Transistoren bauen, Atom für Atom

Eine neuartige Fertigungstechnik soll Chips beschleunigen und gleichzeitig zuverlässiger machen.

Applied Materials, weltgrößter Anbieter von Produktionsanlagen für Chiphersteller, hat eine neue Fertigungstechnik vorgestellt, mit der sich Transistorschichten in Schaltkreisen deutlich genauer aufbauen lassen sollen – bis hinunter auf die Dicke einzelner Atome.

Chiphersteller müssen die Transistoren ständig verkleinern, um die Leistung ihrer Prozessoren zu erhöhen – entsprechend wichtig ist eine genaue Kontrolle über den Aufbau der Transistoren. Die ersten Chips mit Transistoren in einer Größe von nur noch 22 Nanometern gehen in diesem Jahr in Produktion. Die kleinsten Ungenauigkeiten reichen hierbei aus, damit ein Chip aussortiert werden muss.

Transistoren bestehen aus verschiedenen Schichten: ein aktives Siliziummaterial, über dem sich eine Interfacing-Schicht befindet, die wiederum von einem Nichtleitermaterial bedeckt wird, das das Gatter darstellt, über das der Transistor an- und ausgeschaltet wird.

Applied Materials verkauft Geräte, mit denen sich diese Schichten auf Siliziumwafern erstellen lassen. Doch beim Übergang von 32 Nanometern zur nächsten Generation mit 22 Nanometern wird es deutlich schwieriger, diesen sogenannten Gate Stack herzustellen. Interfacing-Schicht und Nichtleiter müssen dünner werden und das Verhalten der Schichten wird durch winzige Fehlstellen beeinträchtigt, die dort auftreten können, wo sich die Materialien berühren. Bei noch dünneren Schichten könnten sich diese Probleme weiter verschärfen.

Wenn erst einmal die neuen dreidimensionalen Transistoren auf den Markt kommen, die Intel bald in seinen Chips einsetzen will, wird diese Herstellungsgenauigkeit noch wichtiger. Die dort eingesetzten größeren Kontaktflächen helfen zwar bei der Performance, bedeuten aber auch, dass Unreinheiten und Fehlstellen noch größere Auswirkungen haben.

Applied Materials setzt deshalb auf einen Prozess, namens Atomic-layer Deposition, kurz ALD. Das grundlegende Verfahren ist bereits Ende der 1970er Jahre entwickelt worden: Man produziert einatomare Lagen von Material, indem man Moleküle aus der Gasphase chemisch mit einer vorbehandelten Oberfläche reagieren lässt. Ist die Oberfläche bedeckt, stoppt die Reaktion von selbst.

Bei Applied Materials wird nun das Dielektrikum in Schichten angelegt, die nur ein Atom hoch sind. Die Methode ist zwar teurer, doch sie sei notwendig, meint der zuständige Produktmanager Atif Noori. "Damit das Herz des Transistors, das Logikgatter, funktioniert, müssen wir sichergehen, dass die Atome genau dort liegen, wo wir sie brauchen."

Das ist zwar kompliziert, hat aber auch deutliche Vorteile: Denn eine ständige Quelle von Problemen ist die Umgebungsluft, die bei der Produktion an die Chips dringt. Das ALD-Verfahren findet aber im Vakuum statt. Das hat den hilfreichen Seiteneffekt, dass die Elektronengeschwindigkeit im so gefertigten Transistor gesteigert wird – zwischen 5 und 10 Prozent sind hier drin. Das bringt mehr Leistung oder zumindest einen Stromspareffekt. Zudem variieren die Strommengen, die Transistoren auf einem Chip benötigen, deutlich. Das Vakuum ist auch hier nützlich: Die Energieverteilungsunterschiede reduzieren sich laut Applied Materials um 20 bis 40 Prozent. (bsc)