High-K Material dan Metal Gate: Prosesor dengan fabrikasi 45nm

[youtube m_VSWQQ1-Q4 nolink]

Dalam perkembangan research Intel bisa ( dilihat di sini ) memperkenalkan prosesor pertama dengan fabrikasi 45nm. Prosesor ini menggunakan material high-k dan metal gate pada transistornya. Dengan fabrikasi yang lebih kecil, kinerja prosesor dapat ditingkatkan dan nilai produksinya juga semakin murah untuk setiap satu prosesor

High-K berarti high dielectric constant, menunjukkan berapa banyak muatan yang dapat ditahan ketika akan berpindah dalam beberapa saat. Setiap material memiliki kemampuan yang berbeda dalam menahan muatan. Misalkan sebuah sponge dapat menyimpan air dalam beberapa saat, sedangkan kayu memiliki kemampuan menyimpan lebih sedikit daripada sponge. K adalah konstanta dielektrik dimana udara merupakan reference point dalam mengisolasi muatan yang memiliki nilai K sebesar 1. Dengan demikian, high-k adalah material yang dapat mengisolasi muatan dengan kemampuan dielektrik melebihi kemampuan udara dalam mengisolasi muatan listrik. High-K material seperti hafnium dioxide (HfO2), zirconium dioxide (ZrO2) dan titanium dioxide (TiO2) memiliki konstanta dielektrik diatas 3.9.

Konstanta dielektrik juga berkaitan dengan kinerja transistor. Nilai K yang besar dapat meningkatkan kapasitansi transistor sehingga transistor dapat meng-switch-kan kondisi “on” dan “off” dengan arus yang sangat kecil untuk “off” dan arus yang sangat besar untuk “on”.

Transistor

Gambar 1: Bipolar Transistor

Bipolar transistor merupakan salah satu jenis transistor sederhana. Bipolar transistor terdiri dari 3 lapisan silicon atau yang terdiri dari p-type dan n-type. Setiap layer dibatasi junction, yang mana mengizinkan muatan mengalir dari p menuju n. setiap layer dihubungkan oleh lapisan alumunium pada permukaanya dan silicon dioxide mengisolasi area non-metal. Muatan mengalir dari emitter menuju base berinteraksi dengan muatan positif dari collector, dan mengalir menuju output. Impedansi input (resistansi) antara emitter dan base sangat kecil, mengingat impedansi output antara collector dan base sanagt besar. Ketika muatan melewati base-emitter junction, terjadi perpindahan muatan yang 10-1000 kali lebih besar antara collector dan emitter. Dengan demikian,transistor dapat digunakan sebagai penguat sinyal.

Gambar 2: Digital Logic and NOR Gate Circuitry

Transistor dapat juga digunakan sebagai electronic switch. Transistor mempunyai dua state, yaitu cut-off dan saturated. Saturasi terjadi ketika perubahan muatan base tidak mempengaruhi perubahan muatan pada kolektor. Dengan demikian arus pada kolektor menuju Emitter menjadi maksimum sehingga seolah2 terjadi hubungan short antara collector dan emitter. Sedangkan cut off terjadi ketika tegangan antara collector-emitter menjadi maksimum sehingga seolah2 pada kolektor, emitter dan base tidak terhubung antara satu dengan lainnya. Dengan prinsip ini, transistor dapat bekerja sebagai electronic switch.

Kombinasi dari beberapa transistor menghasilkan gerbang logika (logic gate). Gerbang logika merupakan perangkat yang berfungsi mengoperasikan operasi logika biner seperti AND, OR, NOR atau XOR. Dengan demikian, transistor merupakan komponen utama dalam sebuah computer atau perangkat elektronik digital lainnya.

Field-Effect Transistor

Gambar 3: Terminal pada FET

Field-Effect-Transistor merupakan jenis transistor yang digunakan dalam sebuah microprocessor. Nilai konduktivitas FET ditentukan dari medan elektrik pada material semikonduktor. FET mempunyai 4 terminal, yaitu gate, drain, source dan body/base/bulk/substrate. FET mengendalikan aliran muatan dari source menuju drain dengan mengubah ukuran dan shape ‘conductive channel’ yang terbentuk dan terpengaruh dari tegangan antara gate dan source. Pada ‘conductive channel’ inilah muatan mengalir dari source menuju drain. Aliran muatan ini dapat dikendalikan dengan forward bias pada gate. Hal inilah FET dapat berperilaku sebagai electronic switch.

High-K Material dan Metal Gate

Gambar 4: Penggunaan High-K material dan Metal Gate pada FET dengan fabrikasi 45nm

Silicon Dioxide telah digunakan sebagai material gate oxide selama beberapa decade. Ketika transistor (jenis yang digunakan MOSFET) mengalami pengecilan ukuran, ketebalan dari silicon dioxide gate dielectric juga mengalami penurunan sehingga meningkatkan kapasitansi gate. Dengan demikian kebocoran arus meningkat dan kinerja Silicon Dioxide sebagai isolator juga menurun. High-K material merupakan solusi dari masalah ini karena high-K material mempunyai konstanta dielektrik yang tinggi.

Fabrikasi 45nm

Fabrikasi 45nm berarti transistor yang digunakan berukuran 45nm. Beberapa kelebihan dari fabrikasi 45nm adalah sebagai berikut (dengan perandingn fabrikasi 65nm):

1. Kepadatan transistor lebih banyak (ukuran die kecil atau jumlah transistor lebih banyak).
2. Daya yang dibutuhkan transistor dalam switching on/off turun 30%
3. Kecepatan switching transistor meningkat 20%
4. Daya bocor (leakage) pada source-drain berkurang lima kali
5. Penurunan 10 kali pada gate oxide
6. Biaya produksi per transistor lebih murah

Proses fabrikasi 45nm menggunakan teknik dry immersion lithography (Intel pada bulk silicon) dan immersion lithography (IBM dan AMD pada Silicon On Insulator)

Sumber :

1. http://visitfisika.wordpress.com/2008/05/02/high-k-material-dan-metal-gate-prosesor-dengan-fabrikasi-45nm/
2. http://www.intel.com/technology/silicon/high-k.htm
3. http://en.wikipedia.org/wiki/High-k_dielectric