CPU-Fertigung in Dresden: Herausforderungen und Hintergründe

Hinweis vorab: Der folgende Artikel erschien erstmals in PCGH Premium 09/2008 und wurde nun aktualisiert. Damals gehörte der Fertigungs- und Entwicklungsstandort AMD Dresden noch zur Konzernmutter AMD Inc. Am 4. März 2009 haben AMD und Advanced Technology Investment Company (ATIC), eine Investitionsgesellschaft des Emirates Abu Dhabi, gemeinsam ein neues Unternehmen namens Globalfoundries gegründet. Der Standort Dresden ist nun Globalfoundries Fab 1 und dient weiterhin als Leitstandort für das neue, innovative Foundry-Unternehmen.

Globalfoundries hat seinen Hauptsitz im Silicon Valley (Kalifornien), mit Standorten in Dresden, Austin und New York. Das Unternehmen bietet eine einzigartige Kombination von innovativen Technologien, exzellenter Fertigung und weltweit operierenden Standorten. Weitere Informationen finden Sie direkt auf der Globalfoundries-Webseite.



An den Grenzen der Physik - Mikroprozessorfertigung in Dresden
"Wo liegen die Grenzen der Skalierung?" lautet eine im Kontext der Halbleiterfertigung immer wieder gestellte Frage. Die Entwicklung der Komplexität von Mikroprozessoren ist tatsächlich so atemberaubend wie die Möglichkeiten, die sich aus den kontinuierlichen Leistungssteigerungen ergeben: Modellierung komplexer Wettermodelle, die Entschlüsselung des menschlichen Genoms, Abfragen gigantischer Onlinedatenbanken in Sekundenbruchteilen oder die ständige Verbesserung des Insassenschutzes durch vollständige Simulation von Fahrzeugcrashs. All dies erscheint uns heute wie selbstverständlich. Sie sind das erlebbare Ergebnis kontinuierlicher Innovation auf höchstem technologischen Niveau ... und seit fast 10 Jahren gestaltet AMD mit seiner Mikroprozessorfertigung die digitale Revolution auch in Dresden mit. Seit März 2009 werden Prozesstechnologieentwicklung und Mikroprozessorfertigung nun durch Globalfoundries, einem Gemeinschaftsunternehmen von AMD und der Advanced Technology Investment Company (ATIC) aus Abu Dhabi, fortgeführt.

Vor 10 Jahren wurde die Halbleiterfertigung noch mit dem Sammelbegriff der Mikroelektronik charakterisiert. Die ständige Verkleinerung (oder Skalierung) der Halbleiterstrukturen spiegelt sich seitdem in der Einführung neuer Technologiegenerationen alle eineinhalb bis zwei Jahre wieder. 2008 ging im Dresdner Werk die Fertigung von Mikroprozessoren der 45nm Technologiegeneration in Produktion, und derzeit wird die Fertigung in 32nm Technologie vorbereitet. Nanotechnologie ist somit heute schon Realität in der Volumenfertigung von Hochleistungsprozessoren.

Diesen Stand zu erreichen und zu halten erfordert erhebliche Anstrengungen: AMD hat in seinen nun zu Globalfoundries gehörenden Dresdner Fertigungsstandort von 1996 bis 2009 mehr als 6 Mrd. $ investiert. Rund 2.600 Mitarbeiter, davon 700 hochqualifizierte Ingenieure, tragen dazu bei, im Grenzbereich zwischen Forschung und Massenproduktion in einem hochdynamischen Geschäftsumfeld erfolgreich zu sein. Die Kosten für ein Halbleiterwerk, eine sogenannte Fab, betragen heute schon mehr als drei Milliarden Dollar... eine Steigerung um ca. 250% im Verlauf der letzten Dekade. Gleichzeitig trieb die dramatisch steigende Komplexität die Entwicklungskosten für neue Technologiegenerationen um ca. 400% in die Höhe. Unter diesen Umständen erfolgreich zu sein erfordert einen umfassenden Ansatz, der Design, Fertigung und Technologie als komplexe Einheit betrachtet, in der kontinuierliche Verbesserung in allen Bereichen Grundvoraussetzung für erfolgreiche Geschäfte sind. Aus diesem Grund betreibt GLOBALFOUNDRIES seine beiden Fertigungsmodule im sogenannten "Mixed Mode Betrieb", d.h. Fertigung sowie Forschung und Entwicklung werden parallel unterstützt. Hierdurch gelingt die schnelle Entwicklung von Prozessoptimierungen im Fertigungsumfeld und somit eine reibungslose und schnelle Überführung in die Massenproduktion.

Von Mikro zu Nano
AMD Mikroprozessoren enthalten heute etwa 700 Millionen Transistoren. Diese elektrischen Schalter bestimmen ganz wesentlich Performance und Leistungsaufnahme von Prozessoren. Mit charakteristischen Längen von 30 - 40nm, der sogenannten Gate-Länge, stellen sie die kleinsten im industriellen Maßstab gefertigten Strukturen dar. Die hierfür benötigte Präzision beträgt ca. 2nm. Zum Größenvergleich: Zwei Nanometer innerhalb der Strukturen auf einem 300 mm Wafer entspricht einer Genauigkeit von ca. zwei Meter Länge beim Abstand der Erde zum Mond.

Dies erfordert einen mit keiner anderen Industrie vergleichbaren Aufwand in Bezug auf Prozess- und Qualitätskontrolle. Zum Größenvergleich: ein menschliches Haar hat einen Durchmesser von ca. 60.000nm, d.h. etwa 1.500-2.000 Transistorgates passen nebeneinander auf den Durchmesser eines Haares, oder ca. 200 auf den Durchmesser einer einzelnen roten Blutzelle. Die dünnsten Schichten innerhalb des Transistors betragen mit nur noch 1,3nm etwa ein Drittel der Breite der DNA Doppelhelix oder ca. 5 Siliziumatomlagen.

Der Natur nachempfunden - Immersionslithographie
Diese Größenordungen stellen höchste Ansprüche an die Abbildungsqualität bei der optischen Strukturübertragung, der sogenannten Lithographie. Ähnlich wie bei der Diaprojektion werden die geometrischen Strukturen der Prozessoren mittels Photolithographie auf den Wafer übertragen. Das Dia entspricht einer Photomaske, die die Bildinformation trägt. Als Projektor dient ein Scanner, der die Maske mit Laserlicht durchstrahlt. Eine lichtempfindliche Lackschicht (entsprechend der Leinwand) überträgt die Bildinformation auf den Wafer. Man benötigt Masken, die heute bereits die Streuung des verwendeten Lichtes bei ihrer Formgestaltung mit berücksichtigen. Denn die Strukturen, die man projiziert, sind um ein Vielfaches kleiner als die Wellenlänge des Lichts. Heute sind überwiegend Argonfluorid (ArF) Laser mit 193nm Wellenlänge im Einsatz, deren UV Licht gerade noch so Linsensysteme durchstrahlen kann. Bei noch kürzeren Wellenlängen würden die Linsen das Licht überwiegend absorbieren. Sie erhitzten sich, und die hieraus resultierende mechanische Verzerrung der Linsen führt zu inakzeptablen Verschlechterungen der Abbildungsqualität.

Abhilfe schafft das Immersionslithographieverfahren, bei dem man sich eines aus der Natur abgeschauten Tricks bedient. Ähnlich dem menschlichen Auge durchstrahlt das Bild zunächst die Linse, anschließend einen wasserbasierenden Flüssigkeitsfilm (entsprechend dem Kern des Auges) und trifft schließlich den Photolack auf der Waferoberfläche (analog zur Netzhaut). Durch die mehrfache Brechung des Lichts verkürzt sich die Wellenlänge und die Abbildungsgenauigkeit steigt um ca. 40%. Die Herausforderungen für einen Produktionsprozess bestehen z.B. in der absoluten Luftblasenfreiheit oder dem ständigen Erneuern des Wasserfilms bei kontinuierlicher Bewegung des darunter liegenden Wafers. In nur 18 Monaten wurden alle technischen Herausforderungen bis zur Produktionsreife gemeistert, so dass AMD die Immersionslithografie als erster Hersteller für die Fertigung von 45nm Logikprodukten einführte.

"Strained Silicon" - Manipulation auf atomarer Ebene
Weitere Herausforderungen liegen im Bereich der kontinuierlichen Steigerung der Prozessorperformance bei konstanter elektrischer Leistungsaufnahme, also zunehmender "Leistung pro Watt". Neben der Forschung mit ständig besser geeigneten Materialien und der hochpräzisen Formgebung von Leiterbahnen und Transistoren geht GLOBALFOUNDRIES Fertigungstechnik mittlerweile soweit, den Abstand der Atome im Siliziumgitter gezielt zu manipulieren. Durch Vergrößerung des Atomabstands gelingt die Beschleunigung der sogenannten NMOS Transistoren, durch das förmliche Stauchen der Atomgitter die der PMOS-Transistoren. Man verringert somit die "effektive Masse" der sich bewegenden Ladungsträger und erhöht damit ihre Geschwindigkeit im Gitter des Siliziumkristalls. Das führt zu schnelleren Schaltvorgängen und somit zu sparsameren und schnelleren Prozessoren. Mit Innovationen wie diesen trägt das Forschung- und Entwicklungsteam in Dresden zu einer Energieeffizienzsteigerung der Mikroprozessoren von ca. 30% pro Technologiegeneration bei. Das ist angesichts des Umstandes, dass die kumulativen Kosten für Betrieb, Kühlung und Energieversorgung in Großrechenzentren inzwischen die Anschaffungskosten der Server übertreffen, ein nicht unerheblicher Beitrag zu Kosteneffizienz- und Umweltschutz.

Zurück zur Ausgangsfrage: wo liegen die Grenzen der Skalierung? Sie liegen bestimmt in der atomaren Struktur aller Materialien - aber auch diese Limitierung wird durch kontinuierliche Innovation neuer Materialsysteme ständig verschoben. AMD ist das weltweit einzige Unternehmen, das sowohl über Intellectual Property für Hochleistungsmikroprozessoren als auch für Hochleistungsgrafikprozessoren verfügt, und GLOBALFOUNDRIES verfügt über die dazugehörige Fertigungstechnologie. Durch die Kombination innovativer Architekturen und Designs mit High-End Technologien können auch weiterhin erhebliche Performancesteigerungen erreicht werden. Die Grenzen der Skalierung verschieben sich mit jeder neuen Technologiegeneration.

Autor:
Karsten Wieczorek
Principal Member Technical Staff
New Products Introduction / Customer Interface
Globalfoundries Dresden

Passend zum Thema AMD empfehlen wir auch die Artikel 40 Jahre AMD: Meilensteine der CPU-Fertigung, außerdem PCGH-Retro: Prozessorfertigung bei AMD anno 2003.

Im Folgenden zeigen wir Ihnen sensible Bereiche der Fab 1 von Globalfoundries: Von der Photo-Lithographie über die Module Films, Etch, Polishing und Plating bis hin zur Qualitätskontrolle und den Transportsystemen. Viel Spaß beim Blick in die heiligen Hallen der CPU-Fertigung.