Halbleiterfertigung

Die Geschichte hat mal »Groß« angefangen

27. Oktober 2022, 14:35 Uhr | Iris Stroh
Interview mit Luc Van den hove, imec zu Halbleiterfertigung
© WEKA

Heute sind 5-nm-Strukturen bereits in der Produktion. Welche Fortschritte seit den Anfängen der Halbleiterfertigung erzielt wurden, welche Veränderungen dafür notwendig waren und wie es weitergeht, erklärt Luc Van den hove, President und CEO beim imec, im Gespräch. Von Iris Stroh

Können Sie sich noch an die Anfänge des imec (Interuniversity Microelectronics Centre) erinnern?
 
Luc Van den hove: Ja, wir hatten mit der Halbleiterforschung zunächst an der Universität begonnen, dann aber festgestellt, dass in diesem Bereich enorme Investitionen in einen fortschrittlichen Reinraum erforderlich sind. Daraufhin wurde das imec 1984 als Spin-off aus der Universität ausgegründet und hat dann auch wichtige Finanzmittel von der Regierung erhalten, mit dem Ziel, ein unabhängiges Forschungszentrum zu errichten.

Wir hätten damals niemals erwartet, dass das imec so stark wachsen würde. Unser erster CEO hat gesagt, dass das imec eine gute Größe erreichen würde, wenn 300 Mitarbeiter dort arbeiten. Heute sind wir 5.000 Mitarbeiter. Als wir damals anfingen, hatte jeder große Halbleiterhersteller seine eigenen großen Forschungsabteilungen, z.B. IBM Research, Bell Labs, Philips Research in Eindhoven, in Japan gab es beispielsweise Toshiba Research und Hitachi Research. Das Modell war aber nicht nachhaltig, sodass im Laufe der Zeit die internen Forschungsabteilungen verschwunden sind. Das Timing für das imec war perfekt, denn statt auf eine interne, abgeschottete Forschung zu setzen, wandten sich die Unternehmen unserem offenen Innovationsmodell zu, wo wir mit allen wichtigen Playern entlang der Wertschöpfungskette in einem Team zusammenarbeiten.

Mit welcher Technologie hat das imec damals gestartet?

Ich habe meine Karriere beim imec in den 80er-Jahren gestartet, und damals haben wir mit 3-µm-Strukturen gearbeitet. Heute reden wir von ein paar nm, zwischen 1 µm und 1nm liegt der Faktor 1.000. Die Fortschritte, die gemacht wurden, sind wirklich phänomenal. Damals wurde übrigens davon ausgegangen, dass die Skalierung bei 1µm ihre Grenzen erreicht. Wir waren überzeugt, dass mit der optischen Lithografie nicht unter 1µm gearbeitet werden kann – bekanntermaßen ein großer Irrtum.

Die Halbleiterhersteller waren am Anfang stolz auf ihre eigenen Fabriken und ihre eigenen Prozesstechnologien. Ist heute die Fertigung kein Differenzierungsfaktor mehr?

Jein. Über viele Jahre wurde eine sehr aggressive Roadmap in Richtung kleinere Prozessstrukturen verfolgt, wobei diese Roadmap auf einem gewissen Konsens in der Industrie basierte. Dann kam mit Morris Chang 1987 das Foundry-Modell auf. Und damit kam es zu einer Trennung zwischen Prozess-R&D und Design-Kompetenzen. Auf Produktebene fand die Differenzierung weniger auf Prozessebene, sondern mehr auf der Design-Ebene statt; die zugrundeliegende Technologie wurde in einer gewissen Hinsicht eher eine allgemein zugängliche Plattform. Und als die Kosten der jeweiligen Prozesstechnologie wirklich exorbitant wurden, war es durchaus sinnvoll, dass sich mehrere zusammenschlossen, um die kritische Masse für einen Prozess zu erreichen, denn nur noch wenige konnten es sich leisten, einen eigenen Weg zu gehen. Auf dieser Idee basiert das erfolgreiche Foundry-Modell, wo große Volumina gefertigt werden.

Auf der anderen Seite gibt es aber Bereiche, wie zum Beispiel Automotive oder auch Healthcare, in denen es notwendig ist, die Prozesse stärker auf diese Anwendungen zu optimieren. Damit kam die Idee einer Design-Co-Optimierung auf, heute sprechen wir sogar von System-Co-Optimierung. Das heißt, heute besteht wieder der Bedarf, diese zwei Welten zusammenzubringen. Das spiegelt sich auch im imec wider. Die ersten Jahre waren wir zum Großteil auf die eigentliche Halbleitertechnologie fokussiert, mittlerweile haben wir aber auch in verschiedenen Anwendungsbereichen ein großes Wissen aufgebaut, weil es eben wichtig ist, das System und die Technologie zusammen zu entwickeln. Das ist das Besondere am imec, wir sind in der Lage, das komplette Ecosystem zusammenzubringen, das fängt bei Materiallieferanten an, geht über Equipment-Hersteller und endet bei IDMs, Fabless-Unternehmen und Systemherstellern. Und das ist wirklich wichtig: Design, Systemwissen und Technologieentwicklung zusammenzubringen.

Heute ist die Lithografie das komplexeste und teuerste Equipment in der Halbleiterfertigung. War das zu den Anfangszeiten auch schon so?

Lithografie war schon immer ein Schlüsselelement in der Halbleiterfertigung, da dieses Equipment die Skalierung vorantrieb. Der Kostenanteil, der auf die Lithografie entfällt, ist aber über die Jahre gestiegen.

Auf der Materialseite gab es auch viele Veränderungen.

Als wir damals mit der Halbleiterfertigung angefangen haben, waren nur vier Elemente aus dem Periodensystem notwendig: Silizium, Siliziumoxid, Siliziumnitrid und Aluminium für die Metallisierung. Danach wurden Wolfram für die Kontakte und Silicide eingeführt, um den Widerstand in den Source- und Drain-Regionen zu verringern. Irgendwann kam noch Titan und Kobalt dazu. Eine der wichtigsten Veränderungen war der Ersatz des Siliziumoxids durch High-k-Dielektrika und der Ersatz des Polysilizium-Gates durch Metall-Gates. Diese zwei Veränderungen haben den Transistor wirklich im Kern verändert. Im Laufe der Zeit wurden immer mehr Materialien hinzugefügt; das gilt auch für die Speicherwelt, auch hier kamen immer mehr Materialien für den Kondensator dazu. Dementsprechend nutzen wir heute fast die Hälfte aller Elemente aus dem Periodensystem.

Ein weiterer wichtiger Schritt war der Einsatz von Kupfer in der Metallisierung. Anfänglich waren viele Leute sehr besorgt darüber, dass das Kupfer das Silizium verunreinigen könnte. Deshalb kam es am Anfang auch zu einer gewissen Trennung zwischen Frontend und Backend in der Fab.

Ein komplexer Halbleiter wird heute bereits mithilfe einer enormen Anzahl von Prozessschritten gefertigt, die Komplexität in der Fertigung steigt kontinuierlich. Kann das, sagen wir, die nächsten zehn Jahre so weitergehen, oder ist die Fertigung irgendwann zu komplex und damit zu teuer?

Heute benötigt die Fertigung eines Halbleiters zwischen 300 und 400Prozessschritte, und die Zahl wird steigen. Wir haben eine Roadmap für die nächsten 15 bis 20Jahre vorgestellt. Und wenn wir dieser Roadmap folgen, dann wird die Komplexität weiter zunehmen. Nanosheet-Transistoren oder CFETs, bei denen die N- und P-Transistoren aufeinandergesetzt werden, bedingen einfach noch mehr Prozessschritte. Ich glaube aber, dass das der einzige Weg ist, um in dieser aggressiven Roadmap weiter voranzukommen.

Und das ist machbar?

Wenn ich zehn oder 20Jahre zurückgehe, waren die Sorgen dieselben, auch damals hat man schon gedacht, dass diese Steigerung der Komplexität nicht mehr handhabbar ist. Ich denke, dass die Frage eher ist, was man mit diesen Halbleiterstrukturen erreichen kann. Ja, die Kosten werden steigen, aber damit können im Vergleich zu heute deutlich komplexere und leistungsfähigere ICs gefertigt werden. Wir müssen nur sicherstellen, dass die Kosten pro Bit auf einem akzeptablen Niveau bleiben bzw. weiter sinken.

Blick in den 300-mm-Reinraum bei imec
Blick in den 300-mm-Reinraum bei imec
© imec

Wir werden diese modernsten Technologien natürlich nicht für alle ICs nutzen. Es ist auch nicht klug, hier zu polarisieren, ein Phänomen, das leider besonders stark in Europa auftritt. Hier wird zu stark zwischen modernsten Prozessen, die ein kontinuierliches Shrinken erforderlich machen, und den sogenannten ausgereiften Prozessknoten oder Technologien unterschieden. Denn eines ist ganz klar: Auch bei den ausgereiften Prozessen finden viele Innovationen statt, beispielsweise mit neuen Materialien. Beide Welten müssen voneinander lernen; in allen Applikationsbereichen sind viele Technologiefortschritte notwendig, beispielsweise eine heterogene 3D-Integration, wo Chiplets kombiniert werden. Ein Teil davon benötigt kleinste Prozessstrukturen, aber andere Chiplets müssen mit anderen Prozessen gefertigt werden, sei es der Teil mit der Leistungselektronik oder für das I/O oder die Sensorik. Ich denke, in beiden Bereichen werden optimierte Technologien zum Einsatz kommen. Denn es gibt keine »One-Size-Fits-All«-Technologie, wir brauchen Innovationen in allen Richtungen. Anwendungen aus der Automobilindustrie brauchen beides: hohe Rechenleistung, also ICs mit kleinsten Prozessstrukturen und die dafür notwendigen Fortschritte, und beispielsweise weitere Innovationen auf der Sensorseite. Für Europa ist es meines Erachtens besonders wichtig, beide Technologierichtungen zu kombinieren und in beiden Richtungen die Innovationen voranzutreiben.

Die Diskussion, ob die kleinsten Prozessstrukturen für Europa wichtig sind, wurde schon vor vielen Jahren geführt; damals wurde entschieden, dass diese Technologien nicht wichtig sind, aber mittlerweile hat sich diese Einstellung ja gedreht.

Es ist für die Zukunft der europäischen Industrie extrem wichtig, das Wissen und Verständnis in beiden Technologierichtungen zu haben, denn in Zukunft wird die Kombination von beiden Technologierichtungen – was man damals mit More Moore und More than Moore umschrieben hat – entscheidend. Das sind keine zwei getrennten Welten.

Ein Beispiel: Wir entwickeln beim imec Photonik für einen optischen Interconnect, beispielsweise in Datenzentren. Aber Photonik ist auch für Sensortechnologien wichtig, beispielsweise für Lidar. Das heißt, dass wir in Europa Innovationen in allen Technologien vorantreiben müssen, und wir müssen wissen, wie sie genutzt werden können.

 


  1. Die Geschichte hat mal »Groß« angefangen
  2. Bezieht das eine Fertigung mit modernsten Prozessen in Europa mit ein?

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