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Was ist eigentlich ein FD-SOI-Transistor?

Vereinfachte Ansicht vom Aufbau eines klasissischen Transistors (links) und eines FD-SOI-Transistors. Grafik: hw

Vereinfachte Ansicht vom Aufbau eines klasissischen Transistors (links) und eines FD-SOI-Transistors. Grafik: hw

Dresden, 12. Juli 2015. Der Chiphersteller Globalfoundries hat heute angekündigt, bis 2017 eine Viertelmilliarde Dollar in sein Dresdner Werk zu investieren, um dort künftig FD-SOI-Halbleiter (Codename: 22FDX) herstellen zu können. Was aber steckt eigentlich hinter diesen kryptischen Kürzeln? Hier eine vereinfachte Erläuterung:

Das Grundprinzip

Ein Mikroschalter (Transistor) in einem Chip besteht aus drei Kernelementen: Der Stromquelle (1), dem Stromabfluss (2) und dem Steuertor (3). Das Steuertor bestimmt, ob zwischen Quelle und Abfluss ein Signalstrom fließt (entspricht der Ziffer 1 im binären Zahlensystem) oder gesperrt wird (entspricht „0“). Auf dieser 0-1-Basis sind aller Rechenoperation heutiger Computer aufgebaut.

Der klassische Chip-Transistor („Bulk“)

Im klassischen Transistor-Design, auch „Bulk“ genannt, werden (vereinfacht gesagt) Stromquelle und Stromabfluss in die Siliziumscheibe (Wafer) gewissermaßen durch Ionen-Beschuss hineingeträufelt, sie sehen unter dem Mikroskop wie zwei Gruben mit einer schmalen Siliziumberg dazwischen aus. Auf diesen Siliziumriegel auf der Wafer-Oberfläche zwischen Quelle und Abfluss werden eine Isolationsschicht und dann eine leitende Aluminium- oder Kupferschicht aufgedampft. Von oben werden dann die Kontakte wie Säulen auf Quelle, Abfluss und Steuertor gesetzt, die die elektrischen Signale in den so geschaffenen Transitor führen. Der Nachteil dieser klassischen Lösung: Unter der Wafer-Oberfläche marodieren unerwünschte Leckströme zwischen Quelle und Abfluss hin- und her, die mit jeder Miniaturisierungs-Stufe immer nervender werden.

Der FD-SOI-Transistor

Beim FD-SOI-Transistor (Fully Depleted Silicium on Insulator) werden andere Siliziumscheiben benötigt: Dort ist eine sehr dünne, aber sehr effektiv elektrisch isolierende Sperrschicht aus Siliziumdioxid unter die Wafer-Oberfläche eingezogen. Auf der befindet sich dann eine ebenfalls sehr dünne Siliziumschicht, in die dann Quelle und Abfluss eingebaut werden und oben drauf kommt wieder das verbindende (oder sperrende) Steuertor. Durch die dünne Siliziumoxid-Schicht werden die Leckströme zwischen Quelle und Abfluss, die beim Bulk-Transistor durch die Tiefen der Siliziumscheibe wandern konnten abgeblockt. Dadurch geht weniger Strom verloren und die Transistoren können schneller geschaltet werden.

Außerdem wird unter die Sperrschicht noch eine Art Spannungswanne platziert, die dabei hilft, das elektrische Verhalten des Transistors präziser zu justieren. Weiterer Vorteil: Im Vergleich zum Klassik-Transitor fallen viele Zusatz-Schutzschichten weg, der Schalter-Aufbau wird plötzlich wieder sehr einfach und die Chipfabrik braucht weniger teure Belichtungsmasken, um die Strukturen zu erzeugen.

Der Fin-FET-Transistor

Die FIN-FET-Transistoren, wie die zum Beispiel Intel verwendet, ähneln prinzipiell dem FD-SOI-Aufbau. Nur sind hier die Strukturen nach außen gedreht, ragen also wie eine Art Wal-Flosse („Finne“) als 3D-Konstruktion aus dem Wafer heraus. Diese FIN-FET-Transitoren gelten als besonders schnell, erfordern aber eine weit kompliziertere Fertigungstechnik im Vergleich zum FD-SOI-Prozess, wie in Globalfoundries verwendet.

Codename „22FDX“

Das ist die interne Sammelbezeichnung bei Globalfoundries für eine Reihe von Fertigungstechnologien, bei denen der Chip-Auftragshersteller FD-SOI einsetzen will. Dabei steht „22“ für die Strukturgeneration (22 Nanometer), „FD“ für „Fully Depleted SOI“ und „X“ steht für „eXtreme“ – ist also eher für die Vermarktung gut. hw

Zum Weiterlesen:

Globalfoundries investiert eine Viertelmilliarde in Dresden