Techniklexikon

integrierte Schaltung

IC, Integrated Circuit, Halbleiterbauteil (Halbleiter), das meist mittels Planartechnik hergestellt wird und bei dem ein Halbleiterkristall, z.B. aus Silizium, mit wenigen mm² Fläche eine vollständige selbständige Schaltung enthält. Dabei werden diskrete Bereiche des Halbleiterkristalls zu Bauelementen mit vorgegebenen Eigenschaften dotiert und mittels aufgedampfter Verbindungsleitungen zur Schaltung vervollständigt. Da das Substrat selbst leitfähig ist, müssen für diese Verbindungsleitungen sowie zur Trennung der Bauelemente voneinander und gegen das Substrat Isolierwannen gebildet werden, wozu in die n-leitende Epitaxieschicht, die das p-leitende Substrat bedeckt, in vorgegebenen Bereichen (Maskierung) entsprechende Dotierungselemente eindiffundiert werden (Dotierung). Es ergeben sich inmitten von p-leitenden Gebieten n-leitende Bereiche. Wird der entstandene pn-Übergang in Sperrichtung vorgespannt, so wirkt er als Isolierschicht.

Von den passiven Bauelementen lassen sich Widerstände durch Kristallbereiche mit vorgegebener Dotantenkonzentration und Kapazität bilden, indem grossflächig vorgespannte Sperrschichten von Transistoren als Kondensatoren verwendet werden. Aktive Bauelemente, wie Dioden oder Transistoren, können z.B. durch sukzessive Diffusion oder sukzessive epitaxiale Züchtung hergestellt werden. Die Isolierung der Strukturen voneinander kann über gezielte Ätzschritte, selektiv gezüchtete Trennschichten oder durch thermische Oxidation erfolgen. Als hauptsächliche Prozesstechnologien in der IC-Herstellung werden die Lithographie, das Ätzen, die Metallisierung, die Implantation, die Diffusion, die Oxidation, die Epitaxie und das chemisch-mechanische Polieren (Planarisierung) eingesetzt. In der VLSI- (Very Large Scale Integration) bzw. ULSI-Technologie (Ultra Large Scale Integration) werden momentan bis zu 10⁸ Bauelemente auf einem Chip integriert, wobei Siliziumscheiben mit einem Durchmesser von bis zu 300 mm prozessiert werden. Die höchstmögliche Integration wird hauptsächlich durch die kleinsten, von lithographischen Systemen noch abbildbaren und nachfolgend prozessierbaren Strukturgeometrien bestimmt, welche Dimensionen von 0,25 m und darunter erreichen. Der Prototyp eines röntgenlithographisch strukturierten 1 GBit-Speicherbausteins arbeitet mit minimalen Strukturbreiten von 0,18 m. Die Grenzen sind nicht absehbar.

Grundsätzlich werden Logik-Bausteine und Speicherchips (RAM-Bausteine) unterschieden. Spezielle kundenspezifische Schaltkreise mit wesentlich geringerem Integrationsgrad werden in Kleinserien gefertigt (ASICs).

integrierte Schaltung 1: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines typischen ICs. Deutlich zu erkennen das relativ dicke Substrat und die elektrischen Zuleitungen. Ein Transistor nimmt üblicherweise auf dem Chip eine Fläche von 200 mm mal 150 mm ein.

integrierte Schaltung 2: Schrägschliff eines Chips. Die dünne, an der Kante fein geriffelte Deckschicht ist aus Siliziumdioxid. Die hellen und dunklen Bereiche darunter sind unterschiedlich dotiertes Silizium. Auf der Oberfläche ragen die metallischen Kontakte aus der Siliziumdioxidschicht hervor.

integrierte Schaltung 3: Röntgenmaske für die Herstellung eines 1-Gbit-Chips.