Intel QX9650 [Yorkfield]

Technik zur Intel 45nm Fertigung

Vor inzwischen zwei Generationen, bei der Einführung von Strained Silicon in Intels Produktionsprozess, erwähnten wir, dass die gesamte Halbleiterbranche über kurz oder lang mit ihren bewährten Prozessen das für sie lebensnotwendige "Shrinking", also die stetige Verkleinerung der Strukturgrößen, nicht mehr weitertreiben kann. Während über viele Jahrzente das Skaling von MOS-Transistoren der Gesetzmäßigkeit folgte, dass "einfach" alle Dimensionen um den gleichen Faktor verkleinert werden, um ein identisches Verhalten zu behalten, zeigte sich schon beim 65 nm-Prozess ein Ende dieser Möglichkeiten. In besonderem Maße war davon das Gateoxid betroffen, das beim 90 nm-Prozess bereits lediglich 5 Atomlagen, das entspricht 1,2 nm, dick war. Wie beim 90 nm-Prozess ist das Gateoxid auch bei 65 nm-Strukturen noch 1,2 nm dick. Bei noch kleineren Dimensionen würde der Leckstrom durch den Gatestapel nicht mehr tragbare Ausmaße annehmen, was ultimativ negative Auswirkungen auf Leistungsaufnahme und Lebensdauer hätte.

Intel Core 2 Extreme QX9650

Wie wir seinerzeit schilderten ist der einzig gangbare Weg, die Schichtdicke wieder zu vergrößern. Um aber die Gatekapazität nicht zu verändern muss auch die Dielektriziitätskonstante (im Englischen "k") des Isolationsmaterials in gleichem Maße zunehmen. Materialien, die eine signifikant größere Dielektrizitätskonstante als Silizium haben, nennt man daher high-k Materialien.

Im Laufe der Forschung der letzen Jahre zeigte sich aber, dass keines der infrage kommenden Materialen (beispielhaft seien Aluminiumoxid, Hafniumoxid oder Prasaeodymoxid genannt) in allen Belangen den Qualitäten von Siliziumdioxid gerecht werden kann. Am ehesten infrage kamen dabei noch Hafniumoxide und Hafniumsilikate. Doch sehen damit befasste Forschungseinrichtungen hier immer noch Probleme, v.a. in der Langzeitbelastbarkeit, aber auch in verringerter Beweglichkeit der Ladungsträger im Kanal, Grenzflächenzuständen und anderen für Halbleiterbauelemente bedeutenden physikalischen Eigenschaften.

Doch auch mit der Einführung erster Produkte basierend auf dieser revolutionären Änderung nennt Intel keine Details. Es bleibt bei den schon früher im Jahr genannten schwmmigen Begriffen. So ist über das high-k Dielektrikum weiterhin nur bekannt, dass es "Hafnium-based" ist und dass das Metall-Gate sich für n- und p-MOS Transistoren unterscheidet. Letzteres ist eine Abkehr vom für viele Jahrzehnte genutzten Poly-Silizium, das durch Dotierung auf die gewünschte Austrittsarbeit eingestellt wurde. Diesen Schritt könnte man nebenbei fast als "back to the roots" bezeichnen, hatten doch die ersten MOSFETs ebenfalls Gateelektroden als Metall. Wenngleich das Gatedielektrikum den entscheidensten Einfluss auf das Verhalten des Transistors hat, beeinflusst die Gateelektrode über ihre Austrittsarbeit (also die Energie, die notwendig ist, um ein Elektron aus dem Metall zu lösen) andere wichtige Eigenschaften wie die Schwellspannung, ab der der Transistor leitend (also quasi "eingeschalten") wird. Ein Metall-Gate hat als Hauptvorteil, dass es im Gegensatz zu Polysilizium das Problem des Poly-Depletion Layer vermeidet und damit die Ladungsträgerdichte im Inversionslayer im Kanal unterhalb des Gates erhöht. Gerüchte besagen, dass Intel dotierbares und damit für p und n anpassbares Nickelsilizid (NiSi) als Metall ausgewählt hat. Dies läge nahe, da es bereits seit dem 90 nm-Prozess zur Kontaktierung von Source und Gate benutzt wird.

Intel Core 2 Extreme QX9650

Intel verspricht von diesen beiden Änderungen eine verzwanigfachte Schaltgeschwindigkeit oder wahlweise eine Reduzierung der Source-Drain Leckströme auf ein Fünftel sowie eine Verringerung der Gateleckströme um einen Faktor 10. Gerade die letztere Verbesserung ist angesichts einer augenscheinlich deutlich dickeren Isolatorschicht eher überraschend gering ausgefallen. Daneben ergeben sich aber laut Intel auch noch eine um ein Drittel gesenkte Verlustleistung im Schaltvorgang und eine verdoppelte Transistordichte. Letzteres ist aber wohl eher allgemein auf die Reduzierung der Strukturbreiten zurückzuführen. So oder so: Der Käufer wird es nicht sehen, denn die neuen CPUs sehen immer noch aus wie die alten. 775 Kontakte auf der Unterseite und ein Heatspreader oben drauf.

Intel Core 2 Extreme QX9650

Letzendlich bleibt die Frage offen, wieso Intel hier so zugeknöpft beim Informationsfluß bleibt. Der Launch der Produkte steht bevor, die Konkurrenz hat durch die Vorserienphase und Zusammenarbeit mit den gleichen Zulieferern sicher bereits Kenntnis über die Materialien und Prozesse. Angsichts der in Forschungskreisen vorherrschenden Meinung zu high-k Materialien hätte es Intel gut zu Gesicht gestanden hier Farbe zu bekennen statt das monatelang andauernde Streuen von Halbinformationen nun noch weiter zu führen und damit Zweiflern an der Technologiein die Karten zu spielen. Denn zwingend notwendig scheinen die Veränderungen bei 45 nm noch nicht zu sein. TSMC beispielweise will den 45 nm-Knoten noch auf konventioneller Technologie einführen Vielleicht will man sich aber die Verkündung der Details auch für den passenden Anlass aufheben. Der nächste wäre das 2007 IEEE International Electron Devices Meeting in Washington DC. Die Deadline für die Einreichung von Veröffentlichungen war im Juni, stattfinden wird sie im Dezember. Würde doch passen, oder?



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