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Elektronik: Blitzableiter für Mikrochips

Je kleiner die elektronischen Schaltkreise, desto bedrohlicher sind die Folgen selbst geringster Entladungen. Jede neue Generation von Chips erfordert deshalb neue Schutzmaßnahmen.


Elektrostatische Aufladung ist ein alltägliches Phänomen: Wer mit Turnschuhen über einen Wollteppich geht, kann leicht mehr als 5000 Volt erzeugen, die er beim Berühren von Metall als kurzen "Schlag" zu spüren bekommt. Was für den Menschen nur unangenehm ist, kann mikroelektronische Bauteile durchaus schon schädigen. Spezielle Schaltungen schützen deshalb Mikrochips gegen elektrostatische Entladung (ESD, electrostatic discharge). Doch je kleiner die Strukturen dieser Bauelemente werden, desto leichter versagen bewährte Verfahren. Experten befürchten sogar, dass nicht Quantenphänomene dereinst dem Schrumpfen der Schaltungen ein Ende setzen (siehe SdW- Spezial 2/2001, S. 40), sondern nicht mehr beherrschbare Entladeströme.

Die größten Schäden richtet die damit einhergehende Erwärmung an. So kann sich die Dotierung ändern: Jedes mikroelektronische Bauelement entsteht aus einem Halbleiterkristall durch den Zusatz von Fremdatomen (Dotierung), die seine elektrischen Eigenschaften modifizieren. Energiezufuhr kann diese Atome aber von ihren Plätzen lösen und wandern lassen – dabei geht dann die gewünschte Funktion des veränderten Kristalls verloren.

Weit dramatischer noch wirkt der "thermische Durchbruch": Wenn ein Entladestrom den Halbleiter lokal ausreichend aufheizt, sinkt an diesem "Hot Spot" der elektrische Widerstand. In der Folge fließt noch mehr Strom dort hindurch und der Prozess schaukelt sich auf. 1500 Grad Celsius und mehr sind möglich und die typischen Chip-Werkstoffe Silizium, Aluminium und Kupfer können schmelzen.

Deshalb versuchen die Konstrukteure beim Schaltkreisentwurf die Geometrie ihrer Bausteine so großzügig zu gestalten, dass jeder Strom möglichst gleichmäßig hindurch fließt. Die verwendeten Materialien sollten Wärme gut ableiten, damit sich ein Bauteil nicht zu sehr aufheizt.

Generationswechsel fördert Übersprechen

Ähnliche Überlegungen gelten für die elektrischen Verbindungen eines Schaltkreises, seien es horizontale Leiterbahnen, seien es Vias genannte vertikale Verbindungen zwischen verschiedenen Ebenen oder die Kontaktstellen eines Chips nach außen. Auch diese Leitungen müssen mehr und mehr schrumpfen, denn kurze Wege erhöhen die Geschwindigkeit, mit der Signale zwischen den funktionellen Einheiten der Schaltkreise ausgetauscht werden können. Wenn sich Hot Spots bilden, ist das bewährte Aluminium problematisch, denn es schmilzt bereits bei 660 Grad Celsius. Doch seit 1997 setzen sich Kupfer-Schaltverbindungen durch, da ihre höhere elektrische Leitfähigkeit kleinere und schnellere Schaltungen ermöglicht. Das verbessert den ESD-Schutz – Kupfer schmilzt erst bei 1083 Grad Celsius.

Weniger positiv wirkte ein Genera­tionswechsel bei der Isolation leitender Verbindungen. Das übliche Siliziumdioxid wird bei hohen Frequenzen zu durchlässig und die Gefahr eines "Übersprechens" wächst. Der Grund: Zwei elektrische Leiter bilden mit einem dazwischen liegenden Isolator ungewollt einen Kondensator. Einen Gleichstrom würde solch ein Bauelement unterbrechen: Es wird aufgeladen, danach fließt bis zur Entladung kein Strom mehr. Diesen Effekt bezeichnet man als kapazitiven Widerstand. Doch bei Wechselstrom lässt er nach, und zwar proportional zu dessen Frequenz und zu der so genannten Dielek­trizitätskonstanten k der Isolation. Aus diesem Grund kommen bei Hochfrequenzchips Low-k-Materialien zum Einsatz. Diese leiten Wärme jedoch schlechter als das klassische Siliziumdioxid. Breitere Leitungen und andere Tricks kompensieren das zum Teil wieder, sodass der Vorteil des neuen Leitungsmaterials Kupfer überwiegt. Insgesamt wurde also die Widerstandsfähigkeit der elektrischen Ver­bindungen gegen ESD verbessert. Anders wären Schaltungen für Signale von mehreren Gigahertz (Milliarden Hertz) gar nicht möglich gewesen.

Doch wie sieht es mit den Halbleiterelementen der Schaltungen selbst aus, insbesondere den Arbeitspferden der Mikroelektronik, den Transistoren. John Bardeen, Walter H. Brattain und William Bradford Shockley hatten dieses heute so unentbehrliche Bauelement im Dezember 1947 erfunden; sie erhielten dafür 1956 den Nobelpreis in Physik (Spektrum der Wissenschaft 3/1998, S. 80). Mit kleiner elektrischer Leistung steuern Transistoren eine große Leistung; das jeweilige Verhältnis wird dann als Verstärkung bezeichnet.

Die erste Blüte erlebte diese Technik mit den Bipolar-Transistoren, die aus einem Sandwich unterschiedlich dotierter Halbleiterregionen bestehen. Ein kleiner Strom durch die Basis genannte mittlere steuert den Stromfluss zwischen den beiden äußeren Regionen (Emitter und Kollektor). In der Digitaltechnik, beispielsweise bei Computerkomponenten, beherrschen die jüngeren MOSFETs die Szene (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren). Emitter und Kollektor werden dort zu Source und Drain (englisch für "Quelle" und "Senke"), dazwischen liegt der Channel. Auf diesem liegt, durch eine Schicht Siliziumdioxid elektrisch isoliert, eine Elektrode aus metallischem Polysilizium auf, das Gate. Legt man daran eine Steuerspannung, zieht ein elektrisches Feld Elektronen in den Kanal, sodass ein Nutzstrom fließen kann.

Mit den jüngsten Generationen dieser Bausteine hat das Zeitalter der Nano­struktur begonnen. Beispielsweise verkündete Intel, Chips mit 50 Nanometern langen Channels und 1,2 Nanometern dicken Gate-Oxiden herzustellen – eine aus nur fünf Atomen bestehende Schicht. Den ESD-Schutz stellt das allerdings vor massive Probleme, denn je dünner das Dielektrikum, desto kleinere Entlade­spannungen richten bereits Schäden an, es bedarf nicht einmal mehr der Aufheizung. Als "dielektrischen Durchbruch" bezeichnen Fachleute den verheerenden Effekt von Ladungsträgern, die wie ein Blitzstrahl den Isolator durchschlagen und molekulare Bindungen zerbrechen. Dabei entstehen regelrechte Löcher im Oxid der Gate-Elektrode. Erreicht die Entladung hingegen die Senke, verstärkt sie dort das elektrische Feld. Das beschleunigt Leitungselektronen, die nun noch gebundene Elektronen freischlagen können – der Stromdurchfluss wächst lawinenartig bis zum thermischen Durchbruch.

Gefahr erkannt und sofort gebannt

Als gebräuchlichste Gegenmaßnahme werden Schutzschaltungen auf dem Chip integriert, die Entladungen ableiten. In den 1960er und 1970er Jahren waren das beispielsweise Dioden, seit den 1980er und 1990er Jahren spezielle MOSFETs mit einer großflächigen Drain und entsprechend geringer Gefahr, Ströme zu konzentrieren. Allerdings entstehen dabei Kapazitäten, die die Leistungsfähigkeit eines Mikrochips mindern, und es ist keine leichte Aufgabe, eine solche Konstruktion zu optimieren. Eine wenig gebräuchliche Alternative nutzt den Umstand, dass zwischen der Senke eines MOSFET und dem Substrat aufgrund der Dotierung ungewollt eine Gleichrichter-Struktur (Diode) entsteht, die als ESD-Schaltung fungieren kann.

Seit etwa 1995, als die Leitungen schmaler als 250 Nanometer wurden, kommen auch als Power Rail Clamps ­bezeichnete Schaltungen zum Einsatz. Sie sollen einen ESD-Impuls anhand seines Frequenzspektrums oder anhand der Überspannung erkennen und ableiten. Solche Systeme wurden erst durch die modernen Hochgeschwindigkeits-Transistoren möglich, denn ESD-Impulse haben oft Frequenzanteile von bis zu einem Gigahertz, erfordern also ein sehr schnelles Schalten der Schutzstrukturen. Heutzutage sind beispielsweise Mikroprozessoren und Funkfrequenz-Chips durch solche Power Rail Clamps geschützt. Mit jeder neuen Generation von Schaltkreisen wird ihre Konstruktion aber schwieriger: Sie müssen ebenfalls schrumpfen, gleichzeitig aber noch besser sein. Zudem ändern neue Technologien die Rahmenbedingungen.

Dazu gehört die so genannte Silizium-auf-Isolator-Bauweise (Silicon-on-In-s­­u­lator, SOI), eine Variante der CMOS-Technik. Sie ermöglicht schnellere Schaltungen, denn eine dünne Oxidschicht isoliert die Transistoren vom dickeren Siliziumsubstrat und reduziert dadurch unerwünschte Kapazitäten. Dieser Isolationsfilm bedeutet aber, dass die erwähnte Diodenstruktur in der Vertikalen nicht mehr entsteht. Vor wenigen Jahren wurde das Problem gelöst, indem die Konstrukteure entsprechend dotierte Gebiete in der Ebene aneinander grenzen ließen. Es entstanden also horizontale Dioden, die Überspannungen wieder ableiten konnten. Diese Technik wird noch für Bausteine ausreichen, in denen die Siliziumschicht gerade mal zwanzig Nanometer dünn ist.

CMOS-Systeme eignen sich gut für digitale Anwendungen: Strom fließt nur in einem Inverter genannten Element und nur während des Umschaltens von einer logischen "Eins" zur "Null" und umgekehrt. Dabei müssen aber auch die Kapazitäten der Leitungen umgeladen werden. CMOS-Inverter eignen sich deshalb weniger gut für Hochgeschwindigkeits-Chips etwa für den Einsatz in Handys und Computern mit mobilem Internetzugang. Dieser Markt wird im nächsten Jahrzehnt aber weiterhin schnell wachsen, und die Frequenzen steigen dann von zehn auf hundert Gigahertz. Eine als Hochfrequenz-CMOS bezeichnete Technologie schafft noch die zehn Gigahertz, doch für höhere Frequenzen sind vermutlich Alternativen gefragt.

Der Vorgänger des MOSFET, der Bipolartransistor, erfährt deshalb zurzeit eine Renaissance, allerdings mit Silizium-Germanium (SiGe) und Galliumarsenid (GaAs) als zusätzlichen Werkstoffen. Sein Funktionsprinzip bleibt das schon genannte: Strom, der zwischen Emitter und Kollektor fließt, wird durch einen kleinen Strom gesteuert, der in eine als Basis bezeichnete Region eintritt.

Der Trick ist nun, schnellere Halbleiter wie Germanium mit dem Silizium zu kombinieren. Diese unterscheiden sich durch die Konfiguration ihrer Elektronen: Es kostet wesentlich weniger Energie, sie aus einem gebundenen Zustand zu lösen und als Leitungselektronen freizusetzen. Durch Zugabe von Germanium in die Basis eines Bipolartransistors lässt der sich um den Faktor hundert beschleunigen. Aufgrund der Regionen mit unterschiedlichen Energielücken spricht man von Heteroübergängen. Dem deutschen Forscher Herbert Kroemer von der University of California, Santa Barbara, wurde für seinen Beitrag zur Entwicklung solcher Bauelemente der Nobelpreis für Physik des Jahres 2000 zuerkannt. Silizium-Germanium-Transistoren werden bereits in extrem schnellen Oszilloskopen, Handys, Ortungssystemen (GPS) und in der Hochgeschwindigkeitskommunikation verwendet.

Letzte Lösung: Outsourcing

Man kann die Vorteile beider Techniken kombinieren und SiGe-Transistoren in eine Standard-CMOS-Technologie einbauen. Dann lassen sich Dioden und Transistoren anlegen, die keine andere Aufgabe haben, als elektrostatische Entladungen abzuleiten. Bis hundert Gigahertz hat das im Labor bereits funktioniert und IBM kündigte die kommerzielle Herstellung an. Doch bei der nächsten Leistungssteigerung dürften, da sind sich die Experten einig, wieder neue Konzepte für den ESD-Schutz erforderlich sein.

Heteroübergänge bietet auch Gal­liumarsenid (GaAs), dessen Elektronen beweglicher als die in Silizium sind. Kommerziell wird es in den Leistungsverstärkern von Mobiltelefonen und den optischen Schaltverbindungen verwendet, die elektronische Schaltungen mit Glasfaseroptik verbinden. Außerdem eignet sich GaAs für Raumfahrt-Anwendungen wie etwa Satelliten und interplanetare Sonden. Standard-CMOS-Bausteine lassen sich daraus aber nur schwer herstellen, denn es gibt kein dem Sili­ziumdioxid vergleichbares, als Isolator fungierendes Oxid von GaAs. Dieser Nachteil vereitelt aber auch die bislang beschriebenen ESD-Schutzmaßnahmen. Folglich sind GaAs-Bausteine empfind­licher gegenüber Entladung. Das ist gerade in der Raumfahrt-Elektronik fatal, sind die Flugkörper doch oft einem erheblichen Beschuss durch geladene Partikel ausgesetzt.

Vor fast einem Jahrzehnt entwickelte Karlheinz Bock, damals an der Universität Hannover, so genannte Feldemissionsschutzstrukturen beziehungsweise Funkenstrecken. Das sind konisch in den Halbleiter geätzte Vertiefungen mit einem winzigen Luftspalt zwischen der Spitze des Konus und einer Leiterbahn des Bausteins. Eine Spannung aus einer Entladung erzeugt an dieser Spitze ein sehr hohes elektrisches Feld und die Spannung entlädt sich über den Spalt. Solche Strukturen haben gegenüber speziellen Dioden oder Transistoren eine Reihe theoretischer Vorteile: Dank einer geringeren Kapazität stören sie den zu schützenden Baustein weniger und sie können hohe Ströme entladen. Allerdings brennen auch diese Wunderwaffen gelegentlich durch, sodass ihre Zukunft in den Sternen steht. Eine Zuflucht bleibt den Entwicklern aber immer: Wenn alles andere versagt, halten teure Schutzschaltungen außerhalb des Chips ESD-Impulse fern.

Literaturhinweise


ESD in Silicon Integrated Circuits. Von Ajith Ameraskara und Chervaka Duvvury. John Wiley & Sons, 2. Auflage, 2002.

Investigating a New Generation of ESD-Induced Reticle Effects. Von James Wiley and Arnold Steinman in: Micro, Bd. 17; April 1999, S. 35. ­Online verfügbar siehe unten.

Basic ESD- and I/O Design. Von Sanjay Dabral und Timothy J. Maloney. John Wiley & Sons, 1998.


Wenn Masken Funken sprühen


Fotolithografische Masken definieren, welche Stoffe sich wo in einem mikroelektronischen Baustein bei der Fertigung abscheiden oder abgetragen werden. Der Miniaturisierung der Schaltungen entspricht auch eine zunehmende Verfeinerung dieser Masken. Obwohl sie keine elektrische Funktion haben, kann elektrostatische Entladung auch hier schwere Schäden anrichten.

Julian Montoya von Intel und Arnold Steinman von Ion Systems in Berkeley (Kalifornien) haben jüngst bewiesen, dass sich Maskenstrukturen aufladen und dann auf angrenzende Bereiche entladen können. Riskant sind vor allem Schäden an sehr feinen Strukturen, da geringe Spannungen dafür ausreichen, Sichtkontrollen aber diese Fehler oft nicht entdecken und die schadhaften Masken dann in der Produktion verwendet werden. Vermutlich können Materialien, die Ladungen schnell ableiten, dem ebenso abhelfen wie bessere Inspektionsverfahren, doch diese Werkstoffe stehen hier noch am Anfang.


Gefahr für Datenspeicher


Schreib-Lese-Köpfe für Festplatten und Disketten verwenden Magnetowiderstands­elemente, um Information zu speichern beziehungsweise zu lesen. Die auf Magnetfelder reagierende Komponente besteht aus einem dünnen Film eines "magneto­resistiven" Materials: Wenn der Kopf über die Platte fegt, verändern Schwankungen im magnetischen Feld den elektrischen Widerstand in diesem Film. Dadurch wird die Magnetfeldänderung in elektrische Spannung übersetzt. Je schmaler der Streifen des magnetoresistiven Werkstoffs, desto höher die Informationsdichte der Fläche.

Elektrostatische Entladungen bedrohen auch hier die Funktion. So können sie den empfindlichen Film aufschmelzen. Der Strom aus einer Entladung kann aber selbst ein magnetisches Feld erzeugen, das die aufgezeichneten Daten verändert. Darüber hinaus haben winzige Blasen, die aufgrund der Hitze entstanden, schon manchen Lesekopf zum Crash gebracht.

Sicherungen mit niedrigem elektrischem Widerstand schützen Schreib-Lese-Köpfe mitt­lerweile während der Herstellung – im Notfall leiten sie schädlichen Strom ab. Es gibt auch Leitungen, die alle zum Kopf führenden Drähte kurzschließen, sodass während der Montage von Plattenlaufwerken kein Ausfall eintritt; sie werden danach wieder entfernt. Neuerdings setzt man die magnetischen Elemente auf Silizium-Wafer, um Schutzschaltungen zu integrieren.

Dennoch: Bislang gehören diese Schreib-Lese-Köpfe zu den gegenüber ESD empfindlichsten Komponenten. Schon Entladungen von 35 Volt reichen heute aus. Bei der nächsten Generation werden bereits 10 Volt Schaden anrichten, denn sie nutzt einen Tunneleffekt zwischen extrem dünnen Magnetfolien.

Aus: Spektrum der Wissenschaft 6 / 2003, Seite 82
© Spektrum der Wissenschaft Verlagsgesellschaft mbH

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