Halbleiter: Neuer Isolator senkt Strombedarf

Der Trend bei Halbleitern, insbesondere CPUs und Grafikchips ist eindeutig: Immer mehr Transistoren sorgen für immer mehr Performance. Damit steigt jedoch auch der Strombedarf der Chips. Intels neuer Pentium 4 mit Prescott-Kern besteht aus 125 Millionen Transistoren, die laut Intel eine „typische“ Leistungsaufnahme von 103 Watt fordern – mehr als eine haushaltsübliche Glühbirne. Die dabei entstehende Abwärme ist ein Problem der PC-Hersteller, wer Halbleiter fertigt, steht bei diesem Leistungsbedarf noch vor ganz anderen Schwierigkeiten.

Derzeit findet in der Chip-Branche ein Umbruch statt. Die Zulieferer von Spezialgeräten wie Maskenbelichtern oder Ätz-Maschinen mischen sich immer mehr in die Grundlagenforschung ein, da die Probleme immer schneller gelöst werden müssen. Ein Riese unter diesen Maschinenherstellern ist die US-Firma Applied Materials.

Dort hat man jetzt ein neues Material namens „Black Diamond“ enwickelt. Es dient als so genanntes „low-k Dielektrikum“, vereinfacht gesagt: Es isoliert besonders gut. Aus welchen Materialien das neue Dielektrikum besteht, verrät Applied natürlich nicht. Der schwarze Diamant soll in Zukunft die Kapazität der Schicht unter einem Transistor, bisher „Gate-Oxid“ genannt, isolieren. Das Gate-Oxid hatte seinen Namen vom Material: Es wurde durch einfaches Oxidieren des Siliziums erzeugt. Bei der gegenwärtigen Miniaturisierung – der Pentium 4 wird bereits mit 90 Nanometern Strukturbreite hergestellt – wird das Gate-Oxid jedoch zu dünn. Der Transistor kann seine Ladung nicht mehr lange genug halten. Das verursacht Leckströme, zudem kann eine darunter liegende Schicht durch Induktions-Effekte in Mitleidenschaft gezogen werden. Der Chip wird dann weniger zuverlässig.

Ken Williams, Chef-Entwickler des neuen Dielektrikums erklärt das so: „Wenn ein Signal durch eine Leitung läuft, wollen sie ja nicht, dass es dabei vom Nachbarn geschubst wird.“ Er sieht den Einsatz von low-k-Dielektrika bei 90 Nanometern nur in Einzelfällen als notwendig an, aber: „Sobald man bei 64 Nanometern angelangt ist, wir das eine Notwendigkeit.“ TSMC in Taiwan, der weltweit größte Auftragshersteller von Chips, hat Black Diamond jedoch schon 2003 auf 10.000 Wafern mit 130-Nanometer-Technologie eingesetzt.

Bessere Isolation der Transistoren führt dazu, dass man die Versorgungsspannung des Chips insgesamt senken kann – dadurch verbraucht der Halbleiter letztendlich weniger Strom und ist einfacher zu kühlen.