IBM hat einen sehr wichtigen Meilenstein in der Entwicklung der Fertigungstechnologie erreicht, der derzeit eine branchenweite Vorreiterrolle einnimmt, auch wenn es rund um diese Technologie noch viele offene Fragen gibt, sodass wir uns derzeit nur auf die öffentlich zugänglichen Daten und Parameter stützen können. Der Ankündigung zufolge hat IBM als erstes Unternehmen die 1-nm-Traumgrenze durchbrochen, zumindest was die Strukturbreite in der Halbleiterindustrie betrifft, und zwar nicht nur geringfügig, sondern deutlich über die 10-Angström-Marke hinaus: Es ist ihnen gelungen, bis auf 7 Angström zu gehen, was einer Strukturbreite von 0,7 nm entspricht. Wie wir es gewohnt sind, bezieht sich dieser Wert natürlich auch diesmal nicht auf die Größe der konkreten Bauteile, dennoch handelt es sich um einen bedeutenden Fortschritt, der durch kreative Methoden erreicht wurde.
Die Strukturbreite von 0,7 nm stellt im Vergleich zur 2-nm-Fertigungstechnologie von IBM eine erhebliche Weiterentwicklung dar: Mit dem 7A lassen sich eine um bis zu 50 % höhere Leistung sowie eine um bis zu 70 % höhere Energieeffizienz erzielen, zudem lässt sich durch die neue Transistorarchitektur die SRAM-Zelldichte um 40 % steigern, und bei logischen Schaltungen kann die Verbesserung je nach konkretem Design sogar noch größer ausfallen, was im Vergleich zu heutigen Fertigungstechnologien einen enormen Vorteil darstellt.
Mit welcher Methode ist es denn gelungen, einen so großen Schritt nach vorne zu machen? Die Ingenieure des Unternehmens kamen im Rahmen ihrer Forschungs- und Entwicklungsarbeit zu dem Schluss, dass es sich lohnen könnte, NFET- und PFET-Transistoren auch physikalisch voneinander zu trennen, da diese nach klassischer Auffassung auf demselben Siliziumwafer untergebracht sind, was verhindert, dass bei beiden gleichzeitig nennenswerte Fortschritte erzielt werden können, da hierfür unterschiedliche Materialien und Lösungen erforderlich wären, was auf einem einzigen Wafer einfach nicht möglich ist.
Aus diesem Grund wurde die Nanostack-Transistor-Technologie entwickelt, deren Kern darin besteht, dass erstmals unter Verwendung von zwei separaten Siliziumwafern Chips hergestellt werden, die p-Typ- und n-Typ-Transistoren enthalten, die anschließend durch eine dielektrische Verbindung miteinander verbunden werden – was in diesem Bereich bisher beispiellos war. Wenn beide Transistortypen auf einem einzigen Chip untergebracht sind, wird es immer schwieriger, ihre Größe gleichzeitig zu verringern.
Bei p-Typ- und n-Typ-Transistoren unterscheiden sich die Ladungsträger: während bei p-Typ-Transistoren, also PNP-Transistoren, diese Rolle aufgrund des Elektronenmangels von den Löchern übernommen wird, übernehmen bei n-Typ-Transistoren, also NPN-Transistoren, die Elektronen diese Aufgabe. PNP-Transistoren eignen sich unter anderem zum Schalten von Versorgungsspannungen, während NPN-Transistoren für die Signal- und Leistungsverstärkung sowie für schnelles Schalten vorgesehen sind. Diese Transistortypen unterscheiden sich auch hinsichtlich ihrer elektrischen Eigenschaften, Schaltpolarität sowie in weiteren Eigenschaften; das heißt, wenn sie auf demselben Siliziumwafer untergebracht sind, ist es schwierig, sie so zu entwickeln, dass beide Typen gleichermaßen davon profitieren und gleichermaßen optimal funktionieren.
Aus diesem Grund hat das IBM-Team sie in zwei separate Typen aufgeteilt, da sie so unabhängig voneinander entwickelt und hergestellt werden können, was die Grenzen und Möglichkeiten erweitert. Am Ende des Prozesses erwartet die Ingenieure jedoch noch ein zusätzlicher Schritt: Die beiden Siliziumwafer müssen präzise aneinandergefügt und anschließend die entsprechende Verbindung zwischen ihnen hergestellt werden. Dank dessen können NPN- und PNP-Transistoren nicht in monolithischer, zweidimensionaler, sondern in geschichteter, dreidimensionaler Bauweise hergestellt werden.
Obwohl dies, wie wir oben gesehen haben, viele Vorteile mit sich bringt, da sich die verschiedenen Parameter in sehr vielen Bereichen verbessern, macht es die Herstellung jedoch kostspieliger und aufwendiger: Bei den übereinander geschichteten Wafern ist eine präzise Passung erforderlich; andernfalls entsteht viel Ausschuss, was zu einer niedrigen Ausbeute führt, was wiederum die ohnehin schon kostspieligere Herstellung weiter verteuert.
Die 3D-Struktur, also die vertikale Schichtung, erschwert die Kühlung, da der darunterliegende Chip nur über den darüberliegenden mit dem Kühlblock verbunden werden kann, was Kompromisse erfordert. Auch die Schaltungsauslegung kann eine Herausforderung darstellen: Bei einem zweischichtigen Design ist es schwierig, die Signalleitungen und die Leitungen für die Stromversorgung angemessen zu gestalten, was die Situation weiter verkompliziert. Aus den oben genannten Gründen lohnt sich der Einsatz dieser speziellen Fertigungstechnologie nur dann, wenn die damit verbundenen Vorteile die kompliziertere Ausführung und die teurere Herstellung aufwiegen; andernfalls ist die Fertigung unrentabel.
Eine gute Nachricht ist vielleicht, dass der erste Testchip – der eigentlich kein großer und komplizierter Chip ist, da er nur etwa so groß wie ein Fingernagel ist, noch mit Low-NA-Belichtungsgeräten hergestellt wurde, was zu einer kostengünstigeren und einfacheren Fertigung führen könnte, da diese Technologie weit verbreitet und ausgereift ist.
Bei High-NA sähe die Rechnung schon anders aus, denn dort beträgt die maximale Chipgröße, die in einem Schritt strukturiert werden kann, genau halb so groß wie das ist, was mit Low-NA maximal hergestellt werden kann; das heißt, in diesem Fall müsste der ohnehin schon komplexe Chip aus zwei Hälften zusammengesetzt werden, was die Kosten weiter erhöht und die Ausbeute weiter verringern könnte. Diese Generation der Fertigungstechnologie kann zwar noch mit Low-NA hergestellt werden, doch bei der Entwicklung der nächsten Generation werden auch die Besonderheiten von High-NA berücksichtigt, und die neue Fertigungstechnologie wird entsprechend ausgelegt.
Die 7A-Fertigungstechnologie von IBM könnte innerhalb der nächsten fünf Jahre in die Serienproduktion gehen, wenn alles gut läuft. Es ist natürlich wichtig zu betonen, dass es sich hierbei nicht um eine fertige Fertigungstechnologie handelt, die lizenziert und schnell in die Serienproduktion überführt werden kann, sondern um geistiges Eigentum, Pläne, Patente sowie Forschungs- und Entwicklungsunterlagen, die erst zu einer konkreten, in der Praxis anwendbaren Fertigungstechnologie weiterentwickelt werden müssen
