Lekkagevrije chip

Tot in detail weten ze hoe silicium reageert op elektrische spanningen en ze kunnen atoomlaagje voor atoomlaagje siliciumstructuren opbouwen. Toch maakten Intel en IBM vorige week vlak na elkaar bekend dat ze voor de volgende generatie chips een ander isolatiemateriaal gaan gebruiken in de transistortjes, de bouwstenen van de chip. Na de zomer komen de nieuwe chips op de markt.

“Met de nieuwe techniek kan de bijna jaarlijkse verdubbeling van transistoren op een chip een hele tijd voortgaan”, verwacht siliciumchipexpert prof.dr. Lis Nanver van Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI). “De functionaliteit van pc’s en mobieltjes zal snel toenemen. Ook zullen wetenschappers er betere sensoren voor medische toepassingen mee kunnen ontwikkelen.”

Dat in een deel van de chip hafnium komt in plaats van silicium zeiden de fabrikanten niet expliciet, maar voor chipexperts was dit een uitgemaakte zaak. Zo ook voor prof. dr. John Long (EWI). “De elektrische circuitjes op de kleinste industrieel geproduceerde chips hebben nu schakelaartjes van 65 nanometer (65 miljardste meter)”, vertelt hij. “Om deze verder te verkleinen moet een ander isolatiemateriaal gebruikt worden. Met hafnium kunnen Intel en IBM schakelaartjes van rond de 45 nanometer maken.”

De crux van de nieuwe chip zit hem in een beter isolatielaagje onder de schakelaartjes. De schakelaartjes, ook wel gates genoemd, kunnen door middel van een opgelegde spanning aan of uit staan. Hoe kleiner de gate, hoe sneller de transistor kan schakelen tussen de twee standen en hoe sneller de chip informatie kan verwerken.

“Het probleem is dat er onder de gate nu een laagje isolerend siliciumdioxide zit van slechts enkele atomen dik, waar vrij gemakkelijk elektronen door weglekken”, vertelt Nanver. “Dit zorgt voor vermogensverlies en oververhitting van de chip.”

De laag moet zo dun zijn omdat de schakelaar anders niet meer snel genoeg kan reageren op elektrische spanningen. “Een dikte van vijf atomen is het minimum om elektronlekkage binnen de perken te houden”, aldus Nanver. “Hierdoor kun je met siliciumtechnologie op een gegeven moment geen kleinere chips meer maken, want hoe kleiner je de gate maakt hoe dikker de isolerende laag in verhouding tot de gate zal zijn.”

Hafnium kan wel in een dikkere laag aangebracht worden zonder dat de transistor er langzamer van wordt. “De oplossing klinkt simpel, maar je moet niet denken dat ze simpelweg een ander element uit het periodiek systeem hebben gepikt en dat nu gaan gebruiken”, zegt Long. “Ze hebben er wel tien jaar mee geëxperimenteerd. Het precieze recept voor hun hafniummateriaal zullen ze dan ook niet snel prijsgeven.” (TvD)

Tot in detail weten ze hoe silicium reageert op elektrische spanningen en ze kunnen atoomlaagje voor atoomlaagje siliciumstructuren opbouwen. Toch maakten Intel en IBM vorige week vlak na elkaar bekend dat ze voor de volgende generatie chips een ander isolatiemateriaal gaan gebruiken in de transistortjes, de bouwstenen van de chip. Na de zomer komen de nieuwe chips op de markt.

“Met de nieuwe techniek kan de bijna jaarlijkse verdubbeling van transistoren op een chip een hele tijd voortgaan”, verwacht siliciumchipexpert prof.dr. Lis Nanver van Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica (EWI). “De functionaliteit van pc’s en mobieltjes zal snel toenemen. Ook zullen wetenschappers er betere sensoren voor medische toepassingen mee kunnen ontwikkelen.”

Dat in een deel van de chip hafnium komt in plaats van silicium zeiden de fabrikanten niet expliciet, maar voor chipexperts was dit een uitgemaakte zaak. Zo ook voor prof. dr. John Long (EWI). “De elektrische circuitjes op de kleinste industrieel geproduceerde chips hebben nu schakelaartjes van 65 nanometer (65 miljardste meter)”, vertelt hij. “Om deze verder te verkleinen moet een ander isolatiemateriaal gebruikt worden. Met hafnium kunnen Intel en IBM schakelaartjes van rond de 45 nanometer maken.”

De crux van de nieuwe chip zit hem in een beter isolatielaagje onder de schakelaartjes. De schakelaartjes, ook wel gates genoemd, kunnen door middel van een opgelegde spanning aan of uit staan. Hoe kleiner de gate, hoe sneller de transistor kan schakelen tussen de twee standen en hoe sneller de chip informatie kan verwerken.

“Het probleem is dat er onder de gate nu een laagje isolerend siliciumdioxide zit van slechts enkele atomen dik, waar vrij gemakkelijk elektronen door weglekken”, vertelt Nanver. “Dit zorgt voor vermogensverlies en oververhitting van de chip.”

De laag moet zo dun zijn omdat de schakelaar anders niet meer snel genoeg kan reageren op elektrische spanningen. “Een dikte van vijf atomen is het minimum om elektronlekkage binnen de perken te houden”, aldus Nanver. “Hierdoor kun je met siliciumtechnologie op een gegeven moment geen kleinere chips meer maken, want hoe kleiner je de gate maakt hoe dikker de isolerende laag in verhouding tot de gate zal zijn.”

Hafnium kan wel in een dikkere laag aangebracht worden zonder dat de transistor er langzamer van wordt. “De oplossing klinkt simpel, maar je moet niet denken dat ze simpelweg een ander element uit het periodiek systeem hebben gepikt en dat nu gaan gebruiken”, zegt Long. “Ze hebben er wel tien jaar mee geëxperimenteerd. Het precieze recept voor hun hafniummateriaal zullen ze dan ook niet snel prijsgeven.” (TvD)