Nanoelektronik und die 'Grenzen' der Physik Was ist ein x-Nanometer-Prozess bei Chips?

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Chips mit wenigen Nanometern Strukturbreite sind heute Stand der Technik in der Chip-Fertigung. Ein Ende der Miniaturisierung scheint nicht absehbar. Aber die Gesetze der Physik gelten auch für die Nanoelektronik. Nur: Von welcher Physik reden wir?

Während die Automobilindustrie eher in Richtung SUV-Dinosaurier strebt, ist die Mikroelektronik schon seit Jahrzehnten bemüht, ihre Bauteile im Bereich der Größe eines Virus zu konzipieren: 2 Milliardstel Meter, das heißt 2 Nanometer Strukturbreite bei den Fotomasken für Prozessor-Chips werden gerade angepeilt, Komponenten mit Strukturbreiten von 7 oder 10 Milliardstel Meter werden mittlerweile in Serie gefertigt.

Die Zahl vor der Dimensionsangabe „Nanometer“ taugt dabei nur ungefähr für ein Leistungs-Ranking, da die einzelnen Halbleiterhersteller leicht unterschiedliche Definitionen für das haben, was sie „Strukturbreite“ nennen. Im Grunde ist es die geringstmögliche Kantenlänge, die der Plotter, der die „Schaltung druckt“ hinkriegt. Das mag zum Beispiel die Länge der Steuerelektrode (Gate) eines einzelnen Transistors sein.

Wie dem auch sei: Der 10-Nanometer-Prozess von Intel wird beispielsweise von den Anwendern leistungsmäßig mit dem 7-Nanometer-Prozess der taiwanischen Chipschmiede TSMC (die unter anderem die Chips für Apple fertigt) gleichgesetzt.

Steuerelektroden rundum

Seit Jahren (oder gar Jahrzehnten?) wird heiß diskutiert, wie weit man die Miniaturisierung in der Chip-Fertigung treiben kann und wann die Halbleiterphysik „endgültig ausgereizt“ sei. Bislang ist das Ende nicht in Sicht. Wenn der einzelne Transistor auf dem Chip nur noch aus einem einzigen Atom besteht, dann ist womöglich „Ende der Fahnenstange“ (siehe weiter unten) erreicht, aber dort ist man noch nicht.

Auch was den Einsatz neuer Techniken in den Fertigungs-Details betrifft, hat man noch Luft, ja ganz offensichtlich so viel Luft, dass sich die einzelnen Halbleiterhersteller sogar noch darin unterscheiden können, ob sie die 3-Nanometer noch mit der „alten Technik“ schaffen oder sich etwas Neues einfallen lassen müssen. TSMC will das beispielsweise noch mit etablierter FinFET-Technik schaffen, während Samsung bereits mit „Gate-all-around“ (GAA)-Transistoren arbeiten will.

Die bei Samsung unter MBCFET (Multi Bridge Channel FET) (und bei Intel unter 3D-Transistor) firmierende nicht-planare GAA-Transistor-Technik ist nicht einfach umzusetzen, da die superdünnen Stromkanäle zwischen Source und Drain sowie die rundum angeordneten Steuerelektroden ein zerbrechliches Gebilde sind. Die Vorteile sind allerdings eindeutig: Im ausgeschalteten Zustand lassen sich die Leckströme reduzieren und im eingeschalteten Zustand die Steuerströme besser regulieren.

Dadurch zieht ein Chip aus solchen Komponenten weniger Strom und kann noch dichter gepackt werden. Auch die Schaltfrequenz steigt mit fallender Strukturbreite.

Umgekehrt reduzieren sich mit geringerer Strukturbreite die Verlustleistung und die Betriebsspannung pro Gatter und Schaltvorgang. Ganz allgemein lässt sich konstatieren, dass die Verkleinerung der Strukturbreite neben der Vergrößerung der Wafer ein Kernpunkt zur Reduzierung der Produktionskosten, der Erhöhung der Leistungsfähigkeit und der Geschwindigkeit von Halbleiterbausteinen darstellt.

Im Übrigen ist in den letzten Jahrzehnten nicht nur die Strukturbreite der Chips kleiner geworden, sondern es haben sich auch die Komponenten der integrierten Schaltungen selbst verkleinert. So besteht eine DRAM-Speicherzelle heute nur noch aus einem Transistor statt zwei Transistoren, wie vor 30 Jahren. Zusammen mit der Strukturverkleinerung ergibt diese Halbierung der Transistorzahl im Kleinen eine gigantische Platzersparnis im Großen.

Wenn die Elektronen das Transistor-Gate „tunneln"

Wo ist das Ende der Fahnenstange, um die Frage von oben aufzugreifen? Man weiß es nicht so genau, da man ja einen Transistor aus einem einzigen Atom bei der Findigkeit der Physiker und Ingenieure nicht ausschließen will und kann. Spätestens wenn es in den subatomaren Bereich geht, werden aber unweigerlich Quanteneffekte auftreten, beispielsweise der berühmte Tunneleffekt.

Was passiert, wenn die Elektronen das Transistor-Gate einfach „tunneln“, sich also nicht mehr in klassischer Weise von der Steuerelektrode steuern lassen? Dann funktioniert doch der ganze Transistor nicht mehr, sollte man meinen.

Wer weiß, womöglich wachsen die klassische Halbleiterei und die Quantenrechnerei viel schneller zusammen, als sich das viele heute vorstellen können. Andererseits sind heutige Quantenrechner alles anderes als Nanometer-Miniaturen. Vielleicht müssen wir in Zukunft den Zusammenhang von Groß und Klein ganz neu denken.

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