Halbleiter 15.06.2001, 17:29 Uhr

Gespanntes Silizium lässt den Elektronen im Chip mehr Platz

Den Forschern von Big Blue ist es gelungen, Silizium so zu beeinflussen, dass die Gitterabstände im Kristallgefüge größer werden. Geringerer Widerstand und schnellere Chips sind die Folge.

Schneller, kleiner, sparsamer – das ist seit Jahrzehnten das Ziel der Chip-Entwickler in aller Welt. Am vergangenen Mittwoch hat IBM auf dem VLSI Symposium in Kyoto eine neue Chip-Technologie vorgestellt, die sich „strained silicon“ nennt und die Geschwindigkeit künftiger Schaltungen um bis zu 35 % steigern soll.

Entwickelt wurde die Technologie im IBM-Forschungszentrum East-Fishkill, jetzt arbeiten die IBM-Ingenieure in aller Welt daran, die Technologie zur Produktionsreife zu entwickeln. Bereits 2003, so schätzt Helmut Schettler, Senior Scientist bei IBM in Böblingen, wird es erste Chips mit „strained silicon“ geben.

Eine passende deutsche Übersetzung des Begriffs hat Schettler nicht, am ehesten würde wohl gespanntes oder gedehntes Silizium den Sachverhalt treffen. Schettler: „Wir bringen auf eine Schicht aus Silizium-Germanium (SiGe) eine düne Schicht aus reinem bzw. dotiertem Silizium auf. Da aber die Gitterabstände im SiGe größer sind als im reinen Silizium, haben auch die Siliziumatome in der dünnen Schicht einen größeren Gitterabstand als gewöhnlich.“ Dieses so gespannte oder gedehnte Silizium hat nun den Vorteil, dass aufgrund der größeren freien Weglänge eines Elektrons dessen Beweglichkeit zunimmt, der Widerstand der Schicht sinkt. Bis zu 70 % schneller sollen die Elektronen im gespannten Silizium fließen, die Transistoren eines so realisierten Chips sollen bis zu 35 % schneller werden.

Die neue Technologie ist ein weiterer Schritt, die Gültigkeit des Mooreschen Gesetzes auch in Zukunft zu sichern, nach der sich die Leistung der Chips alle 18 Monate verdoppelt. Schettler: „In der Vergangenheit hat es schon mehrere Ansätze gegeben, die zunächst vorhandenen Begrenzungen des Materials Silizium zu überwinden.“ War es zunächst üblich, die Chipgeometrien einfach zu verkleinern, um Transistoren schneller zu machen, so kam man damit irgendwann in eine Sackgasse. „Jede Technologie“, so Schettler, „führt irgendwann in die Sättigung, und dann muss etwas Neues her.“ Das war zunächst die Technologie des Silicon-on-Insulator. Hierbei wird in einem Siliziumwafer eine Isolationsschicht aus Siliziumdioxid erzeugt, die das aktive Silizium an der Oberfläche vom Rest des Wafers isoliert. Schnellere Chips mit geringerer Verlustleistung waren die Folge. Mit der Verwendung von Kupfer als Leiter anstelle des bisher gebräuchlichen Aluminiums hat IBM einen weiterer Schritt getan und die Verwendung so genannter low-k-Materialien, also Stoffen mit niedriger Dielektrizitätskonstante, brachte die Chipentwickler noch einen Schritt vorwärts. Und auch die Verwendung von SiGe in Bipolarschaltungen geht auf das Konto von Big-Blue und sorgt dafür, dass Silizium zunehmend in die Domäne des Halbleitermaterials Galliumarsenid (GaAS) vordringt, das vor allem für Höchstfrequenzschaltungen Verwendung findet.

Das „strained silicon“, das ja auch auf SiGe aufgebracht wird, soll aber vor allem neue, leistungsfähigere CMOS-Chips ermöglichen. Schettler: „Geeignete Kandidaten sind vor allem alle unsere Mikroprozessoren, aber auch eine ganze Reihe von Telekommunikationschips.“ Dabei könne die Entwicklung in zwei Richtungen gehen: Zum einen könnten Chips mit höheren Taktfrequenzen gebaut werden, zum anderen könnte man bei gleicher Taktrate mit weniger Stromverbrauch und weniger Verlustleistung auskommen. „Beides Entwicklungsrichtungen, die gleichermaßen wichtig sind“, sagt Schettler.

Nun kommt es darauf an, die neue Technologie in die Serienproduktion zu überführen, doch sieht Schettler hier keine unlösbaren Probleme. „Es müssen neue Prozessschritte in unsere Fertigung integriert werden, aber die dafür notwendigen Tools sind weitgehend vorhanden.“

Auch der Weg in die weitere Chip-Zukunft jenseits des „strained silicon“ ist schon in Ansätzen erkennbar. Laut Schettler werde z. B. an der Berkeley-Universität an Transistoren mit zwei Gates gearbeitet, wodurch die Packungsdichte noch einmal erhöht werde. Dem Halbleitermaterial Silizium steht also noch eine längere, erfolgreiche Karriere bevor.
JENS D. BILLERBECK

 

 

Von Jens D. Billerbeck
Von Jens D. Billerbeck

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