HintergrundBearbeiten

Die Grundlage für die Herstellung von Bauteilen unter 20 nm ist der FinFET (Fin-Feldeffekttransistor), eine Weiterentwicklung des MOSFET-Transistors. Die FinFET-Technologie wurde 1989 von Digh Hisamoto und seinem Forscherteam am Hitachi Central Research Laboratory entwickelt.

Eine Auflösung von 14 nm ist in einem Polymerresist selbst mit Elektronenstrahllithographie nur schwer zu erreichen. Darüber hinaus begrenzen die chemischen Auswirkungen ionisierender Strahlung die zuverlässige Auflösung auf etwa 30 nm, die auch mit der derzeit modernsten Immersionslithographie erreicht werden kann. Es sind Hartmaskenmaterialien und eine Mehrfachstrukturierung erforderlich.

Eine weitere wichtige Einschränkung ergibt sich aus der Plasmaschädigung von Low-k-Materialien. Das Ausmaß der Beschädigung ist typischerweise 20 nm dick, kann aber auch bis zu 100 nm betragen. Es wird erwartet, dass die Schadensempfindlichkeit mit zunehmender Porosität der Low-k-Materialien zunimmt. Zum Vergleich: Der Atomradius eines unbeschränkten Siliziums beträgt 0,11 nm. Somit würden etwa 90 Si-Atome die Kanallänge überspannen, was zu erheblichen Leckagen führen würde.

Tela Innovations und Sequoia Design Systems haben um 2010 eine Methodik entwickelt, die eine doppelte Belichtung für den 16/14-nm-Knoten ermöglicht. Samsung und Synopsys haben ebenfalls damit begonnen, Double Patterning in 22-nm- und 16-nm-Design-Flows zu implementieren. Mentor Graphics meldete, dass 2010 16-nm-Testchips angezapft wurden. Am 17. Januar 2011 kündigte IBM eine Zusammenarbeit mit ARM an, um eine 14-nm-Chipverarbeitungstechnologie zu entwickeln.

Am 18. Februar 2011 kündigte Intel den Bau einer neuen Halbleiterfabrik in Arizona im Wert von 5 Milliarden US-Dollar an, die Chips mit 14-nm-Fertigungsverfahren und 300-mm-Wafern der Spitzenklasse herstellen soll. Das neue Werk sollte Fab 42 heißen, und der Baubeginn war für Mitte des Jahres 2011 vorgesehen. Intel bezeichnete die neue Anlage als „die fortschrittlichste Hochvolumen-Fertigungsanlage der Welt“ und sagte, sie solle 2013 in Betrieb gehen. Intel hat inzwischen beschlossen, die Eröffnung dieser Anlage zu verschieben und stattdessen seine bestehenden Anlagen für die Unterstützung von 14-nm-Chips aufzurüsten. Am 17. Mai 2011 kündigte Intel eine Roadmap für 2014 an, die 14-nm-Transistoren für seine Xeon-, Core- und Atom-Produktlinien vorsah.

Technologie-DemosBearbeiten

In den späten 1990er Jahren begann Hisamotos japanisches Team vom Hitachi Central Research Laboratory mit einem internationalen Forscherteam an der Weiterentwicklung der FinFET-Technologie zusammenzuarbeiten, darunter Chenming Hu von TSMC und verschiedene Forscher der UC Berkeley. Im Jahr 1998 gelang es dem Team, Bauelemente mit einer Größe von bis zu 17 nm herzustellen. Später, im Jahr 2001, entwickelten sie einen 15-nm-FinFET-Prozess. Im Jahr 2002 demonstrierte ein internationales Forscherteam der UC Berkeley, zu dem Shibly Ahmed (Bangladesch), Scott Bell, Cyrus Tabery (Iran), Jeffrey Bokor, David Kyser, Chenming Hu (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) und Tsu-Jae King Liu gehörten, FinFET-Bauelemente mit einer Gate-Länge von nur 10 nm.

Im Jahr 2005 demonstrierte Toshiba einen 15-nm-FinFET-Prozess mit einer Gate-Länge von 15 nm und einer Lamellenbreite von 10 nm unter Verwendung eines Sidewall-Spacer-Prozesses. Es wurde vorgeschlagen, dass ein Logiktransistor für den 16-nm-Knoten eine Gatelänge von etwa 5 nm haben sollte. Im Dezember 2007 demonstrierte Toshiba einen Prototyp einer Speichereinheit, die 15 Nanometer dünne Leitungen verwendete.

Im Dezember 2009 produzierte das National Nano Device Laboratories, das der taiwanesischen Regierung gehört, einen 16 nm SRAM-Chip.

Im September 2011 kündigte Hynix die Entwicklung von 15 nm NAND-Zellen an.

Im Dezember 2012 stellte Samsung Electronics einen 14-nm-Chip vor.

Im September 2013 demonstrierte Intel ein Ultrabook-Laptop, das eine 14-nm-Broadwell-CPU verwendete, und Intel-CEO Brian Krzanich sagte: „Die Auslieferung wird bis Ende dieses Jahres erfolgen.“ Die Auslieferung verzögerte sich jedoch weiter bis zum vierten Quartal 2014.

Im August 2014 gab Intel Details zur 14-nm-Mikroarchitektur für seine kommenden Core-M-Prozessoren bekannt, dem ersten Produkt, das auf Intels 14-nm-Fertigungsprozess hergestellt wird. Die ersten Systeme, die auf dem Core M Prozessor basieren, sollten laut der Pressemitteilung im vierten Quartal 2014 verfügbar sein. „Intels 14-Nanometer-Technologie verwendet Tri-Gate-Transistoren der zweiten Generation, um branchenführende Leistung, Energie, Dichte und Kosten pro Transistor zu liefern“, sagte Mark Bohr, Intel Senior Fellow, Technology and Manufacturing Group, und Director, Process Architecture and Integration.

Im Jahr 2018 wurde von Intel ein Mangel an 14-nm-Fertigungskapazitäten angekündigt.

Auslieferung von GerätenBearbeiten

Im Jahr 2013 begann SK Hynix mit der Massenproduktion von 16-nm-NAND-Flash, TSMC mit der 16-nm-FinFET-Produktion und Samsung mit der Produktion von NAND-Flash der 10-nm-Klasse.

Am 5. September 2014 stellte Intel die ersten drei Broadwell-basierten Prozessoren vor, die zur Core-M-Familie mit niedrigem TDP gehörten: Core M-5Y10, Core M-5Y10a und Core M-5Y70.

Im Februar 2015 kündigte Samsung an, dass seine Flaggschiff-Smartphones, das Galaxy S6 und S6 Edge, mit 14-nm-Exynos-Systemen auf dem Chip (SoCs) ausgestattet sein würden.

Am 9. März 2015 veröffentlichte Apple Inc. das „Early 2015“-MacBook und das MacBook Pro, die 14-nm-Intel-Prozessoren verwenden. Besonders erwähnenswert ist der i7-5557U mit Intel Iris Graphics 6100 und zwei Kernen, die mit 3,1 GHz laufen und nur 28 Watt verbrauchen.

Am 25. September 2015 veröffentlichte Apple Inc. das IPhone 6S und das iPhone 6S Plus, die mit A9-Chips der „Desktop-Klasse“ ausgestattet sind, die sowohl in 14 nm von Samsung als auch in 16 nm von TSMC (Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) gefertigt werden.

Im Mai 2016 veröffentlichte Nvidia seine Grafikprozessoren der GeForce-10-Serie, die auf der Pascal-Architektur basieren, in die die 16-nm-FinFET-Technologie von TSMC und die 14-nm-FinFET-Technologie von Samsung eingeflossen sind.

Im Juni 2016 veröffentlichte AMD seine Radeon-RX-400-GPUs, die auf der Polaris-Architektur basieren, die die 14-nm-FinFET-Technologie von Samsung verwendet. Die Technologie wurde an GlobalFoundries für Dual Sourcing lizenziert.

Am 2. August 2016 veröffentlichte Microsoft die Xbox One S, die 16 nm von TSMC verwendet.

Am 2. März 2017 veröffentlichte AMD seine Ryzen-CPUs, die auf der Zen-Architektur basieren und 14-nm-FinFET-Technologie von Samsung enthalten, die an GlobalFoundries lizenziert wurde, damit GlobalFoundries sie baut.

Der im Oktober 2017 vorgestellte NEC SX-Aurora TSUBASA-Prozessor verwendet einen 16-nm-FinFET-Prozess von TSMC und ist für den Einsatz in NEC SX-Supercomputern vorgesehen.

Am 22. Juli 2018 kündigte GlobalFoundries seinen 12-nm-Leading-Performance (12LP)-Prozess an, der auf einem lizenzierten 14LP-Prozess von Samsung basiert.

Im September 2018 veröffentlichte Nvidia GPUs, die auf ihrer Turing (Mikroarchitektur) basieren, die auf dem 12nm-Prozess von TSMC hergestellt wurden und eine Transistordichte von 24,67 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter aufweisen.