90 nm üretim süreci (İngilizce: 90 nm process), yarı iletken aygıt üretiminde130 nm ile 65 nm kuşakları arasında yer alan ve 2003-2004 yıllarında seri üretime giren üretim süreci kuşağıdır. Fujitsu bu kuşakta üretime Aralık 2002'de başlamış, Intel bu süreçle üretilen ilk işlemcilerini Şubat 2004'te sunmuş, TSMC ise seri üretime 2004'ün üçüncü çeyreğinde geçmiştir.
Kuşakta transistörler düzlemseldir. Intel'in süreci, gerilmiş silisyum kanallı transistörleri, bakır bağlantıları ve karbon katkılı oksitten yapılmış düşük geçirgenlikli bir yalıtkanı tek bir üretim sürecinde ilk kez bir araya getirmiş ve yalnızca 300 mm'lik silisyum plakalar üzerinde kurulmuştur. IBM aynı dönemde gerilmiş silisyumu yalıtkan üzeri silisyum altlıkla birleştirmiştir. Kapı yalıtkanı beş atom katmanı kalınlığına inmiş, kapı oksidinden tünelleme ve eşik altı iletim yoluyla sızan akım güç tüketiminin belirgin bir bileşeni hâline gelmiştir. Intel'in bu süreçle ürettiği Pentium 4 işlemcileri 130 nm'lik öncüllerinden daha fazla güç tüketmiş, şirket 2004'te yüksek saat hızı hedefleyen ardıllarını iptal ederek çok çekirdekli tasarımlara yönelmiştir.
Adlandırma
Kuşak adları, ilk üretim yılları ve kullanılan transistör yapısı. Dikey eksen addır, ölçü değil. 90 nm satırında Intel ve TSMC yer alır; kuşağın bütün süreçleri düzlemseldir.
Uluslararası Yarı İletken Teknoloji Yol Haritası (ITRS), bir teknoloji düğümünü süreç teknolojisinde önemli bir ilerlemenin sağlanması olarak tanımlar ve bu ilerlemeyi her düğümde ölçülerin yaklaşık 0,7 katına, iki düğümde yarıya inmesiyle ölçer. Yol haritasının 2003 baskısı, kamuoyuna yapılan duyurulardaki karışıklık nedeniyle, özellikle mantık süreçlerindeki "düğüm" adları yüzünden, tablolarına "hp90" biçiminde bir düğüm imi eklemiştir. Bu im, sektördeki en sık bağlantının yarım aralığını gösterir ve o dönemde bu ölçü DRAM hücresindeki metal çizgilerin yarım aralığıdır.
ITRS'e göre 90 nm'lik DRAM yarım aralığı düğümünde seri üretim 2004'ün ilk ve son çeyrekleri arasında başlayabilecekti. Aynı baskı, 2004 yılı için mikroişlemcilerde basılı kapı uzunluğunu 53 nm, fiziksel kapı uzunluğunu 37 nm, birinci metal katmanının yarım aralığını 107 nm olarak öngörür. Mantık süreçlerinde "90 nm" adıyla yayımlanan ölçüler ise bu değerden farklıdır. Intel'in 90 nm sürecinde kapı uzunluğu 50 nm, polisilisyum kapıların aralığı 260 nm, birinci metal katmanının aralığı 220 nm'dir. Şirketin seri üretime aldığı sürümde n kanallı transistörlerin kapı uzunluğu 45 nm'ye inmiştir. Intel, 90 nm'yi 0,13 mikronluk süreçten sonraki kuşak olarak konumlandırmış ve on yılı aşkın süredir her iki yılda bir yeni bir süreç kuşağı sunduğunu belirtmiştir.
Transistör yapısı
Düzlemsel MOSFET yapısı. 90 nm kuşağında bütün üreticilerin transistörleri düzlemseldir; kapı kanalı yalnızca üstten denetler.
Kuşakta bütün üreticilerin transistörleri düzlemsel MOSFET'lerdir. Üç boyutlu transistöre geçiş dört kuşak sonra, Intel'in 22 nm süreciyle başlamıştır.
Gerilmiş silisyum
Kuşakta üretime giren yeniliklerden biri gerilmiş silisyumdur. Kanaldaki silisyum kafesinin gerilmesi taşıyıcı hareketliliğini artırır. Intel'in platform makalesine göre gerilme, n ve p kanallı transistörlerin doyum bölgesindeki sürme akımını %10-20, hareketliliği ise %50'den fazla artırmıştır. Şirket p kanallı transistörde kaynak ve savak bölgelerine seçici büyütmeyle %17 germanyum içeren bir silisyum-germanyum katmanı gömerek kanalı tek eksende sıkıştırmış, n kanallı transistörde ise üste konan yaklaşık 75 nm kalınlığında çekme gerilmeli bir silisyum nitrür katmanıyla sürme akımını %10 artırmıştır. Şirketin 2004'te IEEE Electron Device Letters dergisinde yayımlanan makalesine göre bu akış, gerilmeyi n ve p kanallı transistörler için birbirinden bağımsız ayarlamaya izin verir ve sürme akımını n kanallı transistörde %10, p kanallı transistörde %25 artırır. Intel'e göre bu, gerilmiş silisyumun bir üretim sürecinde ilk kez kullanılmasıdır.
IBM, Şubat 2004'te yalıtkan üzeri silisyum, gerilmiş silisyum ve bakır bağlantıları bir arada kullanan 90 nm üretimine başladığını açıklamıştır. IBM ve AMD Aralık 2004'te, n kanallı transistörde kafesi geren, p kanallı transistörde ise sıkıştıran "çift gerilme katmanı" (İngilizce: dual stress liner) adlı bir yöntemle aynı güçte transistör başarımını %24'e kadar artırdıklarını duyurmuş; yöntemin AMD64 ve PowerPC işlemcilerinde ve Cell işlemcisinde kullanılması beklenmiştir.
Kapı yalıtkanı ve sızıntı
Intel'in 90 nm sürecinde kapı yalıtkanı 1,2 nm kalınlığındadır ve yalnızca beş atom katmanına denk gelir. Intel'den Mark Bohr'a göre yaklaşık 1,2 nm'lik silisyum dioksit, büyük olasılıkla bu yalıtkanın inceltilebileceği sınırdır; kapı oksidinden doğrudan tünelleme yoluyla sızan akım, yonganın toplam gücü içinde fark edilir bir paya ulaşmıştır. Bohr, eşik geriliminin ölçeklenmesiyle eşik altı sızıntının 1970'lerdeki düzeyine göre bin kattan fazla arttığını, bu yüzden eşik geriliminin ve onunla birlikte besleme geriliminin daha fazla düşürülmesinin güçleştiğini yazmıştır. Bohr'a göre Dennard ölçeklemesinin kurallarına artık harfiyen uyulamamaktadır. Intel'in 90 nm platform makalesi de her kuşakta kapı başına anahtarlama enerjisi yaklaşık 0,7³ oranında düşmesine karşın, artan transistör sayısı ve saat sıklığı yüzünden mikroişlemcilerin güç tüketiminin hızla yükseldiğini belirtir.
Fujitsu, 90 nm CS101 ailesinde transistör sızıntısını önceki CS91 ailesinin onda birine indirerek bekleme gücünü düşürdüğünü duyurmuştur.
Bağlantılar, litografi ve silisyum plakalar
Intel'in süreci yedi bakır bağlantı katmanı içerir. Birinci ve yedinci katman dışındaki katmanların arasında geçirgenliği 2,9 olan karbon katkılı oksit kullanılmıştır; bu yalıtkan, 130 nm kuşağında kullanılan flor katkılı silisyum dioksite göre çizgiler arasındaki sığayı ortalama %22 azaltır. Fujitsu'nun 90 nm sürecinde on bakır bağlantı katmanı ve düşük geçirgenlikli yalıtkan vardır. TSMC, 90 nm Nexsys sürecinde bakır bağlantıyı, düşük geçirgenlikli yalıtkanı ve 300 mm'lik silisyum plaka üretimini standart olarak sunan tek döküm süreci olduğunu belirtmiştir. Şirket 0,13 mikronluk ve 90 nm süreçlerinde Applied Materials'ın Black Diamond adlı düşük geçirgenlikli yalıtkanını kullanmış ve 2003'te düşük geçirgenlikli yalıtkanla üretilmiş 10.000'den fazla müşteri silisyum plakayı teslim etmiştir. Texas Instruments'ın süreci ise geçirgenliği 2,8 olan bir bağlantı yalıtkanıyla tasarlanmıştır.
Kuşakta kritik katmanlarda 193 nm dalga boylu litografi kullanılmaya başlanmıştır. Intel, sürecinde 248 nm ve 193 nm dalga boylu litografi araçlarını birlikte kullanmış, polisilisyum kapıları 193 nm litografiyle 50 nm'ye kadar biçimlendirmiştir. Texas Instruments de 193 nm araçlarını faz kaydırmalı maskelerle birlikte yaygın olarak kullanmayı planlamıştır. TSMC ise Aralık 2004'te daldırmalı litografiyle tam işlevli 90 nm yongaları üreten ilk yarı iletken şirketi olduğunu duyurmuştur.
Kuşağın öncü üreticileri 90 nm üretimini 300 mm'lik silisyum plakalar üzerinde kurmuştur. Intel 90 nm'de yalnızca 300 mm'lik silisyum plakalarla üretim yapmış ve 2004'e kadar bu süreci kullanan üç fabrikaya sahip olmayı hedeflemiştir. Şirkete göre 300 mm'lik silisyum plakalar, önceki 200 mm'lik silisyum plakaların iki katından fazla üretim kapasitesi sağlar. TSMC 2004'ün son çeyreğinde 90 nm süreciyle ayda birkaç bin 300 mm'lik silisyum plaka üretme düzeyine ulaşmıştır. Fujitsu ise Mart 2004'te Mie'de 90 nm ve 65 nm süreçleriyle 300 mm'lik silisyum plakalar işleyecek yeni bir fabrika kurma kararını açıklamıştır.
Üreticiler
Intel
Intel 90 nm sürecini Ağustos 2002'de tanıtmıştır. Süreç, Oregon'un Hillsboro kentindeki D1C geliştirme fabrikasında geliştirilmiş ve bu fabrikada 52 megabitlik SRAM yongaları üretilmiştir. 109 mm²'lik bu yongalar 330 milyon transistör içerir ve 1 µm²'lik bir SRAM hücresi kullanır. Şirket süreçte, 0,13 mikronluk süreçteki 300 mm'lik araçların yaklaşık dörtte üçünü yeniden kullanmayı beklediğini açıklamıştır. Platform makalesine göre SRAM sınama yongası 1,2 V gerilimde 2 GHz'in üzerinde çalışmıştır.
Süreçle üretilen ilk ürün NetBurst mikromimarisine dayanan ve Prescott kod adını taşıyan Pentium 4 işlemcisidir. Intel Ağustos 2002'de bu işlemcinin 2003'ün ikinci yarısında çıkacağını açıklamış, ancak ilk dört Prescott işlemcisini 2 Şubat 2004'te sunmuştur. Bu işlemciler 2,8 ile 3,4 GHz arasındaki hızlarda çalışır ve 1 MB ikinci düzey önbellek içerir. Pentium M ailesinin Dothan kod adlı 735, 745 ve 755 modelleri ise 10 Mayıs 2004'te çıkmıştır. Intel'e göre bunlar şirketin 90 nm süreciyle üretilen ilk mobil işlemcileridir ve 2 MB ikinci düzey önbellekle 21 W soğutma tasarım gücüne sahiptir.
IBM, 300 mm'lik fabrikasında 90 nm seri üretimine başladığını Şubat 2004'te duyurmuştur. Şirketin bu süreçte ürettiği ilk yonga, Apple'ın Xserve G5 sunucusunda kullanacağını açıkladığı 64 bitlik PowerPC 970FX işlemcisidir. Real World Technologies'in ISSCC 2005 değerlendirmesine göre PowerPC 970FX'in yongası 62 mm² iken IBM'in 90 nm yalıtkan üzeri silisyum süreciyle üretilen Cell işlemcisinin ilk örneği 221 mm²'lik bir alan kaplar.
AMD, 17 Ağustos 2004'te 90 nm'ye geçişin sorunsuz sürdüğünü ve ince ve hafif dizüstü bilgisayarlar için düşük güçlü 90 nm mobil Athlon 64 işlemcilerinin sevkiyatına başladığını açıklamıştır. Şirkete göre geçiş, çift çekirdekli 90 nm ürünlerini ertesi yılın ortasında sunma planıyla uyumlu biçimde ilerlemekteydi.
IBM'in Microsoft için tasarladığı Xbox 360 işlemcisi, Ekim 2005'te hem IBM'in East Fishkill fabrikasında hem de Singapur'daki Chartered Semiconductor Manufacturing'de üretilmekteydi. 165 milyon transistör içeren yonga, IBM'in 90 nm yalıtkan üzeri silisyum süreciyle üretilir ve 3,2 GHz'te çalışan üç PowerPC çekirdeği içerir.
TSMC
TSMC, Nexsys adını verdiği 90 nm sürecinde seri üretime 2004'ün üçüncü çeyreğinde başlamış ve 90 nm ürün teslim ettiği şirketler arasında Altera ile Qualcomm'u saymıştır. Şirkete göre süreç, kendi 0,13 mikronluk sürecine göre iki kat kapı yoğunluğu, %35 daha yüksek hız, %60 daha düşük etkin güç ve bağlantılarda %20 daha iyi direnç-sığa gecikmesi sağlar. Şirket 2005 için Fab 12 ve Fab 14'te büyük bir kapasite artışı planlamıştır.
Öteki üreticiler
Fujitsu, Tokyo yakınındaki Akiruno Teknoloji Merkezi'nde Aralık 2002'de 90 nm üretimine başlamış ve süreci önce kendi yüksek hızlı ürünlerinde kullanmıştır. Şirket Ocak 2003'ten itibaren 90 nm ürünleri hem kendi birimlerine hem dış müşterilere sevk etmiştir. Temmuz 2003'te duyurulan CS101 ailesinde milimetrekare başına 420.000 kapı yoğunluğuna, yonga başına 100 milyon kapıya ve 1,14 µm²'lik SRAM hücresine ulaşılmıştır.
Texas Instruments 90 nm sürecini Şubat 2002'de tanıtmıştır. Şirket standart, düşük güçlü ve yüksek başarımlı uygulamalar için 60, 70 ve 37 nm olmak üzere üç ayrı kapı uzunluğu sunmayı, en kısa kapıyı 1,3 nm'lik kapı oksidiyle birleştirmeyi ve süreci 2003'ün üçüncü çeyreğinde seri üretime hazır hâle getirmeyi planlamıştır. Şirket 2004'ten itibaren seri üretimi Dallas'taki 300 mm'lik DMOS6 fabrikasında yapmayı öngörmüştür.
Toshiba ile Sony, 90 nm ve 65 nm CMOS süreçlerini Mayıs 2001'den itibaren birlikte geliştirmiştir. Toshiba Aralık 2002'de, piyasadaki sistem yongalarının 130 nm süreçleriyle üretildiğini ve kendisinin 90 nm'de gömülü DRAM içeren sistem yongalarını seri üretebilen tek şirket olduğunu belirtmiştir.
Yayımlanan ölçüler
90 nm süreciyle üretilmiş 16 megabitlik bir SRAM yongasındaki (Mikron 1663RU1) bellek hücreleri. Hücre alanı 1,2 µm²'dir.
Çizelgedeki değerler üreticilerin kendi yayımlarından derlenmiştir ve farklı koşullarda ölçülmüştür; doğrudan sıralama için kullanılmamalıdır.
Intel'in yüksek eşik gerilimli transistörleri, mikrometre başına 40 nA'lık kapalı durum sızıntısında n kanallı transistör için 1,26 mA/µm, p kanallı transistör için 0,63 mA/µm sürme akımına ulaşmıştır; düşük eşik gerilimli transistörler on kat daha fazla sızıntıyla %15 daha yüksek akım sağlar. Seri üretime alınan sürümde p kanallı transistörün sürme akımı 1,2 V'ta 700 µA/µm'ye çıkmıştır.
Güç ve ısı sorunları
AnandTech'in değerlendirmesine göre Intel 90 nm'ye geçmiş ama belirgin biçimde daha serin bir yonga üretmemiştir. Prescott'un tam sayı boru hattı 20 aşamadan 31 aşamaya uzatılmış, transistör sayısı 130 nm'lik Northwood'daki 55 milyondan 125 milyona çıkmıştır. Yonga alanı 131 mm²'den 112 mm²'ye inmiş, çekirdek gerilimi ise 1,50 V'tan 1,385 V'a düşmüştür. The Register, Prescott'un 130 nm'lik öncülünden daha fazla güç tükettiğini, aynı süreçle üretilen Dothan'ın ise yonga alanı yaklaşık iki katına çıktığı hâlde 130 nm'lik Pentium M'lerden daha az güç tükettiğini yazmıştır.
Intel 7 Mayıs 2004'te, Pentium 4'ün ardılı olacak Tejas ile Xeon ailesine yönelik Jayhawk işlemcilerini iptal ettiğini açıklamıştır. Analistler bu kararı, Intel'in yongalarının ürettiği ısının büyüyen sorununu aşma çabası olarak değerlendirmiştir. Şirket iptal edilen işlemcilerin yerine 2005'te masaüstü ve dizüstü bilgisayarlar için çift çekirdekli işlemciler sunmayı planlamıştır. Reuters'a göre bu karar, yonga sektörünün ham saat hızını artırmaya odaklanan yaklaşımından bir kopuşu gösteriyordu.
Kullanım
PlayStation 3'ün 90 nm süreciyle üretilen Cell işlemcisinin çizimi. Isı dağıtıcısı kaldırılarak altındaki yonga gösterilmiştir.
Kuşağın başlıca ürünleri arasında Intel'in Prescott çekirdekli Pentium 4 ve Dothan çekirdekli Pentium M işlemcileri, AMD'nin 90 nm Athlon 64 işlemcileri, IBM'in PowerPC 970FX işlemcisi, Xbox 360 işlemcisi ve Cell işlemcisi vardır. Real World Technologies, Cell'in bir sonraki PlayStation kuşağında kullanılacağını ve yonganın maliyetinin 65 nm'ye geçişle düşebileceğini yazmıştır. Döküm üreticilerinin 90 nm süreçleri ise FPGA ve iletişim yongaları gibi ürünlerde kullanılmıştır; Altera, Stratix II FPGA ailesini TSMC'nin 90 nm süreciyle üretmiş ve ailenin altı üyesinin 2004 sonuna kadar üretime onaylanmasını beklemiştir.
12Bohr, Mark (2007). "A 30 year retrospective on Dennard's MOSFET scaling paper". IEEE Solid-State Circuits Society Newsletter. 12 (1). ss.11-13. doi:10.1109/N-SSC.2007.4785534.
123"Intel scraps new desktop, server chips" (İngilizce). NBC News (Reuters). 7 Mayıs 2004. Erişim tarihi: 27 Eylül 2026.Arşivlenmesi gereken bağlantıya sahip kaynak şablonu içeren maddeler (link)
12Wang, David T. (10 Şubat 2005). "ISSCC 2005: The CELL Microprocessor" (İngilizce). Real World Technologies. Erişim tarihi: 27 Eylül 2026.Arşivlenmesi gereken bağlantıya sahip kaynak şablonu içeren maddeler (link)
↑Wang, David T. (10 Şubat 2005). "ISSCC 2005: The CELL Microprocessor (s. 5)" (İngilizce). Real World Technologies. Erişim tarihi: 27 Eylül 2026.Arşivlenmesi gereken bağlantıya sahip kaynak şablonu içeren maddeler (link)
