-Purpose-CPUs bis zu 1,17 Milliarden; der Itanium 2 Tukwila bestand aus 2,05 Milliarden Transistoren. Bei Grafikprozessoren wurden später über neunzig Milliarden Transistoren erreicht, im Artikel am Beispiel der Nvidia GTX 5090. Speicherbausteine erreichen noch größere Transistorzahlen, besitzen jedoch eine geringere Komplexität des gesamten Chips.

Arten und typische Aufgaben

Das kennzeichnende Merkmal eines ICs ist die große Zahl gleicher oder verschiedener aktiver und passiver Bauelemente sowie verbindender Leiterzüge auf oder in einem einkristallinen Substrat. ICs sind damit das Gegenstück zu Schaltungen aus einzelnen Bauteilen auf einer Leiterplatte. Dünnschicht- und Dickschichtschaltungen sowie Hybridschaltkreise nehmen eine Zwischenstellung ein.

Nach der Fertigungstechnologie werden drei wichtige Gruppen unterschieden:

• Monolithische Schaltkreise enthalten alle Bauelemente auf einem einzigen einkristallinen Halbleiterstück. Sie entstehen unter anderem durch Dotierung, Epitaxie und Schichtauftrag. Beispiele für Technologien sind TTL, CMOS, CCD, BiCMOS, DMOS, BiFET und Bipolar.
• Dünnschichtschaltungen werden durch Bedampfen auf einem Glassubstrat hergestellt und bestehen meist aus Widerstandsnetzwerken. Auch Dünnschichttransistoren (TFT), wie sie in Flachbildschirmen eingesetzt werden, gehören dazu.
• Dickschicht-Hybridschaltkreise kombinieren mehrere monolithische Chips, gedruckte Leiterzüge und passive Bauteile, meist Widerstände, auf einem Keramikträger.

Nach der Signalart verarbeiten digitale ICs Signale mit wenigen diskreten Pegeln, während analoge oder lineare ICs beliebige Zwischenwerte verarbeiten. Mixed-Signal-ICs enthalten sowohl analoge als auch digitale Schaltungsteile. Sensor- und Aktor-ICs wandeln physikalische Größen in elektrische Signale um oder umgekehrt. Beispiele sind ICs in CMOS-Kameras, Mikrospiegelaktoren, Hallsonden und Beschleunigungssensoren sowie Schaltungen zur Messung von Temperatur oder Beleuchtungsstärke.

Nach ihrer Aufgabe gibt es unter anderem:

• Prozessoren als Rechen- und Steuereinheiten,
• Halbleiterspeicher zum Speichern digitaler Daten,
• RFID-Chips zur kontaktlosen Identifikation,
• Standard-Logik-ICs mit anwendungsübergreifenden Funktionen,
• ASICs für eine bestimmte Anwendung,
• ASSPs als vom Hersteller angebotene anwendungsspezifische Standardprodukte,
• Sensor-ICs zur Verarbeitung nichtelektrischer Größen,
• DSPs zur Verarbeitung digitaler oder digitalisierter Signale,
• A/D- und D/A-Wandler zur Umwandlung zwischen analogen und digitalen Werten,
• FPGAs als vom Kunden konfigurierbare digitale ICs,
• Mikrocontroller mit Programmspeicher, Rechenwerk, Arbeitsspeicher und Registern,
• Leistungs-ICs für hohe Ströme und Spannungen sowie
• System-on-a-Chip (SoC), die größere Systeme auf einem Chip vereinen.

Herstellung vom Wafer zum Gehäuse

ICs werden überwiegend monolithisch auf Wafern gefertigt. Ein Wafer ist eine Scheibe aus einkristallinem Halbleitermaterial. Auf einem 300-mm-Wafer entstehen parallel meist identische ICs: bei sehr großen Prozessoren etwa 80, bei Einzeltransistoren, einfachen Schaltungen, LEDs oder Photodioden mehr als Zehntausend. Die Fertigung gliedert sich in Substratherstellung, Front-End und Back-End; Funktionstests begleiten den Prozess.

Mehr als 99 Prozent der ICs verwenden Silicium als Substrat. Für sehr hochfrequente oder optische Anwendungen kommen auch Galliumarsenid, Silicon-on-Insulator (SOI) oder Silicon-on-Sapphire (SOS) zum Einsatz. Aus einer hochreinen Siliciumschmelze wird meist mit dem Czochralski-Verfahren ein Einkristallzylinder, ein Ingot, gezogen. Alternativ dient Zonenschmelzen der Herstellung oder weiteren Reinigung. Die Ingots werden in 0,5 bis 1,5 mm dünne Wafer gesägt. In der Massenproduktion verwendete Siliciumwafer hatten 2016 Durchmesser von 150, 200 oder 300 mm; 450-mm-Wafer befanden sich noch in der Einführungsphase. Ätzen, Schleifen und Polieren erzeugen eine Oberfläche mit Unebenheiten kleiner einem Nanometer.

Das Front-End erfolgt in Reinräumen, weil bereits Staubpartikel unter 0,1 µm einen Schaltkreis unbrauchbar machen können. Zu den wichtigsten Verfahren gehören Fotolithografie zur Strukturierung, Schichtaufbau durch Epitaxie, Sputtern, Bedampfen oder CVD, chemische Ätz- und Reinigungsverfahren sowie Ausheizen, Dotierung und Silizidbildung.

Im Front-End-of-Line (FEOL) werden die aktiven und passiven Bauelemente hergestellt. Bei modernen CMOS-Prozessen beginnt dies mit der Grabenisolation (STI), bei der geätzte Gräben mit isolierendem Material, vor allem Siliciumdioxid, gefüllt und durch chemisch-mechanisches Polieren eingeebnet werden. Danach entstehen durch Dotierung die Wannen und Transistorkanäle. Für n- und p-Kanal-Transistoren können Einfach-, Zweifach- oder Dreifachwannen verwendet werden; die Dotierung erfolgt meist durch Ionenimplantation und wird anschließend durch einen Temperaturprozess aktiviert.

Anschließend wird der Gate-Schichtstapel aus Gatedielektrikum und Gateelektrode hergestellt und strukturiert. Bei älteren CMOS-Prozessen bestanden diese Schichten aus wenigen Nanometern Siliciumdioxid und Polysilicium. Fotolithografie und reaktives Ionenätzen (RIE) bilden die Gate-Struktur. Danach werden Source- und Drain-Gebiete erzeugt. Bei LDD-MOSFETs gehören dazu Drain-Erweiterungs- und Halo-Implantate sowie Abstandshalter, sogenannte Spacer.

Die Kontaktierung der Transistorelektroden bildet den Middle-of-Line-Bereich (MOL), der nicht eindeutig FEOL oder BEOL zugeordnet wird. Die Elektroden werden häufig silizidiert. Danach folgen ein Zwischendielektrikum, Kontaktlöcher und deren Füllung mit meist durch CVD abgeschiedenem Wolfram.

Im Back-End-of-Line (BEOL) werden die Bauelemente durch mehrere Metallisierungsebenen verbunden. Typische Leiterbahnmaterialien sind Aluminium und seit Ende der 1990er Jahre häufig Kupfer. Aluminium wird ganzflächig abgeschieden, fotolithografisch strukturiert und trocken geätzt. Bei Kupfer werden dagegen zunächst Vertiefungen in der Isolationsschicht hergestellt und anschließend galvanisch gefüllt. Dafür dienen Damascene- und Dual-Damascene-Verfahren. Fertige ICs enthalten 13 bis 15 Metallisierungsebenen; die oberen Ebenen besitzen größere Strukturen, bis zu 32-fach gröber als die kleinsten Ebenen. Silizium-Durchkontaktierungen (TSV) werden unter anderem bei bestimmten Sensoren eingesetzt und gelten als mögliche Grundlage künftiger 3D-Integrationen mit übereinandergestapelten Chips.

Im eigentlichen Back-End werden die Wafer zerteilt und die Dies verpackt. Durch Backlapping können sie zuvor auf etwa 100 bis 200 µm abgedünnt werden, was die Wärmeabfuhr verbessert. Das Zerteilen erfolgt meist durch Sägen, selten durch Ritzen und Brechen. Die Sägefolie hält die Dies zusammen; zwischen ihnen liegen Ritzrahmen mit Teststrukturen. Beim Packaging wird der Chip durch Chip- oder Drahtbonden kontaktiert und anschließend hermetisch verkappt, etwa in einem Keramik- oder Metallgehäuse oder durch Umhüllung mit Kunstharz. Hochkomplexe Bausteine können auch direkt auf die Platine gelötet werden, beispielsweise in einem Ball Grid Array.

Tests, Miniaturisierung und Bedeutung

Während der Herstellung werden unfertige ICs nach vielen Prozessschritten geprüft. Im Front-End dienen Stichproben, insbesondere das Process Control Monitoring (PCM), der Kontrolle von Prozessschwankungen und technologischen Parametern wie Schichtdicken. Nach dem Front-End werden in der Regel alle ICs auf Teststrukturen im Ritzrahmen elektrisch geprüft. Ihre Eigenschaften müssen innerhalb bestimmter Spezifikationen liegen, damit der Chip über den zulässigen Temperaturbereich und die vorgesehene Lebensdauer zuverlässig arbeitet. Manche Hochfrequenzfunktionen oder Anschlüsse, die später nicht auf Pins geführt werden, können nur am ungehäusten Die geprüft werden.

Nach dem Packaging folgt ein weiterer Funktionstest. Er erkennt Fehler beim Bonden oder Einhausen und prüft Eigenschaften, die sich durch das Gehäuse verändern oder erst darin messbar sind. Die Stückprüfung kann ICs nach Güteklassen sortieren, etwa nach der Offset-Spannung von Operationsverstärkern. Hohe Qualitätsstufen für militärische und Raumfahrtanwendungen werden mit erweiterten Temperatur- und Umweltanforderungen gefertigt, etwa nach MIL-Standard; Plastikgehäuse und größere Toleranzen eignen sich für Massenanwendungen. Die automatisierten Tests werden bei hochintegrierten Prozessoren nahezu so teuer wie deren Herstellung, weil viele Funktionen nacheinander geprüft werden müssen und die Parallelisierung begrenzt ist. Starrnadeladapter können Messpunktabstände von 150 µm und Kontaktstellen mit 70 µm Durchmesser prüfen. Eine neue Fertigungstechnologie durchläuft außerdem eine Lernkurve, die sich unter anderem am Yield, also am Anteil funktionierender Bausteine, messen lässt. Ihre Entwicklung kann teilweise dreistellige Millionenbeträge kosten.

Die Miniaturisierung verfolgt drei Hauptziele: eine effizientere Fertigung, leistungsfähigere und energiesparendere Bauelemente sowie die Integration zusätzlicher Funktionen. Mehrere hundert bis tausend ICs werden parallel auf einem Wafer hergestellt, doch Produktionsfehler verhindern eine hundertprozentige Ausbeute. Kleinere Transistoren ermöglichen höhere Schaltgeschwindigkeiten, kürzere Leitungen, geringere Signallaufzeiten und eine verringerte Betriebsspannung beziehungsweise Leistungsaufnahme. Größere Wafer, die sich von 2 Zoll auf heute 12 Zoll beziehungsweise 300 mm entwickelt haben, verringern Verschnitt und verbessern die Flächennutzung.

Integrierte Schaltungen bilden heute die Grundlage komplexer Elektronik, besonders der Computertechnik. Sie ermöglichen umfangreiche Funktionen auf kleinstem Raum und machten viele Systeme durch Massenfertigung deutlich günstiger. Ihre Miniaturisierung unterstützt unter anderem Telefon-, SIM-, Geld- und Kreditkarten, RFID-Systeme, intelligente Sensoren, kleinere und langlebigere Herzschrittmacher und Hörgeräte, MP3-Abspielgeräte sowie CMOS-Kameras.