Intel Corporation ha annunciato di aver identificato nuovi materiali da utilizzare in sostituzione di quelli impiegati da oltre 30 anni nella produzione dei chip. Questo risultato rappresenta un passo avanti significativo nel tentativo di ridurre la dispersione di corrente nei transistor, un problema sempre più avvertito dai produttori di chip a causa del continuo aumento del numero di transistor inseriti in minuscole piastrine di silicio.
I ricercatori Intel hanno sviluppato transistor all'avanguardia e a elevate prestazioni utilizzando un nuovo materiale, denominato high-k (ad alta costante k), per il "gate dielectric" (dielettrico di gate) e nuovi materiali metallici per il "gate" dei transistor. I transistor sono microscopici interruttori di silicio che elaborano le sequenze di uno e zero del mondo digitale. Il gate accende e spegne il transistor, mentre il dielettrico di gate è un isolante posto al di sotto del gate che controlla il flusso della corrente elettrica. Nel complesso, i nuovi materiali per gate e dielettrici consentono di ridurre drasticamente la dispersione di corrente che provoca una riduzione dell'energia della batteria e genera calore non necessario. Secondo Intel, il nuovo materiale high-k riduce di oltre 100 volte la dispersione di corrente rispetto al biossido di silicio utilizzato negli ultimi trent'anni.
Il settore è impegnato da diversi anni nella ricerca di nuovi materiali per i gate dei transistor, ma l'implementazione
pratica è stata impedita da difficoltà tecniche.
"Questa è la prima dimostrazione convincente del fatto che i nuovi materiali per gate consentiranno di ottenere prestazioni più elevate per i transistor, superando allo stesso tempo le limitazioni fondamentali del materiale del dielettrico di gate in biossido di silicio utilizzato nel settore da oltre trent'anni", ha affermato Sunlin Chou, Senior Vice President di Intel e General Manager del Technology and Manufacturing Group. "Intel intende utilizzare questa e altre innovazioni, tra cui il silicio 'strained' e i transistor tri-gate, per aumentare la scalabilità dei transistor e prolungare la Legge di Moore".
Secondo la Legge di Moore, il numero di transistor inseriti su un chip raddoppia circa ogni due anni, portando a un aumento delle caratteristiche e delle prestazioni e a una riduzione del costo a transistor. Per mantenere questo ritmo di innovazione, i transistor devono raggiungere dimensioni sempre più ridotte. Con gli attuali materiali, tuttavia, la possibilità di ridurre i transistor sta per raggiungere limitazioni fondamentali, a causa dei problemi di aumento del consumo di energia e di generazione del calore che si sviluppano quando le dimensioni raggiungono livelli atomici. Di conseguenza, per garantire il futuro della Legge di Moore e l'economia dell'era informatica è assolutamente necessario implementare nuovi materiali e nuove strutture innovative dei transistor.
La soluzione high-K e metal gate
Tutti i transistor sono dotati di un materiale isolante, denominato dielettrico di gate, che è fondamentale per il loro funzionamento. Negli ultimi 30 anni il materiale più utilizzato per questo componente fondamentale del transistor è stato il biossido di silicio, grazie alla facilità di produzione e alla possibilità di offrire continui miglioramenti delle prestazioni dei transistor con dimensioni sempre più piccole.
Intel è riuscita a ridurre il dielettrico di gate in biossido di silicio fino a uno spessore di 1,2 nanometri (nm), che equivale ad appena cinque strati atomici. Con la riduzione dello spessore del materiale in biossido di silicio, aumenta la dispersione di corrente elettrica attraverso il dielettrico di gate, e si verifica di conseguenza uno spreco di corrente e la generazione di calore non necessario. Per mantenere il corretto flusso degli elettroni e risolvere questo problema critico, Intel intende sostituire l'attuale materiale con un materiale high-k più spesso nel dielettrico di gate, riducendo sensibilmente la dispersione di corrente.
La seconda parte della soluzione prevede lo sviluppo di un materiale metallico per gate, poiché il dielettrico di gate high-k non è compatibile con il gate degli attuali transistor.
La combinazione del dielettrico di gate ad alta costante k con il gate metallico consente una drastica riduzione della dispersione di corrente mantenendo estremamente elevate le prestazioni del transistor, e quindi rendendo possibile il proseguimento della Legge di Moore e delle innovazioni tecnologiche nel prossimo decennio. Intel ritiene che queste nuove scoperte possano essere integrate in un processo di produzione economico in grandi quantità, e ha iniziato a trasferire questa ricerca sui transistor nella fase di sviluppo.
I transistor basati su questi nuovi materiali dovranno essere integrati nei futuri processori Intel a partire dal 2007, nell'ambito del processo di produzione a 45 nm dell'azienda.
Intel presenta i dettagli dello sviluppo di nuovi materiali per transistor il 6 novembre nel corso della manifestazione 2003 International Workshop on Gate Insulator di Tokyo. Gli esponenti della stampa tecnica invitati da Intel descriveranno l'esigenza critica e urgente di sviluppare e integrare nuovi materiali per risolvere gli attuali problemi di dispersione di corrente, consumo di energia e generazione di calore concentrandosi su due innovazioni significative: l'identificazione del materiale appropriato per il dielettrico di gate ad alta costante k con cui sostituire il biossido di silicio attualmente in uso e l'identificazione del materiale metallico con cui sostituire l'attuale materiale dei gate che sia compatibile con il dielettrico di gate high-k.