微处理器是执行逻辑功能的引擎，使计算机、手机和无数其他不可或缺的电子设备能够运行。微处理器速度和功率的提高使我们能够在手机上使用复杂的软件，并在笔记本电脑上处理大量的多媒体数据，这在几年前似乎是不可能的。为了继续满足我们日益增长的技术需求——例如像使用安全的信用卡一样使用手机或下载并观看整部电影——处理器必须变得更加强大，即使它们的体积在缩小。
对于芯片制造商来说，这不是一件容易的任务，因为迄今为止，更快的微处理器的秘诀是在更小的空间中将更多的晶体管更紧密地排列在一起，这会产生更多的复杂性，并且需要一种方法来耗散这些电子元件产生的所有热量，以防止它损坏运行我们昂贵玩具的电路。不过，随着计算机科学家寻求使用新材料、新工艺和微观组件来构建未来的微处理器，缓解措施可能正在路上。
在微处理器内部，晶体管中的电流从电源流过栅极到达漏极。今天，大多数微处理器测量栅极之间的最短距离为 90 纳米。但是，45 纳米的距离现在已经变得可用，而曾经被认为遥不可及的 32 纳米和 22 纳米的微小距离也即将到来。为了让您了解我们所说的微小程度：一纳米的大小相当于几个原子，DNA 分子的大小约为两纳米，而人头发的直径约为 50,000 纳米。
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为了实现 45 纳米的栅极长度距离，并将 32 纳米和 22 纳米的间隙变为现实，总部位于荷兰的半导体设备制造商 ASM International, NV 表示，它可以使用其原子层沉积技术，在芯片上逐个原子地构建材料。“我们过去 10 年来一直在开发的技术是沉积非常薄的一层非常好的绝缘体——氧化铪——使其更容易控制晶体管，”ASM 首席技术官 Ivo Raaijmakers 说。“这是一个重大转变；整个行业过去 30 或 40 年来一直使用二氧化硅制造[互补金属氧化物半导体] CMOS 晶体管。”
ASM International 的子公司 ASM America, Inc. 周一宣布，其大批量制造 45 纳米芯片的技术和工艺现在已投入生产，此举有望使这些芯片的制造效率更高。“对于 45 纳米芯片，绝缘层将为 1 纳米，即四个原子厚，”Raaijmakers 说。“迟早，用这么薄的原子层就不可能制造出合理的绝缘体了。”随着微处理器缩小到 45 纳米以下，传统的绝缘材料（例如二氧化硅）会变得太薄而无法有效工作。铪——也用于制造核反应堆的控制棒——提供了一种替代方案，有助于防止泄漏并改善对晶体管电流的控制。
事实证明，氧化铪是这种薄层中二氧化硅的最佳替代品，因为铪具有“高 k 电介质”，这意味着它可以降低晶体管栅极的电阻，从而允许更多的电流通过并减少功率损耗。对于 45 纳米和 32 纳米的微处理器，ASM 还开发了一种工艺，可以使用其沉积技术在每个晶体管上的氧化铪和实际金属栅极之间沉积一层 1 纳米的氧化镧。镧是一种银白色金属元素，有助于控制金属栅极和铪电介质之间的界面。
“这解决了晶体管绝缘和导电的挑战，即使晶体管栅极尺寸缩小到 32 纳米和 22 纳米，”Raaijmakers 说。“这意味着我们可以在相同尺寸的芯片上继续提供更多功能。下一代计算机仍然是可能的，我们可以制造出它们来使用更少的功率，从而使它们的电池续航时间更长。”
南卡罗来纳州克莱姆森大学的一个研究团队也在研究氧化铪栅极电介质，以努力显着减少微处理器的热量产生并加快数据传输速率。“这是一项重大突破，将对硅[集成电路]制造产生重大影响，”科学家们在最近一期的Electronics Letters中报告说。
该报告的合著者、克莱姆森硅纳米电子中心主任 Rajendra Singh 说，氧化铪的使用有助于制造运行速度超过 5 GHz 的处理器，而今天的高端单核处理器无法超过 3.8 GHz，他还补充说，“我们应该在两到三年内拥有以这些速度运行的机器。”
这种计算能力有望将即使是最小的设备也变成数据处理的主力。