Hemliga material löser Intels problem

Metallelektroder och hög-k-dielektrikum i 45 nm-processer

Ett material med hög dielektricitetskonstant och olika metaller för gate-elektroderna i NMOS och PMOS-transistorer ska bidra till Intels halvledarprocesser två generationer framåt.

Intel hävdar att man löst två av halvledarindustrins stora problem inför den fortsatta minskningen av processgeometrier. Därmed ser Moores lag ut att hålla ytterligare några år framöver.

- Vi har funnit ett dielektrikum med högt k-värde som kan ersätta dagens kiseldioxid, och som vi tror fungerar i massproduktion. Och vi har funnit två metaller till gate-elektroderna i PMOS- och NMOS-transistorerna som kan ersätta polykisel, berättar Ken David, chef för komponent- och produktionsforskning på Intel, för Elektroniktidningen.

- Vi räknar med att använda båda dessa material i våra 45 nm-processer som vi börjar använda 2007, även om vi håller dörrarna öppna för alternativ.

För närvarande ligger Intels och världens mest avancerade masstillverkningsprocesser på 90 nm. Nästa steg, som kan komma i produktion tidigast 2005, är 65 nm. Intels uttalande hör till halvledarindustrins första konkreta om generationen därefter, 45 nm.

Ken David vill inte avslöja några detaljer om vad materialen består av. Inte heller vill han säga hur högt k-värde dielektrikat har. Dock hävdar han att det inte blir dyrare än kiseldioxid, och att materialen inte är giftiga eller miljöfarliga.

Dielektrikat sitter som en kapacitans mellan gate-elektroden och kiselsubstratet. Idag används ett kiseldioxidlager som i bara är 1,2 nm tjockt, motsvarande fem molekyllager. Det gör att ström kan läcka genom materialet, med ökad effektåtgång som följd. Med det nya materialet kan dielektrikat göras 3 nm tjockt, vilket enligt Intel ger snabba transistorer med låga läckströmmar.

- Det kanske inte låter som så stor skillnad, men kombinationen av högt k-värde och tjockare skikt gör att läckströmmarna minskas till under en hundradel av tidigare, säger Ken David.

Ett problem med tidigare föreslagna hög-k-dielektrika är att de varit svåra att få in i massproduktionen. Intel siktar på att använda så kallad atomlagerdeposition, där molekyler av de önskade grundämnena läggs på plats på kemisk väg, atomlager för atomlager. Företaget har provat metoden tillräckligt väl för att kunna hävda att den fungerar även i volymproduktion.

Ett annat problem har varit reaktioner mellan dielektrikat och gate-elektroden. Dagens elektroder av polykristallint kisel fungerar inte ihop med det nya hög-k-dielektrikat. Med metallelektroder - olika för NMOS- och PMOS-transistorerna - säger man sig ha löst även detta problem. Ken David vill inte ge några exakta prestandadata för 45 nm, men säger att en typisk NMOS-transistor vid 80 nm har en läckström kring 0,5 (mikro)A per mikrometer då gaten är spänningsfri, och kan klara över 1 A då 1,2 V spänning läggs på gaten.

Adam Edström