Prim Hírek

Ezek a technológiák a hagyományos eljárásokon alapulnak, ám új technológiákkal kombinálva, folyamatos méretcsökkentés mellett. A különlegességekre - molekula- és kvantumszámítógépek - ebben a cikkben nem térünk ki, mivel ezek megjelenése a piacon csak jóval 2010 után várható, egyes becslések szerint 2020-2025 táján. Ezeket és más, ma még a tudományos fantasztikum birodalmába tartozó technológiákat majd egy külön cikkben mutatjuk be kedves olvasóinknak.

Jelenleg a csúcstechnológiát képviselő integrált áramkörök optikai rajzolóberendezésekkel, 0,18 mikronos vonalszélességgel szilíciumlemezre készülnek. A szilíciumban még rengeteg lehetőség rejlik, ezért az áttérés más anyagokra lassú lesz. A teljes átállás majd akkor következik be, amikor a szilícium már nem elégíti ki a sebességigényeket.

Ha jól megnézzük, már a 80-as években gyártottak integrált áramköröket GaAs-ből, amely több előnnyel is rendelkeznek a szilíciummal szemben: elméletileg ötször gyorsabb integrált áramkörök készíthetők belőle az elektronok gyorsabb mozgásának köszönhetően, és jóval szélesebb hőmérséklettartományban használhatók. Mindezen előnyökért a GaAs-áramköröket elsősorban katonai berendezésekben és műholdakban használják.

Sajnos a GaAs integrált áramkörök szélesebb körben történő elterjedését egy nagy hátrányuk gátolja, mégpedig az, hogy bonyolult technológiával, körülményesen, rossz kihozatallal gyárthatók, ezért drágák.

A másik nagy reményekre jogosító anyag a SiGe-ötvözet, amely a szilíciumnál kétszer gyorsabb integrált áramkörök előállítását teszi lehetővé. Több évtizedes kutatómunka után az IBM kutatóinak sikerült elsőként nagyüzemi gyártásra alkalmassá tenni a SiGe-technológiát. 1998-ban kezdték meg ebből az ötvözetből az integrált áramkörök nagyüzemi gyártását. A szilíciumtechnológiához hasonló olcsó eljárással, kiváló kihozatallal készíthetők az olcsó integrált áramkörök. A kis energiaigényű IC-ket elsősorban mobileszközökben használják. A SiGe-tranzisztorok határfrekvenciája 100 GHz fölött van.

Mint fentebb említettük, a szilíciumban még rengeteg lehetőség rejlik. Mivel a Si-technológia már kiforrott és olcsó, a kutatók/fejlesztők a fizikai lehetőségeket és törvényeket kihasználva újításokkal igyekeznek növelni a tranzisztorok és ezen keresztül az integrált áramkörök sebességét. A Si-technológiát két, már több mint 20 éve ismert technológiával kombinálták, amelyek együttesen 60-80%-kal növelik a hagyományos integrált áramkörök sebességét: a szigetelő alapú (SOI = silicon-on-insulator) technológiával és a rézhuzalozással. A SOI csökkenti a parazitakapacitásokat, és ezzel növeli a sebességet. A rézhuzalok alkalmazása a tranzisztorok "összekötésére" a ma használatos alumíniumnál jobb megoldást kínál, mivel kisebb fajlagos ellenállása jobb villamos vezetést és kisebb felmelegedést biztosít. Ezért nagyobb sűrűségű, kisebb és gyorsabb integrált áramkörök gyárthatók ezekkel a technológiákkal. Hosszas kutatás után ezt a két technológiát szintén az IBM kutatóinak sikerült gyártásra alkalmassá tenni. A rézhuzalozással kombinált Si-technológiával az IBM és a Motorola már gyárt mikroprocesszorokat. A SOI- és réztechnológiával kombinált Si CMOS technológiával az első integrált áramkörök ebben az évben kerülnek forgalomba.

A mikroprocesszorok, memóriák és egyéb integrált áramkörök sebessége függ a méretektől, a tranzisztorstruktúráktól, valamint az architektúrától. A teljesítmény növelésének egyik legkézenfekvőbb megoldása a méretek csökkentése. Minél kisebb egy tranzisztor, annál rövidebb a kapcsolási ideje, és annál kisebb területen helyezhető el egy mikroprocesszor vagy egyéb IC. A tranzisztorok közelebb kerülnek egymáshoz, aminek eredményeként az elektronoknak rövidebb utat kell megtenniük. Ez szintén növeli a működési frekvenciát. Az elektronok által megtett út hossza egyre nagyobb szerepet játszik a sebességben. Nő a tranzisztorokat összekötő vezetők szerepe is. A méretek csökkenésével csökken a vezetők keresztmetszete, ami növeli az ellenállásukat és ezen keresztül az integrált áramkörök melegedését. Ez korlátozza a chipek méretének csökkentését. Jelenleg alumíniumot használnak vezetőként. Ma a nagy tömegben gyártott integrált áramkörök 0,25 és 0,18 mikronos technológiával (széles vonalakkal) készülnek. Az alumíniumvezető az utóbbi méretnél eljutott teljesítőképessége határára. Ezért 1998-ban megkezdődött a réz használata, amelynek vezetőképessége az alumíniuménak kétszerese. 1999-ben már az IBM és a Motorola is gyártott mikroprocesszorokat nagy tömegben rézvezetőkkel. Az elkövetkező néhány évben minden magára valamit is adó félvezetőgyártó áttér majd a rézhuzal használatára.

Az integrált áramkörök egyre keskenyebb vonalakkal, egyre kisebb méretekben készülnek. A méretek csökkentésére általában kétévenként kerül sor. A 0,18 mikronos technológia tömeges alkalmazására tavaly tértek rá az IC-gyártók. A következő méret a 0,13 mikron lesz, amelynek bevezetése 2001-ben várható. A méretek csökkenésével növelhető az egységnyi chipfelületre, ezen keresztül a teljes chipre integrálható tranzisztorok száma.

A technológia látványos fejlődésének azonban van egy hátulütője is, nevezetesen az ár. Ugyanis a méretek csökkentéséhez mindig újabb és újabb eszközök - rajzolóberendezések (stepperek) - kellenek, amelyek ára folyamatosan nő. S ez még nem minden, az új berendezésekhez új épületekre is szükség van, amelyek az egyre szigorúbb feltételeknek megfelelnek. Mindezek együtt jelentős mértékben növelik a gyárak költségeit. Ez az Intelnél figyelhető meg jól, mivel a világ legnagyobb chipgyártója nyilvánosságra hozza a új gyárak létesítésének költségeit. Az Intel nagy tömegben - 100 milliós nagyságrendben (darab/év) - gyártja a mikroprocesszorokat és egyéb integrált áramköröket. Egy 0,18 mikronos gyár létesítési költsége 1 milliárd dollár körül van. Azonban nem egy, hanem négy ilyen gyárat is építettek más-más helyszínen. A 0,13 mikronos gyárakat a tervek szerint 2001-ben helyezik üzembe. Egy gyár költsége az előzetes becslések szerint 2-2,5 milliárd dollár, a pesszimisták szerint 4 milliárd dollár körül lesz.

Az Intel két lépesben vezeti be a 0,13 mikronos technológiát: 2001-ben 200 mm-es szilíciumostyán, alumíniumhuzalozással, 2002-ben 300 mm-es szilíciumostyán, rézhuzalozással.

Jelenleg az integrált áramkörök gyártásához 200 mm átmérőjű szilíciumostyákat (lemezeket) használnak. Az elkövetkező néhány évben átállnak a 300 mm átmérőjű szilíciumostyák használatára, aminek jelentős költségcsökkentő hatása lesz, ugyanis a 300 mm-es Si-ostya területe 225%-kal nagyobb a 200 mm-esénél. Ennek eredményeként 240%-kal több chip alakítható ki egy lépésben. A gyárakat 20 000 db Si-ostya/hét teljesítményre tervezik, vagyis közel ugyanannyi idő alatt közel 2,5-szer több chip gyártható. A 450 mm átmérőjű Si-szeletek használatára az előrejelzések szerint 2009-2010 táján kerül sor. Ezt követi majd előreláthatóan a 0,1 mikronos (vagy 100 nm-es) technológia 2004-ben, a 0,07 mikronos (70 nm-es) 2006-ban, a 0,05 mikronos (50 nm-es) 2008-ban és a 0,035 mikronos (35 nm-es) 2010-ben.

Felbecsülték, hogy az egyes technológiákkal hány tranzisztor integrálható egy chipre, mekkora lesz a hatásos csatornahosszuk, hány GHz-es frekvenciával működhetnek a mikroprocesszorok, és milyen kapacitásúak lesznek a memóriachipek.

Nagy teljesítményű mikroprocesszorok:

- 130 nm-es technológia: chipméret: 550 mm2, tranzisztorszám: 220+ millió, csatornahossz: 85 nm, frekvencia: 2,1 GHz;

- 100 nm: chipméret: 620 mm2, tranzisztorszám: 880 millió, csatornahossz: 65 nm, frekvencia: 3,5 GHz;

- 70 nm: chipméret: 710 mm2, tranzisztorszám: 2,5 milliárd, csatornahossz: 45 nm, frekvencia 6,0 GHz;

- 50 nm: chipméret: 820 mm2, tranzisztorszám: 7,0 milliárd, csatornahossz: 30 nm, frekvencia: 10,0 GHz;

- 35 nm: chipméret: 940 mm2, tranzisztorszám: 20,0 milliárd, csatornahossz: 20 nm, frekvencia: 13,5 GHz. DRAM memóriakapacitás:

- 130 nm: 4 Gbit; 100 nm: 8 Gbit; 70 nm: 16+ Gbit; 50 nm: 64 Gbit; 35 nm: 128+ Gbit.

Az egyre csökkenő vonalméretekhez egyre precízebb litográfiai berendezésekre lesz szükség, amelyek ára sajnos mindig magasabb lesz. Hatalmas lendülettel folyik a gyártóeszközök következő generációinak fejlesztése. Az új berendezések új fizikai alapelveken alapulnak. A 180, 130 és 100 nm-es vonalak hagyományos optikai (248, 193 és 157 nm-es fénysugár) litográfiai berendezésekkel rajzolhatók. Ezek viszonylag még olcsók, de aztán... A 70 nm-es méretekhez már valószínűleg a litográfiai berendezések következő generációit is használják majd: 157 nm-es optikai, EPL (Electron Projection Lithoraphy) és EUV (Extreme Ultraviolet = különlegesen rövid hullámhosszúságú ibolyántúli sugár). Az 50 és 35 nm-es technológiához már valószínűleg csak EPL- és EUV-berendezések használhatók. Mindezeken túl egyéb, különleges rajzolóberendezéseket is fejlesztenek. Ezek röntgensugarat, illetve ionsugarat használnak.

A Bell Laboratórium pl. nagy erőkkel fejleszti a SCALPEL technológián alapuló elektronsugaras rajzolóberendezéseket, amelyeket 100 nm alatti vonalak rajzolásához használhatnak. Már működnek az első 193 nm-es optikai rendszerek, amelyek 100 nm széles vonalak rajzolására alkalmasak.

Az új, kisebb dimenziókhoz új tranzisztorstruktúrákat fejlesztenek. A Bell Laboratórium 1999-ben két forradalmian új tranzisztorstruktúrát mutatott be az IEDM '99 konferencián a 100 nm alatti dimenziókhoz, amelyek határfrekvenciája valahol 40-50 GHz táján van. Az ún. vertikális tranzisztor 90 fokkal elforgatott MOS-FET tranzisztor, amelyben az áram a Drain (nyelő) és a Source (forrás) között nem vízszintesen, hanem függőlegesen folyik. A vezérlőelektróda (Gate) nem a tranzisztor felső részén, hanem az oldalán helyezkedik el, mégpedig nem egy, hanem kettő, az egymással szemben lévő oldalon, ami a szilíciumchipek sebességét közel kétszeresre növeli. A tranzisztor hatásos csatornahoszsza 50 nm, de a méret tovább csökkenthető, akár 30 nm alá is. A vertikális tranzisztor a chipen sokkal kevesebb helyet foglal, mint a hagyományos. Ez nagyobb sűrűségű chipek megvalósítását teszi lehetővé. A vertikális tranzisztor nagy előnye, hogy viszonylag könnyen gyártható, ugyanis kiküszöböl egy jelentős problémát: mivel a vezérlőelektróda és a szigetelőréteg a gyártási folyamat utolsó lépése, utána már magas hőmérsékletet igénylő lépés nincs, ami csökkenti a meghibásodás lehetőségét.

A másik, szintén nanoméretű tranzisztort "ballisztikus nanotranzisztornak" nevezték el. Az új eszközön szinte akadálytalanul folyik át az áram - hasonlóan egy lövedékhez, amikor átszeli a levegőt -, és négyszer gyorsabb, mint a mai tranzisztorok. A kutatók hatalmas erőfeszítéséket tesznek a tranzisztorok kapcsolási sebességének növelésére. Ez fényesen sikerült, amit bizonyít a négyszer nagyobb sebesség. Ez az első ballisztikus nanotranzisztor, amely szobahőmérsékleten működik, hagyományos szilíciumtechnológiával. A kapu hossza 40 nm, a hatásos csatornahossz 25 nm, a vezérlőelektródát szigetelő oxidréteg vastagsága mindössze 1,2 nm. A gyártás egyik kulcseleme, hogy a szigetelőréteghez vagy kapuoxid előállításához 1000 Celsius-fokon 10 másodpercig oxigént adnak a szilíciumhoz. Mindezek együtt lehetővé teszik, hogy a tranzisztor 85 százalékos hatásfokkal dolgozzon, és az áram szinte akadálytalanul áramoljon rajta keresztül.

A MoSys Inc. bejelentette az 1 tranzisztoros SRAM (Statikus RAM) cellát, amely a hagyományos 6 tranzisztor helyett 1 tranzisztorral tárol 1 bit információt. Az új megoldás a statikus memóriák tárolókapacitását közel ötszörösre növeli. Például a 64 Mbites 1T SRAM-chip 10-15 százalékkal nagyobb, mint a 64 Mbites SDRAM (Szinkron Dinamikus RAM), de 70 százalékkal kisebb, mint a 64 Mbites SRAM.