Att förbättra processen är lika viktigt som att ändra konstruktionsmetod om man ska få fram snabba kretsar med dimensioner under 0,5 μm.

Receptet för att öka processorernas prestanda var länge rättframt. Kortare kanallängd gav snabbare omslagstid i transistorn och därmed vassare processorer. Men när dimensionerna kryper under 0,5 μm börjar ledningsfördröjningarna när signalen transporteras från en del av kretsen till den andra bli större än omslagstiden. Att då göra ännu snabbare transistorer ger inte självklart kraftfullare processorer.

Problemet ökar gradvis när kanallängden krymper. Ett första sätt att kringgå problemet är att ta hänsyn till det i konstruktionsverktygen. En annan metod är att ändra i halvledarprocessen. De stora drakarna som IBM, Motorola, Texas Instruments och Intel arbetar alla frenetiskt på det senare spåret.

En ledares bandbredd bestäms av den tid det tar för spänningen att gå från hög till låg, eller tvärt om. Omslagstiden beror i sin tur bland annat på hur mycket ström transistorn kan driva och skillnaden i spänningsnivå mellan etta och nolla. Två viktiga faktorer är också ledarens resistans och kapacitans, faktorer som direkt påverkas av materialvalet i halvledarprocessen.

Samtidigt som transistorerna krymper minskar också bredden på de ledare som transporterar signalen. Orsaken är att avståndet mellan två ledare normalt är lika brett som ledaren själv. Att då bibehålla ledarbredden fungerar inte.

En smalare ledare får högre resistans eftersom ledarens resistans är proportionell mot tvärsnittsarean. Fram till nu har den ökade resistansen inte varit något problem.

En möjlighet är att göra tjockare ledare för att öka tvärsnittsarean. Men allt för tjocka ledare är inte heller bra. Det finns dels vissa begränsningar i vad en halvledarprocess klarar och dels så ökar kapacitansen mellan ledarna.

Övergången från 0,5 μm till 0,25 μm medför en resistansökning på cirka 33 procent. Detta trots att flera tillverkare försökt kompensera genom att öka ledarens tjocklek.



Koppar ersätter aluminium


Den uppenbara lösningen på RC-problemet är att minska resistiviteten i ledaren. De flesta tillverkare använder aluminium som ledarmaterial. Men koppar är bättre eftersom det har lägre resistivitet.

Idag används inte koppar eftersom det har högre mobilitet och därför lätt migrerar ut i kislet och förorenar det. För att förhindra migrationen måste kopparn kapslas in. Ytterligare en anledning till att kapsla in kopparn är att den lätt oxiderar vilket sätter ned ledningsförmågan. Aluminium oxiderar visserligen också men oxidskiktet bildar ett skydd, självpassivering, som förhindrar vidare oxidation.

IBM planerar att använda koppar för alla metallager och viahål i den kommande 0,20 μm processen kallad CMOS-7S. Företaget har utvecklat en speciell teknik kallad dual-damascene, som används för att kapsla in kopparledarna, för sina 4- Mbit DRAM.

Materialet som används för att skilja kopparn från kislet är hemligt och skiktet är mindre än en mikrometer tjockt. Det bidrar dock till att höja resistiviteten något, jämfört med ren koppar, men resultaten är ändå 40 procent lägre än i tidigare processer.

Fler tillverkare är på gång att införa koppar och det lär definitivt komma i 0,18 μm-processerna runt 1999.



Nya material sänker kapacitansen


Nya material kan också användas för att sänka kapacitansen mellan ledarna. Idag används kiseldioxid, SiO2, som isolerande material av de flesta halvledartillverkare. Kiseldioxid har en dielektricitetskonstant på 4 och att sänka den ger lägre kapacitans.

Texas Instruments använder en polymer kallad HSQ för att fylla utrymmet mellan ledarna. HSQ har en dielektricitetskonstant på 3,0 och ungefär samma egenskaper som kiseldioxid vilket gör bytet relativt enkelt. Ett intressant alternativ är polyimid som har en dielektricitetskonstant på cirka 2,0. Men eftersom materialet är organiskt är det mer permeabelt vilket medför att migrationen från aluminiumledarna blir ett problem.

Men när tillverkarna har gått över till inkapslade kopparledare försvinner migrationsproblemet och det blir fritt fram att använda polyimid. Som en bonus får man dessutom mindre effektförluster.



Vakuum överlägset


Överlägset bästa dielektrikum är vakuum med en dielektricitetskonstant på 1,0. Men för praktisk användning ger luft, eller någon annan gas, lika bra resultat. Tekniken med att bygga signalbanorna som luftbryggor används idag i en del snabba bipolära processer.

För att få det att fungera måste bryggorna stöttas av pelare om de är långa. Det har ingenting med tyngdkraften att göra utan beror att signalen i sig kan få bryggan i en självsvängning som blir så stor att den förstörs. För att förhindra det måste man sätta in pelare med avstånd som är så korta att de överstiger den högsta signalfrekvensen. Pelarna höjer visserligen dielektricitetskonstanten men bara med 10 till 20 procent.

En nackdel med luftbryggor är att kretsarna måste kapslas hermetiskt, vilket utesluter vanliga, billiga plastkapslar. De kan heller inte monteras med lödning eftersom flussmedlet förstör luftbroarna. Istället måste tråd- eller tryckbondning användas.



Tillfällig hjälp


Att byta material kan temporärt lösa RC-problemet. Men efter några processgenerationer räcker det inte. Lösningen kan då bli att gå tillbaka till BiCMOS. Bipolära transistorer kan driva mer ström men fungerar inte med de låga spänningar som används till processorkärnan i 0,25 μm-processer.

En möjlighet är att gå över till nya material som kiselgermanium, SiGe. IBM har länge arbetat på det spåret och har också startat en mindre tillverkning av kretsar med blandat analoga och digitala funktioner. I SiGe går det att kombinera effektsnåla bipolära transistorer med avancerad CMOS-logik. Kanske kan SiGe ge processorerna ett prestandalyft en bit in på nästa sekel när alla andra möjlighet att pressa dagens CMOS-processer är uttömda.

Per Henricsson