ALD von Nano-Schichten auf Silizium Nanodrähten

Um dem Moore`schen Gesetz der Mikroelektronik Folge leisten zu können, müssen die Abmessungen der elektronischen Bauelemente jeder neuen Technologiegeneration deutlich kleiner sein als die der Vorgängergeneration. Nach mehr als dreißig Jahren Forschung und Entwicklung liegen daher die kritischen Abmessungen eines einzelnen MOS-Transistors heute im Bereich einiger Zehntel Nanometer. Die fortwährende Verkleinerung der Bauelemente, erfordert eine ebenso fortwährende Reduzierung der kritischen Schichtdicken, die mittlerweile bereits im Bereich einiger Monolagen liegen. Damit nimmt der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächen, sowie der Grenzflächen dieser Schichten mehr und mehr zu, was dazu führt, dass diese die elektrischen Eigenschaften der fertigen Bauelemente dramatisch beeinflussen. Das Materialsystem Polysilizium/ Siliziumdioxid/Silizium, welches den überragenden Erfolg der MOS- und später der CMOS- Technologie in den letzten Jahrzehnten ermöglicht hat, scheint sich innerhalb der nächsten zwei bis drei Technologiegenerationen dem Ende zuzuneigen, da der quantenmechanisch bedingte Anteil des Leckstroms die für jede Transistorfunktion tolerierbaren Werte übersteigen wird. Um dieses Hauptproblem der zukünftigen Bauelement-Skalierung zu meistern, wird die CMOS-Planartechnik nicht darum herumkommen, sowohl neue Materialien und als auch neue Prozesstechnologien zu integrieren. Aus diesem Grund suchen die Forschungs-, und Entwicklungsabteilungen beharrlich nach neuen Materialien, die dazu geeignet sind, sowohl das Siliziumdioxid-Gatedielektrikum, als auch das Polysilizium-Gate, zu ersetzen. Abgesehen von der Materialfrage, spielt hierbei der Abscheideprozess dieser nur einige wenige Nanometer dicken Schichten eine entscheidende Rolle. Hier hat sich das Verfahren der Atomic-Layer-Deposition (ALD) als best geeignetes Verfahren herauskristallisiert. Da die Grundkörper herkömmlicher Transistoren immer mehr zu quasi- eindimensionalen Strukturen werden, erscheint darüber hinaus die Verwendung von Nano-Strukturen in Form von Nanodrähten eine logische Alternative. Durch die Kombination beider Ansätze, Silizium-Nanodrähte für den Bauelementkörper und ALD-Schichten für den Gate-Stack, erscheint die Realisierung eines einzigartigen Bauelements mit Abmessungen im Bereich einiger Nanometer möglich. Im Sinne dieser Konzeption ist das Ziel dieses Projektes, nanoskalierte ALD-Schichten direkt auf Silizium- Nanodrähten aufzubringen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Schichtsysteme im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit in elektronischen Bauelementen zu untersuchen. Dabei soll auf Basis der Materialparameter und der elektrischen Eigenschaften ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten ultra- dünner Dielektrika auf Silizium-Nanodrähten, sowie für Metallschichten zur elektrischen Kontaktierung solcher Systeme erarbeitet werden. Um dies zu erreichen sollen eigene Testmodule entwickelt werden, die es ermöglichen, die morphologischen-, physikalisch-chemischen-, und elektrischen Eigenschaften zu analysieren. Hierzu werden ultra-dünne (einige wenige Nanometer dicke) dielektrische Schichten (Al 2 O3 , HfO 2 , ZrO2 , und seltene-Erd- Metall-Oxide) durch ALD auf Silizium-Nanodrähten abgeschieden. Auf diesen werden anschließend metallische Kontaktfelder (TiN, W und Pt) erzeugt, die eine elektrische Charakterisierung ermöglichen. Um die thermodynamische Stabilität zu untersuchen, werden die jeweiligen Materialsysteme verschiedenen thermischen Prozeßschritten unterworfen und anschließend durch umfangreiche qualitative und quantitative physikalisch- chemische und elektrische Charakterisierungsmethoden untersucht, wobei auch auf nationale und internationale Kooperationen in den Bereichen Prozessierung und Charakterisierung zurückgegriffen werden wird, was die Vernetzung von Forschungseinrichtungen auf nationaler wie auch auf internationaler Ebene vorantreiben wird. Auf Basis eines detaillierten Arbeitsplans wird eine Serie von Materialkombinationen sukzessive prozessiert und evaluiert werden, um drei Hauptziele zu erreichen: (i) Eine umfassende Studie über die Grundlagen von ALD- nanoskalierten-Dünnfilm/Silizium-Nanodraht-Grenzflächen, (ii) eine Adaptierung der elektrischen Messtechnik an das Nanometer-Regime, sowie (iii) eine vergleichende Bewertung kompatibler Materialsysteme für die Anwendung in der zukünftigen Nanoelektronik.

Um dem Moore`schen Gesetz der Mikroelektronik Folge leisten zu können, müssen die Abmessungen der elektronischen Bauelemente jeder neuen Technologiegeneration deutlich kleiner sein als die der Vorgängergeneration. Nach mehr als dreißig Jahren Forschung und Entwicklung liegen daher die kritischen Abmessungen eines einzelnen MOS-Transistors heute im Bereich einiger Zehntel Nanometer. Die fortwährende Verkleinerung der Bauelemente, erfordert eine ebenso fortwährende Reduzierung der kritischen Schichtdicken, die mittlerweile bereits im Bereich einiger Monolagen liegen. Damit nimmt der Einfluss der physikalisch-chemischen Eigenschaften der Oberflächen, sowie der Grenzflächen dieser Schichten mehr und mehr zu, was dazu führt, dass diese die elektrischen Eigenschaften der fertigen Bauelemente dramatisch beeinflussen. Das Materialsystem Polysilizium/ Siliziumdioxid/Silizium, welches den überragenden Erfolg der MOS- und später der CMOS- Technologie in den letzten Jahrzehnten ermöglicht hat, scheint sich innerhalb der nächsten zwei bis drei Technologiegenerationen dem Ende zuzuneigen, da der quantenmechanisch bedingte Anteil des Leckstroms die für jede Transistorfunktion tolerierbaren Werte übersteigen wird. Um dieses Hauptproblem der zukünftigen Bauelement-Skalierung zu meistern, wird die CMOS-Planartechnik nicht darum herumkommen, sowohl neue Materialien und als auch neue Prozesstechnologien zu integrieren. Aus diesem Grund suchen die Forschungs-, und Entwicklungsabteilungen beharrlich nach neuen Materialien, die dazu geeignet sind, sowohl das Siliziumdioxid-Gatedielektrikum, als auch das Polysilizium-Gate, zu ersetzen. Abgesehen von der Materialfrage, spielt hierbei der Abscheideprozess dieser nur einige wenige Nanometer dicken Schichten eine entscheidende Rolle. Hier hat sich das Verfahren der Atomic-Layer-Deposition (ALD) als best geeignetes Verfahren herauskristallisiert. Da die Grundkörper herkömmlicher Transistoren immer mehr zu quasi- eindimensionalen Strukturen werden, erscheint darüber hinaus die Verwendung von Nano-Strukturen in Form von Nanodrähten eine logische Alternative. Durch die Kombination beider Ansätze, Silizium-Nanodrähte für den Bauelementkörper und ALD-Schichten für den Gate-Stack, erscheint die Realisierung eines einzigartigen Bauelements mit Abmessungen im Bereich einiger Nanometer möglich. Im Sinne dieser Konzeption ist das Ziel dieses Projektes, nanoskalierte ALD-Schichten direkt auf Silizium- Nanodrähten aufzubringen und die physikalischen und chemischen Eigenschaften dieser Schichtsysteme im Hinblick auf ihre Anwendbarkeit in elektronischen Bauelementen zu untersuchen. Dabei soll auf Basis der Materialparameter und der elektrischen Eigenschaften ein grundlegendes Verständnis für das Verhalten ultra- dünner Dielektrika auf Silizium-Nanodrähten, sowie für Metallschichten zur elektrischen Kontaktierung solcher Systeme erarbeitet werden. Um dies zu erreichen sollen eigene Testmodule entwickelt werden, die es ermöglichen, die morphologischen-, physikalisch-chemischen-, und elektrischen Eigenschaften zu analysieren. Hierzu werden ultra-dünne (einige wenige Nanometer dicke) dielektrische Schichten (Al 2 O3 , HfO 2 , ZrO2 , und seltene-Erd- Metall-Oxide) durch ALD auf Silizium-Nanodrähten abgeschieden. Auf diesen werden anschließend metallische Kontaktfelder (TiN, W und Pt) erzeugt, die eine elektrische Charakterisierung ermöglichen. Um die thermodynamische Stabilität zu untersuchen, werden die jeweiligen Materialsysteme verschiedenen thermischen Prozeßschritten unterworfen und anschließend durch umfangreiche qualitative und quantitative physikalisch- chemische und elektrische Charakterisierungsmethoden untersucht, wobei auch auf nationale und internationale Kooperationen in den Bereichen Prozessierung und Charakterisierung zurückgegriffen werden wird, was die Vernetzung von Forschungseinrichtungen auf nationaler wie auch auf internationaler Ebene vorantreiben wird. Auf Basis eines detaillierten Arbeitsplans wird eine Serie von Materialkombinationen sukzessive prozessiert und evaluiert werden, um drei Hauptziele zu erreichen: (i) Eine umfassende Studie über die Grundlagen von ALD- nanoskalierten-Dünnfilm/Silizium-Nanodraht-Grenzflächen, (ii) eine Adaptierung der elektrischen Messtechnik an das Nanometer-Regime, sowie (iii) eine vergleichende Bewertung kompatibler Materialsysteme für die Anwendung in der zukünftigen Nanoelektronik.