Was genau bringt low-k dielectric-Fertigung für Vorteile?

[daflow]

Was genau bringt low-k dielectric-Fertigung für Vorteile?

[x-dragon]

So weit ich weiß, handelt es sich dabei um einen Isolator der verwendet wird um Störungen der Leiterbahnen zu minimieren. Und dadurch wird es vermutlich möglich Signale mit höheren Frequenzen zu übertragen.

Hoffentlich ist das soweit richtig :stareup:.

[Demirug]

Ein low-k dielectric wird als Isolator zwischen den den Verbindungsbahnen benutzt. Normalerweise kommt hier SiliziumOxid (SiO; Glas) zum Einsatz. Da die Leiterbahnen aber sehr nahe aneinader vorbeilaufen bilden sich Kapazitive Wiederstände.

Aus dem Physikunterricht wissen wir ja noch alle das je höher der Wiederstand in einer Leitung ist desto geringer die Stromstärke. Die Stromstärke ergibt sich ja nun wiederum aus der Anzahl der Elektronen welche die Leitung an einer Stelle passieren. Diese Elektronen brauchen wir nun um unseren Transitor zum Durchschalten zu bewegen oder wir müssen sie in die andere Richtung bewegen um in zu sperren.

Ergo: Höhere Stromstärke = Mehr Elektronen = Kürzere Schaltzeiten.

Um die Stromstärke zu erhöhen gibt es nun zwei Wege.

1. Mehr Spannung bei gleichem Wiederstand. Damit steigt aber auch die Verlustleistung.

2. Absenken des Wiederstands. Dadurch können die Elektronen bei gleicher Spannung besser fliesen.

Ein low-k dielectric schlägt diesen zweiten Weg ein. Durch solche Materialien wirde der kapazitive Wiederstand reduziert. Ideal wäre übrigens ein Vakum aber mit freitragende Verbindungen zwischen Transitoren funktioniert hat man bisher wenig erfolg gehabt.

Man sollte ein low-k dielectric allerdings immer in Verbindung mit einem guten Leiter (z.B. Kupfer) benutzen weil sonst die Wirkung aufgrund des ja ebenfalls vorhanden Leiterwiederstands nicht unbedingt gross ist.

[Pinhead]

:up: super Demi, sehr schön erklärt

[daflow]

Witz der Sache ist also, dass man bei gleicher Spannung, höheren Strom fliessen lassen kann, was sich in schnelleren Schaltzeiten auswirkt.
Z.B. wird die hohe Taktrate des 9600xt Chips begünstigt durch die low-k Fertigung, da bei gleicher Spannung, höhere Ströme möglich sind. Bedeutet aber auch, dass die Verlustleistung genau gleich gross ist, als würde man den Chip in herkömmlicher Technik fertigen.
?!
:)

[Aquaschaf]

Nein, der mit low-k gefertigte Chip benötigt eine niedrigere Spannung (=> niedrigere Verlustleistung) um die selben Taktraten wie ein "normal" gefertigter Chip zu erreichen.

[Demirug]

Ok, ich muss wohl doch noch etwas ausführlicher werden.

In einem Chip bilden zwei Benachbarte Verbindungsleitungen und das Dielektrikum dazwischen einen Kondensator. Haben wir es mit unterschiedlichen Signalen in den Benachbarten Leitungen zu tun beginnt sich dieser "Kondensator" zu laden. Dabei wird das Dielektrikum polarisiert. Und genau da fangen die Probleme an. Ein Polarisiertes Dielektrikum ist nun in der Lage Ladungsträger festzhalten. Die Elektronen fliesen dann nicht mehr zum Transitor um diesen durchzuschalten sondern bleibem am Dielektrikum kleben. Beim Sperren hat man das gleiche Problem. Die polarisierung wird dabei wieder aufgehoben (Der Kondensator entlädt) und die bisher festgehaltet Elektronen müssen auch noch abfliesen. Die Dielektrizitätszahl gibt nun an wie gut sich das Dielektrikum polarisieren lässt. Da wir am liebsten ein Material haben wollen das sich überhaupt nicht polarisieren lässt sucht man nach Materialen mit einer kleinen Dielektrizitätszahl (low-k). Neben der Ladungsspeicherung hat ein Dielektrikum aber noch eine andere ungewünschte Eigenschaft. Beim polariseren entsteht Reibung und damit auch Wärme (Kapazitive Erwärmung). Und wir alle wissen ja das wenn man schneller reibt es auch Wärmer wird. Schneller reiben heist bei einem Chip die Taktfrequenz zu erhöhen. Aus diesem Grund bliebt ein Chip mit einem low-k Dielektrikum auch kühler. Es lässt sich weniger polarisieren = weniger Reibung = weniger Wärme.

[Endorphine]

Erstmal fliessen praktisch gar keine Elektronen, sondern nur Ladungsträger :) In diesem Thread geht es ja ausserdem auch um ULSI integrierte Halbleiter, nicht um Schulphysik mit riesengrossen Induktivitäten mit massivem Eisenkern, Plattenkondensatoren, armgrossen Potentiometern u.ä.

Das Problem ist - wie Demirug schon anmerkte - die Strukturgrösse. Zwei benachbarte Leitungen auf einem IC in 130nm fungieren nunmal automatisch zusammen mit der dazwischenliegenden Isolationsschicht als Kondensator. Bei S- oder D-RAM ist dieser Effekt erwünscht, sonst eher nicht. Das Problem sind hierbei die extrem kurzen Schaltzeiten durch den hohen Takt.

Ein Kondensator aus zwei Leitungen verzögert einfach die Anstiegs- und Abfallzeit der Signale, weil er bei jedem 0->1 Wechsel erst auflädt und damit die Rechtecksignale rundlutscht. Gleiches für die 1->0 Flanke eines beliebigen Signals.

Wirkung: die mögliche Taktfrequenz sinkt.

Low-k dielectrica (Isolierschichten mit niedriger Dielektrizitätszahl) lassen sich weit weniger polarisieren und wirken deshalb weniger als Kapazität, wenn sie von elektrischen Feldern durchsetzt werden. Ergebnis: je nach Sichtweise entweder geringere Signallaufzeiten oder als Folgerung grössere mögliche Taktfrequenzen. Die Leistungsaufnahme sinkt ebenfalls.

[ow]

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[Gast]

Original geschrieben von Demirug
Ein low-k dielectric wird als Isolator zwischen den den Verbindungsbahnen benutzt. Normalerweise kommt hier SiliziumOxid (SiO; Glas) zum Einsatz. Da die Leiterbahnen aber sehr nahe aneinader vorbeilaufen bilden sich Kapazitive Wiederstände.

Ein low-k dielectric schlägt diesen zweiten Weg ein. Durch solche Materialien wirde der kapazitive Wiederstand reduziert. Ideal wäre übrigens ein Vakum aber mit freitragende Verbindungen zwischen Transitoren funktioniert hat man bisher wenig erfolg gehabt.



Nicht ganz richtig, am besten wäre Luft als Dielektrikum. Weil Leiterbahnen sich auch abkühlen müssen, und das nicht nur durch Strahlung, sondern Wärmeaustausch.

[Liszca]

Original geschrieben von Gast
Nicht ganz richtig, am besten wäre Luft als Dielektrikum. Weil Leiterbahnen sich auch abkühlen müssen, und das nicht nur durch Strahlung, sondern Wärmeaustausch.

luft ist allerdings ein sehr schlechter waerme/kaelte leiter!

[perfekt57]

und jetzt? weiter!

p.

[micki]

ein Diamant müßte gut sein, leitet doch gut wärme und ist ein schlechtes diälektrikum :D

aber am besten wäre es doch wenn alles mit licht funzen würde, da gibbed wohl kaum kapazitätsprobleme... nur "transistoren" die sensibel und fix genug sind müßten noch her. nur später würde es bei zu dünnen leitungsisolatoren dazu kommen dass phortonen in nachbarleitungen entwischen... aber soweit sindwa noch lange nicht.

MfG
micki

[Ntropy]

Original geschrieben von micki
ein Diamant müßte gut sein, leitet doch gut wärme und ist ein schlechtes diälektrikum :D


Jo und genau deshalb forscht man schon seit Jahren an der künstlichen Herstellung von Diamanten als Trägermaterial für elektronische Schaltungen.

[Ntropy]

Original geschrieben von ow
Der wesentlich Effekt wird in der Taktsteigerung liegen, weil die parasitären Kapazitäten als Tiefpassfilter wirken.
Die parasitären kapazitäten sind IMHO eher ein Hochpass.

[ow]

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[Endorphine]

Tiefpass -> "lässt niedrige/tiefe Frequenzen passieren, ab einer bestimmten Schwelle stark erhöhter Widerstand gegen hohe Schwingfrequenzen".
Hochpass -> "lässt hohe Frequenzen passieren, ab einer bestimmten Schwelle stark erhöhter Widerstand gegen niedrige Schwingfrequenzen".
Bandpass -> nur in einem bestimmten Frequenzband niedriger Widerstand, ausserhalb hoher Widerstand.

Deshalb wirken die parasitären Kapazitäten in dem Fall als Tiefpass.

[Ntropy]

Original geschrieben von ow
Nö, denn die begrenzen ja die max. mögliche Frequenz, mit der ein Transistor arbeiten kann.

Ich verstehe deine Argumentation, Ow. Es kommt drauf an, ob man es auf den Transitor (resp. den IC) bezieht oder auf die parasitären (ungewollten) Kapazitäten.

Der Transistor an sich wirkt als Tiefpass, da hast du natürlich recht. Weil durch die parasitären Kapazitäten die Ladungsträger "etwas länger als nötig" gehalten werden, wird die maximale Frequenz des einzelnen Transistors reduziert (die Kapazität wirkt wie ein RC Glied welches ge- und entladen wird).

Das Low-K Dielektrikum wird aber hauptsächlich aus einem anderen Grund eingesetzt: um die Kapazität zwischen den Bahnen auf dem Chip herabzusetzen und damit das Übersprechen ("Crosstalk" wie der Engländer sagt) zu reduzieren.

Bei DC hast du kein Übersprechen. Bei höheren Frequenzen steigt es jedoch an --> Hochpassfunktion (hervorgerufen durch parasitäre kapazitive Kopplung).

Gerade bei den immer kleiner werdenden Strukturbreiten wird das Übersprechen zu einem der Hauptprobleme. Reduzieren kann man es, indem man den Abstand zwischen den Bahnen vergrössert (allerdings wird so logischerweise die Chipfläche grösser und die Leitungen eher länger) oder man eben ein Dielektrikum mit tiefer Dielektrizitätskonstante verwendet.

Die dielektrischen Verluste nehmen übrigens Proportional zu Wurzel(K) bei hohen Frequenzen zu.