微處理器是執行邏輯功能的引擎，使計算機、手機和無數其他不可或缺的電子裝置能夠執行。微處理器速度和功率的提高使我們能夠在手機上使用複雜的軟體，並在筆記型電腦上處理大量的多媒體資料，這在幾年前似乎是不可能的。為了繼續滿足我們日益增長的技術需求——例如像使用安全的信用卡一樣使用手機或下載並觀看整部電影——處理器必須變得更加強大，即使它們的體積在縮小。
對於晶片製造商來說，這不是一件容易的任務，因為迄今為止，更快的微處理器的秘訣是在更小的空間中將更多的電晶體更緊密地排列在一起，這會產生更多的複雜性，並且需要一種方法來耗散這些電子元件產生的所有熱量，以防止它損壞執行我們昂貴玩具的電路。不過，隨著計算機科學家尋求使用新材料、新工藝和微觀元件來構建未來的微處理器，緩解措施可能正在路上。
在微處理器內部，電晶體中的電流從電源流過柵極到達漏極。今天，大多數微處理器測量柵極之間的最短距離為 90 奈米。但是，45 奈米的距離現在已經變得可用，而曾經被認為遙不可及的 32 奈米和 22 奈米的微小距離也即將到來。為了讓您瞭解我們所說的微小程度：一奈米的大小相當於幾個原子，DNA 分子的大小約為兩奈米，而人頭髮的直徑約為 50,000 奈米。
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為了實現 45 奈米的柵極長度距離，並將 32 奈米和 22 奈米的間隙變為現實，總部位於荷蘭的半導體裝置製造商 ASM International, NV 表示，它可以使用其原子層沉積技術，在晶片上逐個原子地構建材料。“我們過去 10 年來一直在開發的技術是沉積非常薄的一層非常好的絕緣體——氧化鉿——使其更容易控制電晶體，”ASM 首席技術官 Ivo Raaijmakers 說。“這是一個重大轉變；整個行業過去 30 或 40 年來一直使用二氧化矽製造[互補金氧半導體] CMOS 電晶體。”
ASM International 的子公司 ASM America, Inc. 週一宣佈，其大批次製造 45 奈米晶片的技術和工藝現在已投入生產，此舉有望使這些晶片的製造效率更高。“對於 45 奈米晶片，絕緣層將為 1 奈米，即四個原子厚，”Raaijmakers 說。“遲早，用這麼薄的原子層就不可能製造出合理的絕緣體了。”隨著微處理器縮小到 45 奈米以下，傳統的絕緣材料（例如二氧化矽）會變得太薄而無法有效工作。鉿——也用於製造核反應堆的控制棒——提供了一種替代方案，有助於防止洩漏並改善對電晶體電流的控制。
事實證明，氧化鉿是這種薄層中二氧化矽的最佳替代品，因為鉿具有“高 k 電介質”，這意味著它可以降低電晶體柵極的電阻，從而允許更多的電流透過並減少功率損耗。對於 45 奈米和 32 奈米的微處理器，ASM 還開發了一種工藝，可以使用其沉積技術在每個電晶體上的氧化鉿和實際金屬柵極之間沉積一層 1 奈米的氧化鑭。鑭是一種銀白色金屬元素，有助於控制金屬柵極和鉿電介質之間的介面。
“這解決了電晶體絕緣和導電的挑戰，即使電晶體柵極尺寸縮小到 32 奈米和 22 奈米，”Raaijmakers 說。“這意味著我們可以在相同尺寸的晶片上繼續提供更多功能。下一代計算機仍然是可能的，我們可以製造出它們來使用更少的功率，從而使它們的電池續航時間更長。”
南卡羅來納州克萊姆森大學的一個研究團隊也在研究氧化鉿柵極電介質，以努力顯著減少微處理器的熱量產生並加快資料傳輸速率。“這是一項重大突破，將對矽[積體電路]製造產生重大影響，”科學家們在最近一期的Electronics Letters中報告說。
該報告的合著者、克萊姆森矽奈米電子中心主任 Rajendra Singh 說，氧化鉿的使用有助於製造執行速度超過 5 GHz 的處理器，而今天的高階單核處理器無法超過 3.8 GHz，他還補充說，“我們應該在兩到三年內擁有以這些速度執行的機器。”
這種計算能力有望將即使是最小的裝置也變成資料處理的主力。