ROM-Speicher

Rom Speicher dienen oft zum Speichern des BIOS (Basic Input Output System). Informationen werden in Masken mit Hilfe einer Dioden Matrix abgespeichert. Früher wurde ein Speicher von 16kbyte genutzt, die heutigen Rechner benötigen ca. 2Mbyte.

ROM (read only memory - nur lese Speicher) steht als Oberbegriff für den Festwertspeicher, in dem fixe Daten zur sicheren Archivierung abgelegt werden. Das ROM ist ein Bestandteil des Hauptspeichers, bei dem der Inhalt jedoch nach dem Wegfall der Betriebsspannung, im Gegensatz zum RAM, erhalten bleibt. Ein weiteres wichtiges Merkmal dieses Speicherbausteins ist, dass er nur gelesen werden kann, dass heißt, er enthält bei der Rechneranschaffung schon gewisse Informationen oder Programme und ist vom Nutzer per Software nicht mehr zu verändern.
Bei diesen Informationen handelt es sich z. B. um das Betriebssystem, Startprogramme und Betriebssystemroutinen. So besaß der Ur-PC von IBM ein dreiteiliges ROM, welches die Dienstprogramme, BASIC und einen freien Bereich für weitere Programme besaß. Um Änderungen vorzunehmen oder andere Informationen hinzuzufügen, war dieser PC noch mit einem freien ROM Steckplatz versehen.

Da der Inhalt eines Chips schon vor der Produktion feststehen muss, ist die Herstellung teuer und aufwändig. Ein ROM - Speicherbaustein wird mit einer Maske programmiert, bei der die 0 und 1 Pegel über die Unterbrechung von Brücken zwischen Zeilen und Spalten realisiert wird. Diese Zeilen bestehen aus Siliciumbahnen, die als stromführende Leitungen, auf einer Trägerschicht über der sich ein Isolator und weitere Leitungen (den Spalten) befinden, verlaufen. Die Kreuzungspunkte sind die Speicherpositionen. Eine 1 steht, wenn die Isolierschicht entfernt und somit ein Kontakt hergestellt wurde.
Das Verbinden und Nichtverbinden der Bahnen ist Teil des Herstellungsprozesses. Beim Einsatz kann die Logik des Bausteines feststellen, ob nach Anlegen einer Spannung auch die kreuzenden Bahnen unter Strom stehen.
Technologische und ökonomische Gründe haben vielfältige Zwittervarianten zwischen RAM und ROM entstehen lassen.

 

Speichermatrix mit Dioden 

gespeichert:

1

0

1

0

 1

 1

 1

0

0

Die Dioden stellen das High-Bit dar. Dort wo keine Dioden sind ist das Low-Bit.

  Beispiele für Nutzen:


PROM-Speicher

Programmable ROM (programmierbarer nur Lese Speicher)

Eigenschaften:

Möglichkeit 1: Programmierung mit Ausbrennwiderständen

Programmierung mit Ausbrennwiderständen 

Jede Bit-Zelle besteht aus einem npn-Transistor und einer Schwachstelle z.B. einem Aus-brennwiderstand. Diese kann vom Anwender durch ein Pro-grammiergerät zerstört werden. Der daraus erfolgte Zustand dieses Bausteins bleibt nun für immer bestehen.

Programmierzeit ca. 1 ms/Bit.

 Möglichkeit 2:

Programmierung durch kurzgeschlossene Sperrschicht 

Das Koppelelement ist ein npn-Transistor mit nicht ange-schlossener Basis. Durch an-legen einer hohen Spannung erfolgt eine Veränderung des Transistors - es bleibt eine Diodenstrecke übrig.

Programmierzeit ca. 0.2ms/Bit


EEPROM-Speicher

Verbesserter EPROM der im eingebauten Zustand schaltungselektrisch löschbar ist. Somit ist debuggen und updaten wesentlich einfacher und nicht mehr so umständlich, da man wesentlich einfacher eine neue Konfiguration brennen kann.
Ein Problem von EEPROMs ist die begrenzte Anzahl von Schreibzyklen (10.000 - 100.000 mal).

Man kann es auch als Mittelstück zwischen RAM und ROM bezeichnen. Langsamer als RAM-Bausteine. (Lösch- und Programmierzeit ca. 5 ms/Bit)

 

EAPROM

Die Bezeichnung EAROM steht für Electrically Alterable ROM, was so viel wie elektrisch veränderbares ROM bedeutet.
Auch diese Form des Speichers ist eine Zwischenform von RAM und ROM, aus der wie gewohnt gelesen, aber auch hineingeschrieben werden kann. Da der Schreibvorgang aber viel Zeit in Anspruch nimmt, die Speicherdichte relativ gering und die Herstellung teuer ist, wird diese Art nur selten eingesetzt.

 

FLASHROM

In den letzten Jahren hat sich die Produktion auf die Flash-ROMs (auch Flash RAM) verlagert. Diese Variante des EEPROMs ist bevorzugt sektorweise oder vollständig löschbar, und stellt wahrscheinlich die zukünftig am häufigsten genutzte Form dar.
 

Eigenschaften: 

 

Übersicht

Speicherart

Löschen

Programmieren

ROM
Read Only Memory
Nur Lese Speicher

nicht möglich

bei Herstellung

PROM
Programmable ROM,
Programmierbarer Festspeicher

nicht möglich

elektrisch

EPROM
Erasable PROM,
Löschbarer Programmierbarer Festspeicher

durch UV-Licht

elektrisch

EEPROM
Electrically Erasable PROM,
Elektrisch löschbarer Programmierbarer Festspeicher

elektrisch

elektrisch

EAPROM
Electrically Erasable PROM,
Elektrisch löschbarer Programmierbarer Festspeicher

elektrisch

elektrisch

FLASHPROM
Electrically Erasable PROM,
Elektrisch löschbarer Programmierbarer Festspeicher

elektrisch

elektrisch

Prinzipieller Aufbau des ROM

Festwertspeicher werden in der Regel als ICs hergestellt.
Durch das Anlegen einer Adresse an den Adresseingängen erhält man an den Ausgängen den Wert der an der angelegten Adresse gespeichert ist.

 

Die angelegte Adresse wird im Adressenregister in Spalten- und Zeilenadresse aufgeteilt und danach an den Zeilen- und Spaltendekoder geschickt. Dort wird dann die Adresse dekodiert, so dass die Adresse genau einer Speicherzelle in der Speicher-matrix zugewiesen werden kann.

Speichermatrix 

Speicherelement ist jeder Kreu-zungspunkt zwischen Zeilen- und Spaltenleitung der Speichermatrix. Der jeweils gespeicherte Binärwert wird durch das Vorhandensein oder Fehlen einer Leitenden Verbindung zwischen Zeilen- und Spaltenleitung bestimmt.

 

Herstellung

Entwurf einer monolithischen Schaltung:

Die Aufgabe, eine monolithische Schaltung zu entwerfen, erfordert die Umsetzung des Logikplans in eine Verbindung geeignet dimensionierter Schaltungselemente. Zu dieser komplexen, Millionen von Einzeloperationen erfordernden Tätigkeit, werden Computerprogramme eingesetzt.
Durch eine funktionelle Simulation wird die Korrektheit des Schaltungsentwurfs überprüft. Die günstigste Anordnung aller Schaltungselemente wird am Bildschirm eines Arbeitsplatzrechners erstellt. Die Form und Lage aller Elemente und Leiterbahnen wird als Lageplan digital abgespeichert. Dabei erfolgt eine Aufteilung in eine Vielzahl von Ebenen. Durch eingehende Kontrollen des Lageplans wird überprüft, ob alle Verbindungen richtig hergestellt wurden und alle durch die Technologie geforderten Regeln für Abmessungen und Abstände eingehalten wurden. Die Kenndaten des Lageplans bilden die Grundlage einer abschließenden Simulation der elektrischen Eigenschaften der Schaltung mit einem Computerprogramm.

Maskenherstellung:

Auf der Grundlage der Koordinatendaten des Lageplans werden optisch oder mit einem Elektronenstrahl Masken für die Chipherstellung erzeugt. Jede Maske besteht aus einer Glas- oder Quarzplatte mit einer Metallschicht (Silber oder Chrom), in die die feinen Schaltungsstrukturen eingeätzt sind.
Zur Übertragung der Strukturen von der Maske auf die Kristallscheibe gibt es zwei Methoden: ganzflächige Belichtung mit Masken, welche die Strukturen für alle Chips einer Scheibe enthalten, oder aufeinander folgende Einzelbelichtung durch Masken, welche die Strukturen für nur einen Chip enthalten. Da jede Schaltungsstruktur auf der Kristallscheibe aus mehreren Schichten aufgebaut ist, benötigt man zu ihrer Herstellung auch mehrere Masken, einen ganzen Maskensatz.

Schneidetisch zur Maskenjustierung
Schneidetisch zur Maskenjustierung

Chip-Herstellung und Montage:

Die Herstellung der Chips auf einer Halbleiter Kristallscheibe erfordert einige hundert auf einander folgende Prozessschritte. Viele dieser Schritte erfolgen bei Temperaturen von etwa 1000° C im Vakuum oder in einer bestimmten Gasatmosphäre.
Die wichtigsten Prozessschritte sind: Maskieren der Kristalloberfläche durch photolithographische Verfahren, Dotieren und Metallisieren. Alle verwendeten Substanzen müssen ungewöhnlich hohe Reinheit aufweisen. Automaten besorgen den Transport der Kristallscheiben. Die Präzisionsbearbeitung der Scheiben kann sich insgesamt über Wochen hinziehen. Jede Störung im Prozessablauf senkt die Ausbeute drastisch, selbst einzelne Staubpartikel können zum Ausfall führen. Daher muss in Reinsträumen gearbeitet werden.

 

Strukturierung mit Hilfe von Masken:

Maskenjustier- und Belichtungsgerät
Maskenjustier- und Belichtungsgerät  

Bei der Herstellung der Chips wird zunächst in einem Rohofen die ganze Kristallscheibe mit einer Oxidschicht überzogen. Auf diese wird ein extrem dünner Überzug von Photolack aufgebracht, der durch die Maske hindurch belichtet wird. An den belichteten Stellen härtet der Lack aus und schützt die darunter liegende Oxidschicht. An den unbelichteten Stellen wird der Photolack weggelöst und die darunter liegende Oxidschicht durch einen nachfolgenden Ätzvorgang entfernt. Durch geeignete Masken legt man so die zur weiteren Bearbeitung vorgesehenen Bereiche der Kristalloberfläche frei.
Im Wechselspiel von Maskierung und Ätzung mit Dotierung, Oxidation, Metallisierung werden an der Oberfläche der Kristallscheibe die Strukturen in dünnen Schichten aufgebaut. Für die Herstellung hochintegrierter Chips sind bis zu zwanzig verschiedenen Masken erforderlich. Silicium ist von anderen Halbleitermaterialien dadurch ausgezeichnet, dass sein Oxid sehr dicht und porenfrei ist. Es schützt damit hervorragend die Kristalloberfläche.
Zur Übertragung der Maskenstruktur auf die Siliciumscheibe belichtet man mit kurzwelligem UV-Licht mit einer Wellenlänge von 0,4 µm. Die damit erzielbaren kleinsten Strukturen liegen im Bereich von 1 µm. Noch feinere Auflösung erreicht man mit einem Elektronenstrahl. Bei einem Strahldurchmesser von 0,07 µm werden Strichbreiten von 0,3 bis 0,5 µm erzielt. Eine noch bessere Auflösung ist mit Röntgenlicht erreichbar.

 

Gezielte Dotierung:

Auf der oxidierten Kristallscheibe werden durch Maskierung Bereiche freigelegt, in denen durch Dotierung die Leitfähigkeit verändert wird. Dadurch kann man Dioden und Transistoren, Widerstände und sogar Leiterbahnen herstellen. Es gibt zwei Dotierverfahren: Diffusion und Ionenimplantation.

Bei der Diffusion dringen bei hoher Temperatur Fremdatome in den freigelegten Bereich der Kristalloberfläche ein. Dies geschieht in Rohöfen. Bei der Ionenimplantation werden ionisierte Fremdatome in den freigelegten Teil des Kristalls eingeschossen. Die Beschleunigung der Ionen erfolgt durch elektrische Felder.


Metallisierung:

Zur Verbindung der einzelnen Bauelemente einer integrierten Schaltung sind Leiterbahnen erforderlich. Als Leiterbahnmaterial wird vornehmlich Aluminium verwendet. Das Aluminium wird ganzflächig aufgedampft und nachfolgend mit Hilfe von Masken photolithographisch strukturiert. Bei besonders komplexen Schaltungen werden zur Verkürzung der Signalwege mehrere, voneinander isolierte Verdrahtungsebenen benötigt (Mehrlagenverdrahtung). Diese werden durch Löcher in der Isolierschicht metallisch miteinander verbunden. Die Leiterbahnen enden am Rand des Chips in größeren Kontaktflächen, an die später dünne Golddrähtchen angeschweißt werden.
 

Prüfung, Trennung und Montage der Chips:

Nach Herstellung der Schaltungen auf der Kristallscheibe wird jeder Chip mit Hilfe eines Prüfprogramms auf seine Funktion überprüft. Dünne Metallnadeln verbinden den Chip mit der Messeinrichtung. Fehlerhafte Schaltungen werden markiert und registriert. Die Scheibe wird auf eine Folie geklebt und mit einer Diamantsäge in die rechteckigen Chips zertrennt. Die Chips bleiben auf der unzertrennten Folie haften.
Aus einer Scheibe mit 15 cm Durchmesser kann man 400 und mehr Chips erhalten. Die einwandfreien Chips werden mit einer Saugpinzette von der Folie aufgenommen und auf einen Träger geklebt oder gelötet. Ein Automat verbindet durch haarfeine Drähte die Kontaktpunkte mit den Anschlüssen des Gehäuses (bonden). Es gibt eine Vielzahl von Gehäusebauformen:

Nach dem Einbau der Chips im Gehäuse erfolgt eine nochmalige Funktionsprüfung am Testautomaten.

Röntgenbild einer Halbleiterscheibe
Röntgenstrahl-Beleuchtungsbild einer Halbleiterscheibe, Gitterstörungen

 

Baugruppen auf Leiterplatten:

Eine genormte Aufbautechnik ist eine wichtige Voraussetzung für die wirtschaftliche Fertigung elektronischer Baugruppen. Die Bauelemente werden meist auf Platinen, d.h. auf Leiterplatten mit geätzten Kupferleitungen, aufgelötet. Die so bestückten Platinen nennt man Flachbaugruppen.
Platinen können einseitig oder beidseitig mit Leiterbahnen versehen sein. Für umfangreiche Schaltungen gibt es Platinen mit mehreren Verdrahtungsebenen, die miteinander an einzelnen Punkten verbunden sind. Die Bauelemente werden entweder mit ihren Anschlussdrähten in Kontaktlöcher eingesteckt oder verlötet, oder, wenn drahtlos, auf die Platinen geklebt und verlötet (Oberflächenmontage).

 

Keramik-Baugruppen:

Die Packungsdichte integrierter Schaltungen in Baugruppen kann durch die Montage der Chips auf Vielschicht-Keramikträger gesteigert werden. Diese Keramikträger werden aus vielen Schichten eines papierdünnen Keramikmaterials aufgebaut, das mit dünnen Verbindungsleitungen aus einer Molybdänpaste bedruckt wurde. Durch Löcher in den einzelnen Lagen werden die Leitungen zu einem Netzwerk verbunden. Nach dem Zusammenpressen der einzelnen Lagen entsteht durch Sintern eine feste Keramikplatte. Sie wird mit Kontaktstiften zur Verbindung mit anderen Baugruppen versehen. Die Chips werden anschließend mit winzigen Blei-Zinn-Kügelchen drahtlos durch Löten direkt mit der Keramikplatte verbunden. Ein Kühlkörper führt die beim Betrieb entstehende Wärme an die Luft oder durch Kühlwasser ab.