Az Intel kutatói teljesen új tranzisztor-technológiát fejlesztettek ki

Ez a módosítás óriási eredményt jelent az iparág számára abban a versenyben, amely a tranzisztorok elektromos áramszivárgásának csökkentéséért folyik – ez ugyanis egyre növekvő problémát jelent a lapkagyártók számára, ahogy egyre több és több tranzisztort zsúfolnak egyetlen kis szilíciumlapra.

Az Intel kutatói rekordteljesítményű tranzisztorokat készítettek egy ˝high-k˝ (˝magas k˝) nevű új anyagot használva kapudielektrikumként, és új fémeket a tranzisztorok kapuihoz. A tranzisztorok mikroszkopikus méretű, szilíciumalapú, a digitális világ egyeseit és nulláit feldolgozó kapcsolók. A kapu kapcsolja a tranzisztort be vagy ki, a kapudielektrikum pedig egy alatta található szigetelőréteg, amely az elektromos áram haladását vezérli. Az új kapu- és kapudielektrikum-anyag együttese drasztikusan csökkenti az áramszivárgást, aminek eredményképpen kisebb teljesítményű akkumulátorok is elegendők és csökken a nem kívánatos hőtermelés. Az Intel állítása szerint az új ˝high-k˝ anyag az elmúlt három évtizedben használt szilíciumdioxidhoz képest kevesebb mint századrészére csökkenti a szivárgást.

Az iparágban sok éve folyik a kutatás új tranzisztorkapu-anyagok után, de a műszaki nehézségek meggátolták a gyakorlati felhasználást. ˝Ez az első meggyőző demonstrációja annak, hogy az új kapuanyagokkal jobb tranzisztorteljesítmény érhető el, és legyőzhetők a szilíciumdioxid használatából fakadó alapvető korlátok, amelyek több mint három évtizedig gúzsba kötötték az iparágat˝ – mondta Sunlin Chou, az Intel technológiai és gyártási csoportjának alelnöke és vezérigazgatója. ˝Az Intel ezeket az új eredményeket – egyéb újításokkal, például a feszített szilíciumos és a háromkapus tranzisztorokkal együtt – a tranzisztorok méretezési határainak és Moore törvényének kiterjesztésére fogja használni˝.

Moore törvénye szerint az egy lapkán elhelyezett tranzisztorok száma durván kétévente megduplázódik; ennek eredménye több funkció, jobb teljesítmény és alacsonyabb egy tranzisztorra eső költség. Hogy ez az innovációs tempó tartható legyen, a tranzisztoroknak egyre kisebb méretűre kell zsugorodniuk. A jelenlegi anyagok használatával azonban a tranzisztorok kicsinyítése alapvető korlátokba ütközik az atomi méretek megközelítése során jelentkező megnövekedett energiafelhasználás és hűtési problémák miatt. Ennek eredményeképp az új anyagok használata és az innovatív tranzisztorstruktúrák rendkívül fontosak Moore törvényének jövője és az információs korszak gazdasága szempontjából.

A High-K és a Metal Gate megoldás
Minden tranzisztornak van egy kapu-dielektrikumnak nevezett szigetelőanyaga, amely kritikus fontosságú a működés szempontjából. Az elmúlt harminc évben a szilíciumdioxid volt ennek a kulcsfontosságú tranzisztor-alkotóelemnek a kiválasztott anyaga; megmunkálhatósága miatt, és azért, mert lehetővé tudta tenni a tranzisztorok teljesítményének folyamatos növelését, egyre kisebb méretben.

Az Intel sikeresen 1,2 nanométerig szorította le a szilíciumdioxid kapudielektrikumok vastagságát, ami mindössze öt atomi rétegnek felel meg. Ahogyan a szilíciumdioxid anyagok egyre vékonyabbak lettek, úgy fokozódott az elektromos áramszivárgás a kapudielektrikumon keresztül, és vezetett energiaveszteséghez és nemkívánatos melegedéshez. Azért, hogy az elektronáramlást a megfelelő mederben tartsák és e kritikus problémák megelőzésére az Intel tervei szerint a jelenlegi anyagot egy vékonyabb ˝high-k˝ anyaggal kellene kiváltani, amellyel jelentős mértékben csökkenthető az áramszivárgás.

A megoldás második része egy fém kapuanyag kikísérletezése, mivel a ˝high-k˝ kapudielektrikum nem kompatibilis a jelenlegi tranzisztorkapukkal. A ˝high-k˝ kapudielektrikum és a fém kapuk kombinálása segít az áramszivárgás drasztikus csökkentésében, a rendkívül magas tranzisztorteljesítmény fenntartása mellett – ezzel pedig a következő évtizedben is érvényben maradhat Moore törvénye és tovább folytatódhat a műszaki innováció. Az Intel hisz abban, hogy ezek az új felfedezések beépíthetők egy gazdaságos, tömeges gyártási folyamatba, és a tranzisztorokkal kapcsolatos új kutatásokat beépíti a fejlesztési fázisba.

Az ezekkel az új anyagokkal készülő tranzisztorok választási lehetőséget kínálnak majd; a cél az, hogy a jövőbeli Intel-processzorokban már 2007-ben megjelenjenek, a vállalat 45 nanométeres gyártási folyamatának részeként.
Az Intel az új tranzisztor-anyagok kifejlesztését részletesen november 6-án Tokióban, a 2003 International Workshop on Gate Insulator nevű rendezvényen fogja ismertetni. Az Intel által meghívott műszaki tanulmány készítői áttekintik az áramszivárgási, energiafogyasztási és melegedési gondokra megoldást nyújtó új anyagok kifejlesztésével és integrálásával kapcsolatos kritikus és időszerű problémákat, és két fontos felfedezésre összpontosítanak: a megfelelő ˝high-k˝ kapudielektrikum-anyag megtalálására a ma használt szilíciumdioxid kiváltására, és a mai kapuanyagokat helyettesítő, a ˝high-k˝ kapudielektrikummal kompatíbilis fémek meghatározására.