Halvledartekniken springer ifrån mätetalen

Ledardelning kan vara viktigare än kanallängd

Kanallängder i alla ära, men för många tillämpningar är avståndet mellan ledarna som förbinder transistorerna i det understa metallagret numera det mest intressanta måttet.

I mars presenterade Intel och TSMC marknadens första 90 nm-kretsar. Men vad i processen har egentligen måttet 90 nm? Ja, det är sällan självklart när halvledartillverkarnas marknadsförare försöker bräcka varandra med att erbjuda finast kiselgeometrier.

Traditionellt sett har kanallängden (gate length) varit det vedertagna måttet när det gäller att klassa CMOS-processer oavsett om det rört sig om DRAM, processorer eller andra kretstyper - låt vara att det finns en handfull sätt att definiera kanallängd. Men numera är avståndet mellan ledarna i undre metallagret mer intressant för många tillämpningar.

- Oftast är det är inte längre transistorns prestanda utan packningstäthet man är ute efter, och det styrs av hur tätt det är mellan ledarna i det understa metallagret, säger Christer Svensson professor i elektroniska komponenter vid Linköpings tekniska högskola.

Medan kanallängden ger en fingervisning om prestanda, så styr packningstätheten hur mycket man kan klämma in på kislet och därmed minneskapacitet och kostnad. Därför används förutom kanallängden även begreppet half-pitch i den ofta citerade framtidsrapporten ITRS - The International Technology Roadmap for Semiconductors.

Half-pitch är halva avståndet mellan ledarnas mittpunkter i det understa metallagret, och skulle kunna översättas med ledardelning.

För DRAM är det ledardelningen som styr vilken processgeneration kretsen tillhör; om halva ledardelningen är 115 nm så rör det sig om en 115 nm-process.

För processorer och övrig logik används kanallängd såväl som ledardelning i ITRS. Analytikerfirman IC-Insights lyfter också fram halva ledardelningen som det mest representativa måttet för DRAM.

Sedan kan man onekligen tycka att det är lite krystat att ange halva ledardelningen och inte hela. Det har dock sin historiska förklaring:

- Förr var kanallängden lika stor som halva ledardelningen, så därför var det praktiskt med ett processmått som täckte in både kanallängd och ledaravstånd. Men i moderna processer är det inte så längre, säger Christer Svensson.

Processer divergerar

Ett skäl är att processer avsedda för olika kretstyper har divergerat på senare år. I minnen gäller det att få in så många minnesceller som möjligt på en liten yta, och följaktligen har DRAM-tillverkarna legat i framkant när det gäller att krympa ledardelningen.

För processorer är transistorns prestanda en nyckelparameter, och därför driver processortillverkarna utvecklingen när det gäller kanallängd. Kanallängden är ju avståndet mellan transistorns source och drain, och det
ger en fingervisning om transistorns strömkapacitet och ingångskapacitans. Ju kortare kanallängd, desto snabbare transistor.

Dessvärre finns det flera sätt att definiera kanallängd, se faktarutan. Och det är inte alltid givet vilket som avses när halvledartillverkarna presenterar nya processer. Detta är visserligen ingen nyhet, men när geometrierna krymper nedåt 50 nm så ger exempelvis dopämnesdiffusioner, etsteknik och varianser stora återverkningar.

- I moderna processer skiljer det mer mellan ritad och effektiv kanallängd relativt sett, och därför är det viktigare att hålla rätt på vad man mäter och vad man anger, säger Mikael Östling, professor på Institutionen för Mikroelektronik och Informationsteknik på KTH i Kista.

När det gäller TSMCs och Intels kretsar var den ritade kanallängden i båda fallen 90 nm. Intel angav även att den effektiva kanallängden var 50 nm, medan TSMC i sitt pressmeddelande angav kanallängden till 65 nm, utan att specificera vilken typ av kanallängd de syftade på.

Att två 90 nm-processer ger olika värden på effektiv kanallängd är inte förvånande i sig. Man kan utforma processen för att premiera exempelvis robusthet eller hastighet, och därför behöver inte minst kanallängd vara bäst.

Fast tävlingen i nm-angivelser är kanske ändå mest intressant för marknadsförare som vill skryta med nya processer. För konstruktörer och inköpare som ska välja kretsfabrikat är det trots allt intressantare att jämföra exempelvis prestanda, packningstäthet, gränsfrekvens, pris och kapslingsalternativ.

Charlotta von Schultz