„Disruptive Halbleitertechnik“ Taiwan meldet Durchbruch bei 1-Nanometer-Chips

Autor / Redakteur: Henrik Bork / Michael Eckstein

Nach IBMs erfolgreicher Produktion des ersten 2-Nanometer-(nm-)Chips prescht nun der weltweit größte Auftragsfertiger TSMC vor und meldet mit Partnern einen „signifikanten Durchbruch“ bei der Entwicklung des 1-nm-Prozessknotens.

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Planare Skalierung: Eine minimale Prozessknotengröße von nur einem Nanometer würde die Zahl der möglichen integrierten Schaltkreise auf einem Wafer drastisch erhöhen gegenüber den heute Goldstandards mit 5 und 7 nm.
Planare Skalierung: Eine minimale Prozessknotengröße von nur einem Nanometer würde die Zahl der möglichen integrierten Schaltkreise auf einem Wafer drastisch erhöhen gegenüber den heute Goldstandards mit 5 und 7 nm.
(Bild: TSMC)

Moores‘ Law, laut dem sich die Zahl der Komponenten auf einem integrierten Schaltkreis etwa alle zwei Jahre verdoppelt, wurde schon oft für tot erklärt. Dank der Innovationen findiger Ingenieure erfreut es sich jedoch bester Gesundheit. Und wird uns wohl noch einige Jahre begleiten.

Jüngstes Beispiel: Nur wenige Tage nachdem Tech-Riese IBM die erfolgreiche Produktion des weltweit ersten 2-nm-Chips verkündet hat, meldet TSMC einen „signifikanten Durchbruch“ bei der Entwicklung des 1-nm-Prozessknotens. Mit beiden Techniken ließe sich Moores‘ Law über die aktuell kleinsten in der Massenproduktion befindlichen Knotengrößen von 7 und 5 nm hinweg fortführen.

Wismut statt Silizium als Kontaktelektrode

An dem Forschungsprojekt waren Forscher vom Massachusetts Institute of Technology (MIT), der National Taiwan University (NUT) und Techniker des taiwanesischen Chip-Herstellers TSMC beteiligt, berichtet die Zeitung Taiwan News, die sich auf eine Veröffentlichung im Journal „Nature“ bezieht.

Kernelement der TSMC-Technik ist das Halbmetall Wismut: Das auch als Bismut bezeichnete Element mit dem Symbol Bi hat die Ordnungszahl 83 im Periodensystem und ist äußerst gering radioaktiv. Im Zentrum der Mitteilung steht die Entdeckung, dass mit Elektroden, bei denen das übliche Silizium durch Wismut ersetzt worden ist, eine noch höhere Leitfähigkeit erreicht werden kann. Konkret sei es mit Bi als Kontaktelektrode gelungen, einen „Kontaktwiderstand von 123 Ohm pro Mikrometern“ zu erreichen, heißt es im „Nature“-Beitrag.

Ihre neue Technologie habe das Potenzial für eine weitere Miniaturisierung und „Verlängerung der Gültigkeit von Moores‘ Law“, schreiben die Autoren. In Taiwan und China wird nun schon heftig spekuliert, wann mit der Produktion von 1-Nanometer-Chips begonnen werden kann.

Länderübergreifende Teamwork

Nach Angaben der Autoren machte das Team der MIT die ursprüngliche Entdeckung. Techniker von TSMC und Wissenschaftler der NUT verbesserten dann wichtige Details. Medienberichten in Taiwan zufolge könnte mit Hilfe dieser Technologie eine neue Generation von 1-Nanometer-Chips produziert werden, die noch weniger Energie verbrauchen und noch schneller sind als bei 3- und 2-nm-Chips. Hier ist die Entwicklung bereits weit fortgeschritten, zum Teil läuft derzeit bereits die Vorbereitung der Massenproduktion.

Allerdings werde es noch „Jahre dauern“, bis Halbleiter mit 1-nm-Prozessknotengröße in großen Stückzahlen auf dem Markt verfügbar sind, berichtet Verdict. Momentan sind 5-Nanometer-Chips der Goldstandard, und die weltgrößte und technologisch führende Foundry TSMC in Hsinchu in Taiwan plant, 2022 mit der Massenproduktion von 4-nm-Chips zu beginnen. 3-nm-Chips sollen ab der zweiten Jahreshälfte 2022 gefertigt werden. Eine weiterreichende Timeline gibt es noch nicht.

Wismut: Thema mit politischer Sprengkraft

Der jüngste Durchbruch mit Wismut wird besonders in der Volksrepublik China lebhaft diskutiert. Das Thema ist hier von besonderer politischer Sprengkraft, seit Washington den Export fortgeschrittener Halbleiter und der zu ihrer Produktion nötigen Ausrüstungen nach China gestoppt hat.

Eine Reihe chinesischer Forscher und Politiker hofft derzeit, dass der Wechsel von Silizium zu anderen Materialien, der auch neue Packaging-Techniken in der Chipproduktion erforderlich macht, eine Chance für Chinas eigene Anstrengungen im Bereich 1-nm-Chips bedeuten könnte. Experten seien allerdings „geteilter Meinung, ob China bei der Chip-Technologie die Führung übernehmen kann, während das Moore‘sche Gesetz an seine Grenzen stößt“, schreibt die Zeitung South China Morning Post in Hongkong.

„Potenziell disruptive Halbleiter-Technologien“: Peking hat weitreichende Ambitionen

Entsprechende Ambitionen hat Peking auf jeden Fall. Chinas Vizepremier Liu He, ein enger Vertrauter von Staats- und Parteichef Xi Jinping, habe sich erst kürzlich mit chinesischen Forschern getroffen und dabei unter anderem „potenziell disruptive Halbleiter-Technologien“ diskutiert, berichtet die Zeitung.

In der Volksrepublik forscht unter anderem Professor Liu Yuan von der „School of Physics and Microelectronics“ an der Universität Hunan an Chip-Technologien für den 1-Nanometer- oder sogar „Sub-Nanometer“-Bereich. Mit Hilfe von „van der Waals Metall-Integration“ habe Professor Liu im April „erfolgreich einen vertikalen Feld-Effekt-Prozessor realisiert“, schreibt das chinesische Fachmedium Bandaoti Hangye Guancha.

Geopolitische Klima behindert internationale Zusammenarbeit

Solche Forschungsergebnisse, gemeinsam mit weiteren von chinesischen Wissenschaftlern vom Physik-Institut der Chinesischen Akademie der Wissenschaften, könnten wichtige technische Hürden auf dem Weg zur Entwicklung leistungsstarker 1-Nanometer-Chips überwinden helfen.

Allerdings ist es im derzeitigen geopolitischen Klima wohl eher unwahrscheinlich, dass es da zu stärkerer internationaler Kooperation unter Einbindung von Forschern in China und den USA kommt. Die Volksrepublik China bleibt den meisten Experten zufolge auch weiterhin mehrere Jahre im Rückstand, was fortgeschrittene Halbleiter-Technologien angeht.

Wahrscheinlicher ist es, dass der erste 1-Nanometer-Chip aus der größten Foundry der Erde bei TSMC in Taiwan kommen wird, wie es der jüngste Wismut-Durchbruch gerade andeutet.

Dieser Artikel erschien zuerst auf unserem Partnerportal Elektronik Praxis.

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