Leistungshalbleiter auf 300-mm-Wafern Bestimmende Trends in der Halbleiterherstellung

Dr. Helmut Gassel, Infineon Technologoies
»Damit Leistungshalbleiter möglichst effizient arbeiten, müssen sie auf extrem dünnen Wafern produziert werden. Je dünner dieser Wafer ist, desto geringer ist der Widerstand im Halbleiter – und damit auch der Leistungsverlust.«
Dr. Helmut Gassel, Infineon Technologoies: »Damit Leistungshalbleiter möglichst effizient arbeiten, müssen sie auf extrem dünnen Wafern produziert werden. Je dünner dieser Wafer ist, desto geringer ist der Widerstand im Halbleiter – und damit auch der Leistungsverlust.«

Für Halbleiter-Hersteller wird es immer aufwendiger, neue, wettbewerbsfähige Produkte auf den Markt zu bringen. Dies zwingt zu stetiger Innovation. Wie sich dabei die zunehmende Komplexität beherrschen und reduzieren lässt, zeigt das Beispiel der Halbleiterherstellung von Infineon.

Moore’s Law, demzufolge die Zahl der Transistoren auf gleicher Fläche etwa alle 18 Monate verdoppelt wird, ist selbst außerhalb der Halbleiterindustrie einigermaßen bekannt. Sein zweites Gesetz (oder aber das von Arthur Rock, darüber streiten die Experten) ist es weniger. Es beschreibt die Tatsache, dass sich die Kosten für Chip-Produktionsstätten alle vier Jahre verdoppeln. Für die Herstellung modernster 300-mm-Wafer mit Strukturen von 20 bis 30 nm liegen sie mittlerweile bei über 9 Mrd. US-Dollar. Je nach Ausbaustufe erwirtschaften diese Anlagen einen Jahresumsatz zwischen 3 und 6 Mrd. US-Dollar. Die hohen Investitionskosten – verbunden mit dem wirtschaftlichen Druck, die teuren Fertigungsanlagen dauerhaft auszulasten – führen in der Halbleiterindustrie zu Anpassungen von Wafergröße, Integrationstiefe der Chips und Fertigungsstrategie.

Eigenproduktion nur bei Differenzierungsmöglichkeit

In den vergangenen Jahren haben sich immer mehr Halbleiterhersteller teilweise oder ganz aus der Produktion verabschiedet. Dieser Bereich der Wertschöpfung wurde abgetrennt, es findet eine zunehmende Konzentration auf Entwicklung und Design statt. Die eigentliche Produktion der Chips wird an Auftragsfertiger – sogenannte Foundrys – vergeben, die sich auf die Produktion von Halbleitern spezialisiert haben. Häufig ist eine kostenintensive Eigenfertigung von Chips für Halbleiterhersteller nur noch dann wirtschaftlich sinnvoll, wenn damit eine ausreichende Möglichkeit zur Differenzierung gewährleistet wird. Differenzierung meint dabei zweierlei: sowohl neue Technologien als auch Kostenvorteile.

Ein Weg, die Rentabilität von Investitionen in Fertigungsanlagen zu erhöhen, liegt in der Verbesserung ihrer Produktivität durch größere Wafer-Durchmesser. Dank der größeren Fläche werden auf einem 300-mm-Wafer bei vergleichbaren Prozessschritten fast zweieinhalbmal so viele Chips produziert wie auf den gängigen 200-mm-Wafern.

Die Fertigung von Logik- oder Speicher-Chips auf 300-mm-Wafern ist bereits seit über zehn Jahren Stand der Technik. Das gilt jedoch nicht für Leistungshalbleiter, die entlang der gesamten Energiewertschöpfungskette zum Einsatz kommen – von der Erzeugung von Strom, dessen Übertragung im Netz bis hin zur Nutzung in elektrischen Endgeräten. Leistungshalbleiter tragen dazu bei, Strom effizienter zu nutzen und damit den Ausstoß von schädlichem CO2 zu verringern. Vor dem Hintergrund des Klimawandels und beschränkter fossiler Energieressourcen gewinnen Leistungshalbleiter deshalb weiter an Bedeutung, denn sie ermöglichen nachhaltige Lösungen durch intelligentes Energiemanagement.

Anders als bei Prozessoren oder Memory-Chips geht es bei Leistungshalbleitern nicht um schnelles Verarbeiten oder Speichern von Information, sondern um ein möglichst verlustfreies Schalten von Strom. Das Anwendungsspektrum ist breit: von den relativ kleinen Strömen zum Laden der Batterie in einem Mobiltelefon über Netzteile in Computern und Unterhaltungselektronik bis hin zum Antrieb in einem ICE. Infineon deckt mit seinen Produkten die gesamte Bandbreite der Anwendungen für Leistungshalbleiter ab.

Die Größe macht den Unterschied

Damit Leistungshalbleiter möglichst effizient arbeiten, müssen sie auf extrem dünnen Wafern produziert werden. Je dünner dieser Wafer ist, desto geringer ist der Widerstand im Halbleiter – und damit auch der Leistungsverlust. Dünnwafer haben eine Stärke bis hinab zu 40 µm und sind damit nur halb so dünn sind wie ein menschliches Haar. Die Herstellung und Handhabung ultradünner Mikrochips stellt sehr hohe Anforderungen an den Produktionsprozess. Die Dünnwafer-Technologie ist damit der Schlüssel zu höherer Energieeffizienz.

Üblicherweise werden Leistungshalbleiter auf Wafern produziert, die einen Durchmesser von 150 oder 200 mm aufweisen. Aufgrund der geringen Stärke des Materials galten größere Wafer-Durchmesser bisher als nicht prozessierbar. Inzwischen ist dieser Technologiesprung aber vollzogen. Infineon ist das weltweit erste und bisher einzige Unternehmen, das Leistungshalbleiter auf Dünnwafern mit einem Durchmesser von 300 mm fertigen kann.

Mit der Konzentration auf Leistungshalbleiter auf 300-mm-Dünnwafern verfolgt Infineon zwei Ziele: Bei der 300-mm-Produktion kann das Unternehmen die Fertigungskapazitäten mit geringerem Kapitaleinsatz aufbauen. Im Vergleich zu einer 200-mm-Fertigungslinie ist der Investitionsbedarf in einer 300-mm-Fertigungslinie für das gleiche Produktionsvolumen um etwa 30% niedriger, und bei gleicher Reinraumfläche kann deutlich mehr Kapazität installiert werden. Das hilft dem Unternehmen, Wachstumsziele mit geringerem Kapitalaufwand zu erreichen. Das ist ein Beispiel dafür, wie eine innovative Fertigungstechnologie einen handfesten wirtschaftlichen Vorteil verschafft.

Bereits in der Vergangenheit hat Infineon bei der Umstellung der Leistungshalbleiter-Produktion von 150 mm auf 200 mm bewiesen, dass das Unternehmen über das Know-how verfügt, um die prozesstechnischen Herausforderungen beim Übergang auf größere Substrate zu meistern. Um eine 300-Millimeter-Fertigung kosteneffizient zu betreiben, müssen Halbleiterunternehmen allerdings über eine gewisse Größe und Marktposition verfügen. Erst dann kann die Auslastung einer entsprechenden Fertigungslinie sichergestellt werden. Weiterhin muss man über die Finanzkraft für die erforderlichen Entwicklungsleistungen und Investitionen verfügen.