Grenzen der modernen Halbleitertechnik

Fünf Jahrzehnte lang war die Regel einfach: Macht man Transistoren kleiner, werden Chips schneller, sparsamer und billiger pro Funktion. Diese Gewissheit ist brüchig geworden. Strukturen messen heute nur noch einige Dutzend Atomabstände, Leckströme und Wärme setzen harte Grenzen, und eine einzige Fabrik kostet zweistellige Milliardenbeträge. Fortschritt gibt es weiterhin – aber er kommt aus neuen Formen, Materialien und Bauweisen statt aus reinem Schrumpfen. Wie es dazu kam, zeigt die Geschichte der Halbleitertechnik.

Das Ende der einfachen Skalierung

Robert Dennard beschrieb 1974, warum Verkleinern so gut funktionierte: Werden alle Abmessungen und die Betriebsspannung um denselben Faktor kleiner, bleibt die Leistungsdichte gleich, während die Schaltgeschwindigkeit steigt. Diese Dennard-Skalierung endete um 2005. Der Grund: Die Spannung ließ sich nicht mehr weiter senken. Unterhalb von etwa 0,7 bis 1 V schaltet ein Transistor nicht mehr sauber zwischen „aus“ und „an“, denn sein Unterschwellstrom kann physikalisch höchstens um den Faktor 10 pro etwa 60 mV abnehmen (bei Raumtemperatur, eine Folge der Temperaturspannung).

Woher die Wärme in einem Digitalchip kommt, zeigt eine einfache Abschätzung. Bei jedem Schaltvorgang wird die winzige Kapazität am Ausgang eines Gatters umgeladen, und dabei geht Energie verloren. Für die Schaltleistung gilt näherungsweise

mit der Schalthäufigkeit α (welcher Anteil der Gatter pro Takt tatsächlich schaltet), der umgeladenen Kapazität C, der Betriebsspannung U und der Taktfrequenz f. Doppelter Takt heißt doppelte Leistung, und die Spannung geht sogar quadratisch ein – deshalb war das Absenken der Spannung so wirksam. Dazu kommen ohmsche Verluste in Leitungen und die Leckströme, die auch ohne Schalten fließen.

Ohne sinkende Spannung steigt die Leistungsdichte mit jeder Verkleinerung. Deshalb stagnieren die Taktfrequenzen seit etwa 2005 bei wenigen Gigahertz, und mehr Rechenleistung entsteht seitdem durch mehr Kerne und spezialisierte Recheneinheiten.

Physikalische Grenzen

Leckströme durch Tunneln. Die isolierende Schicht unter dem Gate war bei Siliziumdioxid zuletzt nur noch etwa 1,2 nm dick – rund fünf Atomlagen. Elektronen tunneln durch so dünne Schichten hindurch (siehe Quantenphysik), es fließt ein Leckstrom, auch wenn der Transistor aus ist. Abhilfe brachten 2007 im 45-nm-Prozess Isolatoren mit hoher Dielektrizitätszahl (High-k, etwa Hafniumoxid): Sie wirken elektrisch wie eine dünne Schicht, sind physikalisch aber dicker. Weil das bisherige Gate aus Polysilizium nicht gut mit ihnen zusammenarbeitet, wurde es zugleich durch ein Metall-Gate ersetzt. Der Gate-Leckstrom sank damit um mehr als das Hundertfache.

Kurzkanaleffekte. Ist der Kanal sehr kurz, beeinflussen Source und Drain ihn so stark, dass das Gate die Kontrolle verliert – der Transistor sperrt nicht mehr richtig. Die Antwort ist, das Gate um den Kanal herumzulegen:

Atomare Grenzen. Der Gitterabstand von Silizium beträgt 0,543 nm. Schwanken in einem winzigen Kanal nur wenige Dotieratome zufällig, ändern sich die Eigenschaften spürbar. Unterhalb weniger Nanometer lässt sich ein Siliziumkanal kaum noch sinnvoll bauen; erforscht werden deshalb atomar dünne 2D-Materialien.

Verdrahtung. Die Leiterbahnen im Chip werden mit jeder Generation dünner, ihr Widerstand steigt nach R = ρ · l / A (siehe Spezifischer Widerstand). Bei Bahnen von wenigen zehn Nanometern Breite kommt hinzu, dass Elektronen an den Oberflächen gestreut werden und der effektive spezifische Widerstand von Kupfer deutlich über dem Tabellenwert liegt. Heute bestimmen oft die Verbindungen, nicht die Transistoren, die Geschwindigkeit.

Lithografie und Kosten

Chipstrukturen werden mit Licht belichtet. Die kleinste abbildbare Struktur ist ungefähr proportional zur Wellenlänge geteilt durch die numerische Apertur der Optik:

Jahrzehntelang arbeitete man mit 193 nm (ArF-Laser) und half sich mit Tricks wie Mehrfachbelichtung und Immersion in Wasser. Seit 2019 wird in Serie mit EUV (extremes Ultraviolett, 13,5 nm) belichtet. EUV-Licht wird in keiner Linse durchgelassen, deshalb arbeiten die Anlagen nur mit Spiegeln im Vakuum; das Licht entsteht aus Zinntröpfchen, die von einem Laser verdampft werden. Eine solche Anlage kostet weit über 150 Millionen Euro, die nächste Generation mit höherer Apertur (High-NA, 0,55) noch deutlich mehr.

Die Kosten wachsen mit jeder Generation: Eine moderne Fabrik kostet 20 Milliarden Dollar und mehr, die Entwicklung eines Chips im neuesten Prozess mehrere hundert Millionen. Nur noch sehr wenige Firmen weltweit fertigen auf dem neuesten Stand. Hinzu kommt die Ausbeute: Gerade zu Beginn eines neuen Prozesses ist ein großer Teil der Chips auf einem Wafer fehlerhaft, und die guten müssen die Kosten der schlechten mittragen. Der Preis pro Transistor sinkt kaum noch, und eine Fabrik ist schon nach wenigen Jahren nicht mehr auf dem neuesten Stand.

Wie es weitergeht

• Chiplets: Statt eines riesigen Chips werden mehrere kleine Chips in einem Gehäuse verbunden. Jeder lässt sich im passenden Prozess fertigen, und die Ausbeute ist höher.
• 3D-Stapelung: Speicher (etwa HBM oder 3D-NAND mit über 200 Lagen) und Logik werden übereinandergestapelt. Künftig sollen auch n- und p-Transistoren übereinanderliegen (CFET).
• Neue Materialien: Galliumnitrid und Siliziumkarbid für Leistungselektronik, 2D-Materialien und andere Forschungsrichtungen der Nanoelektronik für die Logik von morgen.
• Spezialisierung: Beschleuniger für KI, Grafik und Signalverarbeitung erledigen bestimmte Aufgaben um ein Vielfaches effizienter als ein Universalprozessor.
• Neue Rechenprinzipien: Für bestimmte Probleme werden Quantencomputer erforscht – siehe Quantentechnik.

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