Neue Materialien für Transistoren

  • 06. November 2003

Neue Materialien für Transistoren

Intel-Forscher setzen auf neue Materialien, um Leckströme und Wärmeabgabe bei zukünftigen Prozessoren zu reduzieren.

Feldkirchen - Forscher der Intel Corporation entdecken neue Materialien als Ersatz für die Stoffe, die seit mehr als 30 Jahren bei der Herstellung von Chips verwendeten. Im Rennen der Industrie die Leckströme bei Transistoren zu minimieren stellt diese Erfindung eine bahnbrechende Neuerung dar. Mit zunehmender Anzahl von Transistoren auf einer immer kleiner werden Siliziumfläche erwachsen Leckströme zu einem größeren Problem.

Intel Forscher fanden neue Materialien für das Gate-Dielektrikum und das Transistor-Gate in Hochleistungs-Transistoren. Das Gate ist der Teil des Transistors, der bestimmt, ob der Transistor ein- oder ausgeschaltet ist und hier soll der neuartige Metallstoff zum Einsatz kommen. Das Gate-Dielektrikum befindet sich als dünner Isolator unterhalb des Gates und wird nun aus so genanntem high-k-Material hergestellt. Die neuen Materialien tragen gemeinsam zur drastischen Reduzierung von Leckströmen bei. Diese wirken sich negativ auf die Wärmeentwicklung von Prozessoren und Batterielebensdauer von Geräten aus. Im Vergleich zu Siliziumdioxid, das während der vergangenen drei Jahrzehnte zum Einsatz kam, konnte Intel die Leckströme mit dem high-k-Material um mehr als Faktor 100 reduzieren.

"Die Halbleiterindustrie weiß bereits seit vielen Jahren, dass Hitze und Leckströme grundlegende Hindernisse bei der Umsetzung des Moore'schen Gesetzes darstellen, wenn wir uns weiterhin auf heutige Transistormaterialien und Strukturen verlassen", sagte Sunlin Chou, Intel Senior Vice President und General Manager der Technology and Manufacturing Group. "Die Herausforderung, der sich die Industrie seit langer Zeit gegenüber sah, bestand in der schwierigen Identifizierung und Integration neuer Materialien als Ersatz für Siliziumdioxid, um Grenzen zu überwinden. Manch einer hat diese Herausforderung mit der Herztransplantation für den Chip verglichen."

Das Moore'sche Gesetz besagt, dass sich die Anzahl der Transistoren auf einem Chip etwa alle zwei Jahre verdoppelt. Dies führt zu einer größeren Anzahl von Funktionen, zu höherer Leistung sowie niedrigeren Kosten pro Transistor. Bei dieser Innovationsgeschwindigkeit müssen die Transistoren auf immer geringere Größen schrumpfen. Mit der Verwendung heutiger Materialien ist das unmöglich. Der Einsatz neuer Materialien und innovativer Transistorstrukturen ist nötig für die Aufrechterhaltung des Moore'schen Gesetzes.

Die Lösung: High-k-Dieelektrika und Metal-Gates
Alle Transistoren verwenden einen Isolator, der als Gate-Dielektrikum bezeichnet wird. In den vergangenen 30 Jahren setzte die Industrie das leicht herstellbare Siliziumdioxid als Material für diesen wichtigen Transistorbestandteil ein.

Intel verkleinerte die Dicke des Siliziumdioxids als Gate-Dielektrikum erfolgreich auf eine Dicke von 1,2 Nanometer (nm) - dies entspricht lediglich 5 Atomlagen. Mit dünnerer Siliziumdioxid-Schicht nehmen die elektrischen Leckströme, die durch das Gate-Dielektrikum fließen, zu. Als Folge entsteht mehr Abwärme. Zur Lösung dieser Probleme plant Intel den Austausch des Siliziumdioxids durch ein dickeres high-k-Material im Gate-Dielektrikum, das Leckströme bedeutend reduziert.

Der zweite Teil der Lösung besteht in der Entwicklung eines Metall-Materials für das Gate zur besseren Verträglichkeit mit dem neuen high-k-Gate-Dielektrikum. Die Kombination aus dem high-k-Gate-Dielektrikum und dem Metall-Gate führt zu einer drastischen Reduzierung der Leckströme bei gleichzeitig sehr hoher Transistor-Leistung. Diese Entwicklungen sichern das Moore'sche Gesetz bis weit in das nächste Jahrzehnt hinein. Die Transistorforschung tritt damit in eine neue Entwicklungsphase. Intel plant die neuen Materialien als Teil des unternehmenseigenen 45-nm-Herstellungsprozesses ab dem Jahr 2007 einzusetzen. Das kann zu schnelleren und thermisch optimierten Mikroprozessoren führen.

Details zur Entwicklung der neuen Transistormaterialien erörtert Intel am 6. November 2003 in Tokyo auf dem “International Workshop on Gate Insulator”. Intels Beitrag skizziert die Dringlichkeit neue Materialien zu entwickeln und integrieren, die Probleme wie Leckströme, Stromverbrauch und Hitzeentwicklung lösen.

Quelle: Intel

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