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19.09.1980 - 

Schneller, dichter, kälter:

Neue Strukturen für VLSI-Schaltungen

STUTTGART (pi) - Eine Struktur, die zu einer neuen Form von VLSI-Schaltungen führen könnte, entwickelte IBM, wie das Unternehmen jetzt mitteilte. Die mit den neuen Transistor-Mikrostrukturen hergestellten Schaltungen weisen Schaltgeschwindigkeiten von 0,8 Nanosekunden, hohe Packungsdichte (Verbesserung um den Faktor 2) sowie niedrigeren Leistungsverbrauch auf.

Unter VLSI (Very Large Scale Integration) versteht man einen bestimmten Grad an Miniaturisierung und Integration, bei dem einige Zehntausend logische Schaltungen mit einigen Hunderttausend Bauelementen auf einem Silizium-Chip mit der Kantenlänge von weniger als einem Zentimeter integriert sind.

Die von den IBM-Wissenschaftlern gefundene neue Struktur ist eine modifizierte Version des bipolaren Transistors, der zu einer der wichtigsten Grundlagen der Computerindustrie wurde. Schon seit einigen Jahren hat eine auf der bipolaren Transistortechnik basierende, logische Schaltungskonzeption, die "Merged Transistor Logic" (MTL), wegen ihrer hohen Packungsdichte und niedrigen Verlustleistung Bedeutung erlangt.

Bereits 1972 stellten Dr. Horst Berger und Dr. Siegfried Wiedmann vom deutschen IBM-Laboratorium in Böblingen auf der International Solid State Circuit Conference in Philadelphia diese "Merged Transistor Logic" oder "Integrated Injection Logic" (12L) erstmals der Öffentlichkeit vor.

Obwohl die MTL-Technologie für eine Implementierung in VLSI vielversprechend erschien, gab es noch eine ernsthafte Einschränkung: MTL-Schaltungen, die in der konventionellen Bipolar-Technologie hergestellt werden, haben relativ lange Schaltzeiten, bestenfalls einige Nanosekunden. Dieser Nachteil läßt sich mit der jetzt gefundenen Mikrostruktur vermeiden.

Ungewollte Speicher

Um zu Schaltzeiten von 0,8 Nanosekunden zu kommen, mußten Probleme gelöst werden, die sich aufgrund gegensätzlicher Schaltungsanforderungen ergaben. Zum Beispiel werden für den Stromfluß Pfade mit kleinem Widerstand benötigt; dabei sind große Flächen, die elektrische Ladung speichern, das ungewollte Nebenprodukt. Solche Ladungsspeicher begrenzen die Geschwindigkeit der Schaltung.

Die neue Struktur ist selbstjustierend, was zu einer zusätzlichen Reduktion der Kapazität und damit zu einer weiteren Steigerung der Schaltgeschwindigkeit führt. Selbstjustage bedeutet, daß die Stellen, an denen Öffnungen in bestimmten kritischen Gebieten der Oberflächenschichten für die Mikrostruktur angebracht werden sollen, automatisch definiert werden.

In der neuen selbstjustierenden I exp(2)L/ MTL-Struktur wird der obere Teil der Kollektoren der npn-Transistoren durch Arsen-dotierte n+Polysilizium-Leitungen dotiert und kontaktiert. Die Kollektoren stoßen gegen die eingebuchtete Oxid-lsolation. Die äußeren Basis-Regionen zwischen den n+Kollektoren werden mit einer Aluminiumleitung so zusammengeschlossen, daß die Basis-Kontakte zu den Kollektorkanten selbstjustierend sind.

Parasitäre Basiszonen, die die npn-Transistoren in konventionellen I exp(2)L/ MTL-Strukturen verbinden, werden damit vermieden. Die daraus resultierende Struktur ergibt ein günstigeres Verhältnis von Kollektor- zu Emitterbereich, ohne die Kollektorabmessungen zu vergrößern. Da die gespeicherte Ladung in der äußeren Basis des npn-Transistors minimiert wird, erhöht sich die Schallgeschwindigkeit bei gleichzeitig niedrigerer Verlustleistung.

Die Schaltzeiten wurden an einem 17stufigen Ring-Oszillator gemessen, der mit Minimalstrukturen von 2,5 Mikrometer ausgelegt war. Für einen Ausgangsfaktor (Fan-out) von 3 zeigten die I exp(2)L/MTL-Schaltungen eine Schaltverzögerung von 0,8 Nanosekunden bei einem Kollektorstrom von 0,1 Milliampere. Eine Verlustleistung von weniger als 0,1 Picojoule läßt sich nach Aussagen der Wissenschaftler realisieren.