Chiprevolutie

Vanaf deze zomer zit er hafnium in chips van Intel. Voor het eerst in 40 jaar past de chipsindustrie nieuw materiaal toe.Michiel van Nieuwstadt

Boven: silicium testwafel met transistoren van 45 nanometer. Onder: Intel vervangt het isolerende laagje siliciumoxide in conventionele transistoren door een dikker laagje hafniumoxide. Dat gaat stroomlekkage tegen. In een transistor loopt stroom tussen ‘source’ en ‘drain’, afhankelijk van de spanning op de gate. Gate, source en drain zijn elk verbonden met elektroden van aluminium. Illustratie Intel

Fabrikanten van microprocessoren gaan een substituut voor silicium gebruiken in de volgende generatie chips die na deze zomer op de markt komt. Dat blijkt uit aankondigingen die Intel en IBM eind vorige week kort na elkaar hebben gedaan. Het toepassen van geheel nieuwe materialen is zeldzaam in de chipindustrie. Gordon Moore, medeoprichter van Intel, ’s werelds grootste fabrikant van microprocessoren, spreekt van “de grootste verandering in transistortechnologie sinds het einde van de jaren zestig”.

“Er komt een einde aan de alleenheerschappij van silicium’’, zegt Bert Koopmans, hoogleraar fysica van de nanostructuren aan de TU Eindhoven. Koopmans volgt de computerindustrie op enige afstand: “Je zou inderdaad van een revolutie kunnen spreken’’, zegt hij. “De wetenschap heeft in de afgelopen decennia allerlei materialen aangedragen die beter werken dan silicium, maar het is voor het eerst dat de industrie die ook durft toe te passen.”

Intel gaat vanaf de zomer van dit jaar computerchips maken waarop de kleinste details nog maar 45 miljoenste millimeter groot zijn (45 nanometer). Het betreft hier de diameter van de gate, de ‘toegangspoort’ die open of dicht kan staan en zo bepaalt of er in het onderliggende kanaal van silicium een elektrische stroom kan lopen (een bit is dan één) of juist niet (een bit is dan nul).

Op dit moment heeft de gate in de meest geavanceerde computers een diameter van 65 nanometer. Kleine gates zijn voor computermakers cruciaal, omdat ze sneller kunnen schakelen tussen aan en uit. De nieuwe transistoren doen dat straks zo’n 300 miljard keer per seconde.

sneller en kleiner

Onder de gate ligt een dunne isolerende laag van siliciumoxide (SiO

Hafnium is een metaal dat wordt toegepast in elektroden en kerncentrales. Koopmans vermoedt dat Intel hafniumoxide gebruikt. In reactie op het nieuws van Intel haastte het IBM zich met de aankondiging dat in dat bedrijf wordt gewerkt aan een vergelijkbare transistor, maar die zal niet voor het begin van 2008 op de markt verschijnen. IBM ontwikkelt technologie voor Intels belangrijkste concurrent AMD.

Volgens Intel wordt het lekken van elektrische lading met een factor van meer dan tien gereduceerd door onder de gate een laagje hafniumoxide aan te brengen. De crux van het hafniumoxide is dat het een hoge diëlektrische constante heeft. Koopmans: “Dat betekent dat een dikkere laag gebruikt kan worden waardoor minder stroom weglekt door het kwantummechanische effect dat wij tunneling noemen. Tegelijkertijd staat het hafniumoxide toch toe dat er over deze tussenlaag een voldoende sterk elektrisch veld staat. Dat betekent dat voldoende elektrische lading aangetrokken wordt in het onderliggende siliciumkanaaltje. Daarin moeten zich immers voldoende elektronen verzamelen zodat er een stroom kan lopen tussen de source en de drain.” De source en de drain zijn de plaatsen in het silicium waar elektronen worden aan- en afgevoerd.

polykristallijn

Een probleem dat Intel nu heeft opgelost is dat hafnium niet goed samengaat met polykristallijn silicium; het materiaal waarvan de gates sinds het einde van de jaren zestig worden gemaakt. Polykristallijn silicium is silicium waarvan de atomen niet netjes in een kristalrooster zitten. Intel gaat dit silicium vanaf deze zomer vervangen door een metaal, maar welk metaal dat is houdt het bedrijf voorlopig geheim.