Strukturgröße

Die Strukturgröße oder auch Strukturbreite (teils schwammiger als Prozess oder Technologie bezeichnet) ist eine Größenangabe der Halbleitertechnik und beschreibt die Kantenlänge der dort anzutreffenden, bestimmenden Einheit in der Fläche, und zwar die Gate-Länge des verwendeten Transistors. Der Begriff wird auch im Bereich der digitalen, optischen Speichermedien verwendet, meist für die Abmessungen der Lands und Pits von Laser-Medien. Auch bei der Nanotechnologie die sich eher in einem physikalisch-technischen Kontext mit Atomstrukturen bis hinauf zu 100 nm beschäftigt wird der Begriff angewandt.

Historie

Experimenteller Doppeltransistor (MOSFET) mit umliegenden Bonding-Pads, in deutlicher Vergrößerung

Lange Zeit wurde diese Größe in der Einheit Mikrometer (µm oder um) verwendet, wobei zuletzt Ziffern mit vorangestellter Null-Komma verwendet wurden. Mittlerweile ist hierbei der zweistellige Nanometer-Bereich (nm) erreicht worden, so dass sich die Angabe nun wieder leichter handhaben lässt.

Selbst in Fachkreisen kam es gelegentlich fälschlich zur Weglassung der führenden Null-Komma-Sequenz in Fließtexten, als der Schritt unter die Strukturgröße 1 µm getätigt wurde. Es wurde dann statt von einer 0,14-µm-Struktur nur noch verkürzend von einer 14er-Struktur gesprochen.

Exemplarische Strukturgrößen:

4004-Prozessor, Intel, 1971, PMOS: 10 µm
NMOS-Halbleiter: 6 µm
HMOS-Halbleiter: 1,5 µm
i386DX von Intel, 1984: 1,5 µm
i486DX2-66 mit P24-Kern von Intel, 1992: 0,8 µm
Pentium P5 von Intel, 1993, BiCMOS: 0,8 µm
Pentium P55C von Intel, 1997, CMOS: 0,35 µm
AMD Athlon (K7), 1999: 0,25 µm bis 0,18 µm
VIA C3-Prozessor, C5B-Revision, 2001: 0,15 µm
256-MBit-Speicherchip, Infineon, Dresden, 2002: 0,14 µm
Storm-1, DSP-Parallelprozessor von SPI: 130 nm
Start einer Kooperation von NEC und TSMC, 2001: 100 nm
typische Strukturgröße von neuen Halbleitern zum Ende 2007: 65 nm, dabei meist Taktraten von ca. 700 bis 900 MHz
Core-2-Duo-Prozessor von Intel, 2. Halbjahr 2007: 45 nm
Extrem-Ultraviolett-Lichtquellen von XTREME (Jenoptik und Ushio, gefördert von Intel) sollen in Zukunft ermöglichen: <40 nm, 2009: 32 nm, später: 13,5 nm
Optischer Speicher mit 45 GByte/cm² der Universität Tokyo, 2004: 35 nm
Nanoröhren-Transistor, wird erforscht: 18 nm
Sematech startet Forschung für neue Lacke, 2006: 13,5 nm

Bedeutung

Von der Angabe lässt sich grob auf die maximale Geschwindigkeit und die Verlustleistung des Bauteils rückschließen. Ebenfalls wird zusammen mit der Die-Größe bestimmt, wie komplex der Halbleiter ist, d. h. wie viele Transistoren er tragen kann. Für einzelne, große Transistoren (z. B. MOS-FETs) ist die Angabe prinzipiell ebenfalls zutreffend, jedoch weitaus weniger aussagefähig, da diese, um hohe Leistung zu erreichen, eher groß sein sollen.

Zusammen mit den Bemühungen von Forschung und Industrie, die Wafer-Größe bei der Halbleiterfertigung zu steigern, bildet dieses Element einen der zentralsten Aspekte der Weiterentwicklung der Halbleitertechnik im Rennen um die Erhaltung des Moore’schen Gesetzes, einer Faustregel nach der sich die Leistung von Halbleitern bislang über der Zeit weiter entwickelt hat.

Die Strukturgröße ist ein wichtiger Parameter, der zentral vom verwendeten Halbleiterprozess (CMOS, NMOS, TTL etc.) und dem dafür verfügbaren kleinsten Transistordesign bestimmt wird. Hierbei sind sowohl die Material-Beschaffenheit des Trägers, meist ein Silizium-Wafer, und der Dotierungen, als auch die eingesetzte Lithographietechnik und damit die erforderlichen Fertigungsparameter wie etwa Luftreinheit und ähnliches bis hin zur momentanen Verfügbarkeit von Fabrikkapazitäten wichtig. Auch auf den Preis solcher Produktions-Leistungen lässt sich daraus in der Regel zurück schließen.

Nicht zuletzt bestimmt die Strukturgröße wie viele Transistoren auf einen Wafer passen und damit auch wie viele einzelne Halbleiter typisch daraus gewonnen werden können. Zusammen mit dem logischen Design des Halbleiters ergibt sich also eine Zahl an Chips je Wafer, die maßgeblich in die Chipfläche und somit in den Preis eingeht. So besitzen beispielsweise NOR-Flashs technologiebedingt bei gleicher Strukturgröße geringere Speicherkapazitäten als NAND-Flashs, da ihre Speicherzellen mehr Transistoren und damit Platz auf dem Die erfordern.

Integrierter Schaltkreis – Intel 486DX2. Das Chipgehäuse wurde geöffnet und ermöglicht den Blick auf den eigentlichen Halbleiter.

Bei sogenannten Die-Shrinks geht es darum, die Strukturgröße unter Beibehaltung der Halbleiterfunktionalität gegen eine kleinere auszutauschen. Ein und dasselbe funktionale Design kann somit in mehreren verschiedenen Strukturgößen produziert werden. Die kleineren Strukturen weisen oftmals eine ihrer Transistor-Technologie entsprechende geringere Verlustleistung im Ruhezustand und bei Schalthandlung auf, so dass die für Halbleiter typisch erreichbare maximale Taktrate bei kleineren Strukturen für gewöhnlich höher ist. Wird die Die-Größe dagegen beibehalten, dann ergeben sich Möglichkeiten zur Erweiterung von skalierbaren Einheiten, z. B. der Caches eines Prozessors.

Bei kleineren Strukturen muss der jeweilige Hersteller zunächst einige Schritte zur Prozessoptimierung unternehmen um die bis dahin üblichen Ausbeuten wieder zu erreichen. Entsprechend ist ein Umstieg auf eine Technologie mit kleinerer Strukturgröße immer auch mit Kosten und Risiken verbunden. Es wird natürlich versucht, diese durch geeignete Forschungen und Erprobungen bereits im Vorfeld möglichst gering zu halten, um möglichst frühzeitig eine wirtschaftliche Effizienz erreichen.

Weblinks

Wettlauf um neue Lithografie-Techniken verschärft sich, heise-Verlag, 2001: Bericht zur SPIE Microlithography conference mit Prognosen zur erwarteten Entwicklung – wurde durch die Realitäten bereits 2007 überholt.
Sematech nimmt Forschungszentrum für EUV-Lithografie-Lacke in Betrieb, heise-Verlag, 2006: Lackentwicklung für Strukturgrößen bis 13,5 nm; Intel-EUV-Serienproduktion für 2009 geplant