Von Silizium zum Germanium?
Die Herstellung von NMOS-Transistoren auf Germanium-Basis mit einem technologisch interessanten Integrationsgrad scheint möglich.
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Die Herstellung von NMOS-Transistoren auf Germanium-Basis mit einem technologisch interessanten Integrationsgrad scheint möglich.
Die Verwendung von Germanium als Grundmaterial für elektronische Schalter würde die Herstellung von schnelleren Chips mit einem höheren Integrationsgrad ermöglichen. Jedoch gibt es dabei noch eine Reihe von Problemen zu lösen. Bisher war es nicht möglich, auf Germanium-Basis einen bestimmten Typ von Transistoren (NMOS = n-type metal-oxide semiconductor) mit einem technologisch interessanten Integrationsgrad herzustellen. Zwei neuartige Verfahren, die Wissenschaftler aus dem FZD gemeinsam mit internationalen Kollegen erfolgreich einsetzten, schaffen hier Abhilfe.
Abb.: Die schematische Abbildung zeigt die Verwendung von Germanium in einem CMOS-(complementary metal oxide semiconductor)- Schaltkreis. Germanium wird hier nur in den Regionen von Quelle (Source), Senke (Drain) und Kanal (Channel) eingesetzt. Quelle und Senke enthalten eine sehr hohe Konzentration von Fremdatomen, die für Elektronenüberschuss (n+-Gebiete) bzw. -mangel (p+-Gebiete) sorgen. (Bild: FZD)
Mit Germanium und einigen anderen Halbleitern könnte man höhere Schaltgeschwindigkeiten als mit Silizium erreichen. Germanium ist besonders attraktiv, da es sich gut in existierende technologische Abläufe integrieren ließe. Es war das Grundmaterial der ersten Transistor-Generationen, bevor es Ende der 1960er Jahre von Silizium abgelöst wurde. Der Grund dafür waren die exzellenten elektronischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen dem Halbleiter Silizium und seinem passivierenden und isolierenden Oxid. Dieser Vorteil kann jedoch bei weiterer Verkleinerung der Transistoren im integrierten Schaltkreis nicht mehr genutzt werden, da dann das Oxid durch sogenannte high-k Materialien ersetzt werden muss. Damit stellt sich auch die Frage nach dem Grundmaterial neu.
Durch das Einbringen von Fremdatomen wird die Leitfähigkeit von Halbleitern gezielt verändert. Eine Möglichkeit bietet hier die Ionen-Implantation mit nachfolgender Wärmebehandlung bzw. Ausheilung. Während mit diesen Methoden p-Kanal-Transistoren (PMOS) auf Germanium-Basis mit Abmessungen hergestellt werden können, die einer zukünftigen 22-Nanometer-Technologie entsprechen, ist das für n-Kanal-Transistoren (NMOS) bisher noch nicht gelungen. Der Grund hierfür ist die starke räumliche Umverteilung der Phosphor-Fremdatome, die zur Herstellung der n+-Gebiete verwendet werden müssen.
Den Forschern ist es nun gelungen, nach der Ionen-Implantation von Phosphor in Germanium mit Hilfe einer speziellen Ausheil-Methode die Qualität des Germanium-Kristalls wiederherzustellen sowie gute elektrische Eigenschaften zu erzielen, ohne dass eine starke Umverteilung der Phosphor-Atome auftritt. Dazu wurde die Germanium-Probe mit einem kurzen Lichtblitz von nur wenigen Millisekunden Länge erhitzt. Dieser Zeitraum ist zu kurz für die sonst bei der Ausheilung beobachtete Diffusion der Phosphor-Atome. Die Lichtblitze werden in einer am FZD entwickelten Blitzlampen-Anlage erzeugt. Die Analyse der elektrischen und strukturellen Eigenschaften der Phosphor-dotierten Schichten im Germanium erfolgte in enger Zusammenarbeit mit dem belgischen Mikroelektronik-Forschungszentrum IMEC in Leuven und dem Dresdner Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien (CNT).
Eine alternative Methode zur Unterdrückung der Diffusion von Phosphor in Germanium untersucht ein internationales Team von Wissenschaftlern aus Deutschland, Dänemark und den USA. Nach der Ionen-Implantation von Phosphor in Germanium wird die Probe erhitzt und dann mit Protonen bestrahlt. Es zeigt sich, dass die Protonen-Bestrahlung zu einer Reduktion der Phosphor-Diffusion führt. Die Ergebnisse dieser Experimente werden mit dem Einfluss bestimmter Gitterdefekte (Zwischengitter-Atome) erklärt, die jene Gitterdefekte (Leerstellen), welche für die Beweglichkeit der Phosphor-Atome verantwortlich sind, vernichten.
Die Experimente zeigen, dass es möglich ist, auf Germanium-Basis n-Kanal-Transistoren (NMOS) herzustellen, deren Abmessungen dem fortgeschrittensten Integrationsgrad entsprechen.
Forschungszentrum Dresden - Rossendorf e.V./KP
Weitere Infos:
- H. Bracht, S. Schneider, J. N. Klug, C. Y. Liao, J. Lundsgaard Hansen, E. E. Haller, A. Nylandsted Larsen, D. Bougeard, M. Posselt, C. Wündisch: Interstitial-Mediated Diffusion in Germanium under Proton Irradiation. Physical Review Letters 103, 255501 (2009)
DOI:10.1103/PhysRevLett.103.255501 - Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung, Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD)
