Halbleiterfertigung

50 Jahre mit Moore’s Law

| Autor / Redakteur: Intel / Rainer Graefen

Der Autor von Moore's Law: Gordon Moore gründete 1968 mit Andy Grove und Robert Noyce die Firma Intel
Der Autor von Moore's Law: Gordon Moore gründete 1968 mit Andy Grove und Robert Noyce die Firma Intel (Intel Corporation)

Gordon Moore, der Mitgründer der Firma Intel, wollte vor 50 Jahren die Trends der damaligen Produktionstechnik für Halbleiter beschreiben und wagte eine Prognose für die nächsten zehn Jahre. Heute finden Chiphersteller nach wie vor Mittel und Wege, um die prophezeite Verdoppelung der Komponenten auf einem Chip innerhalb von etwa zwei Jahren zu realisieren.

Als Gordon Moore 1965 in der Zeitschrift Electronics seine Beobachtungen zu Trends in der damals noch jungen Halbleiterindustrie veröffentlichte, war es ein Artikel unter vielen.

Sicher, der Doktor der Physik und Chemie war kein Unbekannter in der Branche, nachdem er zunächst Fairchild Semiconductor und dann, zusammen mit Andy Grove und Robert Noyce, das Unternehmen Intel gegründet hatte. Doch im Prinzip ging es in Moores Artikel um eine hypothetische Betrachtung der Fortschritte im Herstellungsprozess von integrierten Schaltungen.

Damals ging Moore davon aus, dass die Fortschritte in der Halbleiterherstellung jedes Jahr die doppelte Anzahl an Transistoren auf einer Flächeneinheit möglich machen würden. Genauer ging es um die optimale Menge an Komponenten pro Flächeneinheit. Bei höherer Komponentendichte stieg (und steigt) der Ausschuss, so dass es in jeder neuen Fertigungsgeneration eine bestimmte Menge an Komponenten gibt, die den idealen Spagat zwischen Funktionsdichte und Anzahl der nutzbaren Chips darstellen.

Dieses „was-wäre-wenn“ Szenario dehnte Moore auf die nächsten zehn Jahre aus und erklärte auch, wie die seiner Ansicht nach auftretenden Probleme durch technische Innovationen gelöst werden konnten. Vom Mooreschen Gesetz sprach damals noch niemand.

Erst zehn Jahre später prägte der Pionier der modernen Mikroelektronik Carver Mead den Begriff, nachdem Gordon Moore die Zeitspanne von zwölf Monate auf etwa zwei Jahre korrigiert hatte. Moore und Mead gaben der rasant wachsenden Halbleiterindustrie, die die Welt revolutionieren sollte, ihre goldene Regel für die Zukunft.

10 Milliarden Transistoren pro Sekunde

Mittlerweile blickt die Welt auf 50 Jahre Moore’s Law zurück und zum Erstaunen Vieler ist das Gesetz noch immer gültig. Aus den 64 Transistoren, die Moore 1965 auf einer integrierten Schaltung untergebracht hatte (doppelt so viele wie im Jahr davor), sind bei einem Intel Core Prozessor der vierten Generation 1,4 Milliarden Transistoren geworden.

Der erste Intel Prozessor, der legendäre 4004, kam 1971 noch mit 2.300 Transistoren aus. Allein in den Intel-eigenen Produktionsstätten (Fabs) werden heute pro Sekunde 10 Milliarden Transistoren erzeugt. Um diesen Wert zu erreichen, waren rasante Fortschritte in der Fertigungstechnik notwendig.

Die zahlreichen Vergleiche, in denen diese Technikrevolution mit anderen Branchen ins Verhältnis gesetzt wird (siehe Kasten), geben nur einen unvollkommenen Überblick. Welche Fertigungstiefe nötig ist, um Produktionsprozesse in atomaren Größen zu beherrschen, ist schlichtweg unvorstellbar. Selbst die Anfänge der Chip-Herstellung, in denen die Produktstrukturen noch mit bloßem Auge zu erkennen waren, hatten schon lange nichts mehr mit den schier mittelalterlichen Methoden zu tun, die ihr Erfinder, der Pole Jan Czochralski, im Jahr 1916 verwendete.

Ergänzendes zum Thema
 
Was wäre, wenn Moore’s Law auch in anderen Branchen gelten würde?

Er hatte versehentlich seine Füllfeder nicht in Tinte sondern in geschmolzenes Zinn getaucht. Als er den Füller herauszog, lief von seinem Ende ein dünner Zinnfaden in den Topf. Czochralski konnte beweisen, dass der Zinnfaden monokristallin war und stellte monokristalline Metalle von einem Millimeter Durchmesser und bis zu 150 cm Länge her.

In den 50er Jahren nutzten US-Forscher der Bell Labs sein Verfahren, um Germanium-Kristalle zu züchten und bildeten so die Brücke zur Silizium-Herstellung. Als Halbleiter kann das Element Silizium, je nachdem mit welchen gezielten Verunreinigungen es kombiniert wird, sowohl leitend als auch nicht leitend sein.

Von feinem Quarzsand zum Silikon-Wafer

Silizium ist zweithäufigste Element in der Erdkruste. Bis daraus aber ein Halbleiter-Bauelement wird, sind viele Einzelschritte nötig. Das verwendete Silizium, das aus einer Quelle wie etwa feinstem Quarzsand stammen kann, darf nur eine einzige Verunreinigung pro einer Milliarde Atome enthalten.

Um aus diesem Material die dünnen Wafer herzustellen, aus denen Prozessoren gefertigt werden, wird das hochreine Silizium in einem Behälter aus Quarz knapp oberhalb seines Schmelzpunkts von 1414 °C in einer Schutzatmosphäre zum schmelzen gebracht. Ein Stab mit einem Impfkeim genannten Startkristall taucht in die flüssige Masse und wird unter exakt kontrollierten Bedingungen wieder herausgezogen.

Die Geschwindigkeit des Prozesses ist dabei ebenso wichtig wie die Temperatur der Schmelze und die Rotationsgeschwindigkeit des Behälters um den Stab. Die aus diesem Prozess entstehenden Kristallblöcke hatten zu Zeiten der ersten Halbleiterproduktionen noch 1 oder 2 Zoll Durchmesser (etwa 25,4 bzw. 50,8mm). Aktuell arbeitet man mit 12 Zoll (300mm), ein Umstieg auf Wafer mit 18 Zoll (450mm) Durchmesser ist noch 2015 geplant.

Ein kompletter durch diesen Prozess entstandener Block - auch Ingot genannt - wiegt etwa 100kg und ist mehrere Zehntausend Dollar wert. Er wird in dünne Scheiben, die Wafer, zerschnitten und in dieser Form an die Halbleiterhersteller geliefert.

Die Scheiben sind poliert und haben absolut glatte Oberflächen. In einem Lithografie genannten Schritt werden extrem kleine Muster präzise auf dem Wafer aufgebracht. Dazu wird zunächst ein lichtempfindlicher Fotolack flächig auf dem sich in einem Vakuum drehenden Wafer verteilt. Anschließend belichtet man das vorgezeichnete Muster mit UV-Licht und einem hochpräzisen Linsensystem. Das Muster jedes Prozessors wird so einzeln auf dem Wafer abgebildet.

An den Stellen, an denen der Lack dem UV-Licht ausgesetzt war, wird er ausgehärtet. Nicht ausgehärtete Bereiche werden in einem nass-chemischen Prozess entfernt. An den nun lackfreien Stellen setzen sich Ionen (positiv oder negativ geladene Atome) ab, mit denen der Hersteller den Wafer „beschießt“. Dieser „Dotierung“ oder „Doping“ genannte Prozess bringt kontrolliert Unreinheiten in das Silizium ein, was nötige Halbleitereigenschaften mit sich bringt.

Flache Scheiben, dreidimensionale Chips

Auch wenn ein fertiger Wafer völlig flach aussieht, besteht er aus bis zu 50 vertikalen Schichten. Um etwa einen der heute üblichen Tri-Gate Transistoren aufzubauen, wird eine weitere Schutzschicht auf die Stellen aufgebracht, die die Transistoren enthalten sollen. Nicht abgedeckte Stellen werden entfernt, übrig bleibt die „Finne“ eines Tri-Gate-Transistors.

Weitere lithografische Schritte folgen, bei denen jeweils Bereiche abgedeckt werden, die im nächsten Produktionsschritt unverändert bleiben sollen. Dazu wird in einer Sauerstoff-Brennröhre Siliziumdioxid an nicht maskierten Stellen erzeugt, um ein temporäres Gate zu erschaffen oder polykristallines Silizium als Isolator aufgebracht.

Intel nutzt bei der Prozessorherstellung das „Gate Last“-Verfahren, um das temporär mit polykristallinem Silizium erzeugte Gate in einem weiteren Produktionsschritt zu entfernen. Erst im Anschluss steht die Erstellung eines finalen Gates mittels eines High-k Dielektrikums.

Durch die Kombination des High-k Dielektrikums und einer Metallelektrode erreicht Intel eine erheblich bessere Leistung und geringere Leckströme als bei einem Gate auf traditionellem Siliziumdioxid/polykristallinem Silizium.

Zur Finalisierung des Transistors verbinden ihn die Chip-Ingenieure mit den anderen Transistoren. Dazu ätzt man drei Löcher in den Transistor, die die Anschlüsse repräsentieren.

Der Wafer wird dann in ein Bad aus Kupfersulfat gelegt und Kupferionen mittels Elektroplating flächig auf dem Wafer aufgebracht. Nachdem die flächige Kupferschicht vom Wafer wegpoliert wurde, bleiben die mit Kupferionen gefüllten Löcher im Transistor zurück.

Diese Löcher verbinden sich durch einige weitere leitfähige Schichten mit den anderen Elementen auf dem späteren Prozessor. Die Verbindung mit der Außenwelt übernehmen Lötpunkte auf dem Chip.

Finalisierung: Tests und Packaging

Im nächsten Schritt überprüft ein elektronischer Funktionstest Teilbereiche des Chips und stellt sicher, dass die spätere CPU ihre Aufgaben fehlerfrei erfüllt und keine defekten Produkte weiterverarbeitet werden. Danach wird der Wafer zersägt und die einwandfrei funktionierenden Chips gelangen in das endgültige Gehäuse.

Aktuelle High-End Prozessoren von Intel lassen sich mit einem Plattform Controller Hub (PCH) kombinieren, der verschiedene Zusatzfunktionen wie die Ansteuerung von On-Board Grafikkarten und die Takterzeugung übernimmt. Nach weiteren Tests der kompletten CPU erfolgt die Kombination von Chips mit ähnlichen Leistungsdaten zu einer Charge und die Auslieferung zum Kunden.

Ein Ende des Moore’schen Gesetzes ist nicht in Sicht. Heute laufen die lithografischen Prozesse bei Strukturgrößen von 14 nm ab, zukünftig entwickelt Intel sogar mit 10 nm-Technik.

Kommentare werden geladen....

Was meinen Sie zu diesem Thema?

Der Kommentar wird durch einen Redakteur geprüft und in Kürze freigeschaltet.

Anonym mitdiskutieren oder einloggen Anmelden

Avatar
Zur Wahrung unserer Interessen speichern wir zusätzlich zu den o.g. Informationen die IP-Adresse. Dies dient ausschließlich dem Zweck, dass Sie als Urheber des Kommentars identifiziert werden können. Rechtliche Grundlage ist die Wahrung berechtigter Interessen gem. Art 6 Abs 1 lit. f) DSGVO.
  1. Avatar
    Avatar
    Bearbeitet von am
    Bearbeitet von am
    1. Avatar
      Avatar
      Bearbeitet von am
      Bearbeitet von am

Kommentare werden geladen....

Kommentar melden

Melden Sie diesen Kommentar, wenn dieser nicht den Richtlinien entspricht.

Kommentar Freigeben

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

Freigabe entfernen

Der untenstehende Text wird an den Kommentator gesendet, falls dieser eine Email-hinterlegt hat.

copyright

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de/ (ID: 43461170 / Forschung u. Wissenschaft)