Intel® Hi-k Metal Gate Silizium Technologie

Seit November 2007 fertigt Intel seine neuesten Prozessoren in der Intel 45nm Hi-k Metal Gate Silizium Technologie. Bei diesen Prozessoren hat Intel die wichtigsten Elemente eines Prozessors, die Transistoren, ein weiteres Mal verkleinert. Was seit den späten 60er Jahren mit dem Mooreschen Gesetz seine Gültigkeit hat, führte beim 45nm-Fertigungsprozess zur größten Veränderung in der Halbleitertechnologie.

Dem 1965 aufgestellten Mooreschen Gesetz folgend, verdoppelt sich die Transistorendichte etwa alle 24 Monate. Die Transistoren werden damit immer kleiner und pro Fläche stehen immer mehr Transistoren zur Verfügung. Ein Größenvergleich: Angenommen in den 60er Jahren hätte ein Transistor die Größe eines Einfamilienhauses gehabt, könnte man dieses Haus heute ohne ein Mikroskop nicht mehr erkennen. Und auf dem Punkt am Ende dieses Satzes würden mehr als 2000 45nm-Transistoren Platz finden. Aber alles hat seine Grenzen und an diese ist Intel bereits 2003 bei den Prozessoren gestoßen, deren Transistoren eine Strukturbreite von 90nm hatten: Das Gate-Dielectric, eine Isolatorschicht im Transistor, die das Gate elektrisch vom Channel trennt, war nur noch fünf Atomlagen dick - eigentlich schon fast zu dünn, um seiner Aufgabe gerecht zu werden. Die Stärke der Isolationsschicht (1,2nm) konnte deswegen bei dem 2005 eingeführten 65nm-Fertigungsprozess nicht weiter reduziert werden.

Größte Veränderung der Halbleiterindustrie seit den späten 60er Jahren
Die Aufgabe des Gate-Dielectric ist es, das Transistor-Gate vom Rest des Transistors (Source, Channel und Drain) zu trennen. Vor allem aber soll es verhindern, dass Elektronen vom Gate in den Channel sickern und so genannte Leckströme entstehen. Diese fallen nicht nur an, wenn Transistoren eingeschaltet sind, sondern in noch höherem Maß, wenn die Transistoren ausgeschaltet sind oder sich der Prozessor im „Idle“ Modus (Leerlauf) befindet und gerade nichts zu tun hat.

Diese Leckströme sind hauptverantwortlich für den Energieverbrauch und die Wärmeentwicklung des Prozessors. Und so kann man sich das im Detail vorstellen:

Die Isolatorschicht besteht seit den 60er Jahren aus Silizium-Dioxid (SiO2) und war bei den Transistoren mit einer Strukturbreite von 90nm schon mittlerweile unvorstellbar dünn - 1,2nm oder 5 Atomlagen. Wenn man sich die Elektronen als Ball vorstellt und die Isolatorschicht als einen schmalen hohen Hügel, dann ist es die Höhe des Hügels, die bestimmt, wie viel Energie notwendig ist, damit der Ball über den Hügel rollt und auf die andere Seite gelangt. Mit einem entsprechenden „kleinen Tritt“ gelangen die Elektronen durch das Gate-Dielectric in den Channel. Wenn die Isolatorschicht aber nur noch 1,2nm beträgt, sind die Elektronen eher mit einer Welle vergleichbar, die breiter ist als die Isolatorschicht. Damit ist klar, dass sich immer eine bestimmte Anzahl an Elektronen auf der anderen Seite im Channel befindet. Das Resultat sind Leckströme, die unnötigen Stromverbrauch und unnötige Wärmeentwicklung verursachen. Bei einer weiteren Verkleinerung der Transistoren würde auch automatisch die als Gate-Dielectric fungierende Silizium-Dioxid-Schicht dünner werden und somit würden sich auch die Leckströme weiter vergrößern.

Deshalb hat sich Intel Gedanken über neue Materialien für die Isolatorschicht gemacht, die dick genug sind, um Elektronen davon abzuhalten, über den „Hügel zu rollen“ und doch so durchlässig, um das elektrische Feld am Gate zu durchdringen und den Transistor anzuschalten.

Intel setzt daher bei Transistoren mit einer Strukturbreite von 45nm auf ein auf Hafnium basierendes High-k-Material, das ein starkes elektrisches Feld aufbaut und eine hohe Kapazität bei der Speicherung von Ladungen besitzt (daher der Name High-k). Die ersten der neu entwickelten Transistoren funktionierten jedoch im Test schlechter als Ihre Vorgänger. Das aus Silizium bestehende Gate harmonierte nicht mit dem neuen Isolatormaterial und erforderte den Austausch des Silizium-Gates gegen ein Gate aus Metall.

Auch damit nicht genug: Die neuen Materialien führten letzten Endes dazu, dass sich der Produktionsprozess und die dabei verwendeten chemischen Stoffe verändert haben. Deshalb bezeichnet Gordon Moore, Intel Mitgründer und Urheber des Mooreschen Gesetzes, die Einführung der neuen Intel® 45nm Hi-k Chip Technologie mit Recht als „die größte Veränderung in der Halbleitertechnologie seit den späten 60er Jahren“!

Höhere Leistung, geringerer Energieverbrauch
Die stete Verkleinerung der Transistorstrukturbreite erlaubt niedrigere Versorgungsspannungen und ermöglicht eine Kombination aus schnelleren und energieeffizienteren Transistoren. Die Verdopplung der Transistorendichte gibt Spielraum für architektonische Verbesserungen, neue Funktionen und intelligentere Caches. Selbst bei gleichen Taktfrequenzen sind diese CPUs schneller als ihre Vorgänger und das bei vergleichbarem Stromverbrauch. Im Vergleich zum 65nm-Fertigungsprozess ermöglicht die Intel 45nm Hi-k Metal Gate Silizium Technologie, dass der verwendete Strom effizienter genutzt werden kann. In allen Produktsegmenten - Notebook, Desktop und Server - benötigen die 45nm Hi-k Intel Prozessoren etwa 30 Prozent weniger Schaltstrom und haben eine mehr als 20 Prozent schnellere Schaltgeschwindigkeit oder fünfmal weniger Leckströme. So lässt sich jeder einzelne Prozessor entweder in Richtung Leistung oder in Richtung Stromverbrauch optimieren.

Intel (NASDAQ: INTC), das weltweit führende Unternehmen im Bereich Halbleiterinnovation, entwickelt Technologien, Produkte und Initiativen, um Leben und Arbeit der Menschen laufend zu verbessern. Weitere Informationen über Intel finden Sie unter http://blogs.intel.com.