Neue Materialien für Fenster der nächsten Generation
In den letzten zwei Jahrzehnten hat die Miniaturisierung der Siliziumtransistorabmessungen die Elektronikrevolution vorangetrieben, wobei man Transistoren in Nanometergrößen fertigte. Verkleinert man komplementäre Metalloxidhalbleiter jedoch über einen bestimmten Punkt hinaus, scheinen Zuverlässigkeitsprobleme zuzunehmen. Um die Beschränkungen von Silizium zu überwinden, sind neue Kanalmaterialien mit hohen Trägergeschwindigkeiten erforderlich. Aus den Halbleitermaterialien der Gruppe III-V können aufgrund ihrer sehr viel höheren Elektronenbeweglichkeit als bei Silizium kleinere und schnellere Transistoren erschaffen werden. Im Rahmen von CONAT (Conduction mechanisms in advanced MOS technologies) gelang den Wissenschaftlern eine deutliche Verbesserung des Verständnisses für Leitungs- und Verschlechterungsmechanismen neuer Transistorstrukturen auf Grundlage der Verwendung von Indiumgalliumarsenid (InGaAs) als Substrat. Fehler und andere Zuverlässigkeitsprobleme verhinderten bisher den Sprung dieser Verbindungshalbleiter zu den Konsumgütern. Schwerpunkt waren Transistorstrukturen aus einer isolierenden Oxidschicht, die sich auf der Oberseite des InGaAs befindet, wobei die oberste Schicht das Metall-Gate bildet. Die Wissenschaftler wählten ein Dielektrikum mit hoher elektrischer Leitfähigkeit (κ), um das häufig verwendete Gate-Oxidmaterial Siliziumdioxid zu ersetzen. Die Projektresultate demonstrierten, dass die Defekte im Zusammenhang mit dem InGaAs-Substrat eine Schlüsselrolle für die Verschlechterungseigenschaften der Transistorstruktur spielen. Außerdem stellten die Wissenschaftler fest, dass Verbesserungen an der Hoch-κ-Dielektrikum/InGaAs-Grenzfläche nicht unbedingt die Zuverlässigkeit der MOS-Struktur verbessern. Ein weiterer Schlüsselbereich der Studie war der Gate-Oxid-Breakdown, für den das CONAT-Team physikalische Modelle entwickelte, um diesen Fehlermechanismus in Hoch-κ/III-V-Transistorstrukturen erfolgreich zu simulieren. Dem Team gelang die Steuerung der Breakdown-Wachstumsrate von einer Anzahl von Gate-Dielektrika, wobei eine korrekte Kombination aus Spannung-, Dicke und Wärmeleitfähigkeitswerten gewählt wurde. Diese Anstrengungen zielten auf eine maßgebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit von CMOS-Schaltkreisen ab. Mittels eines spektroskopischen Verfahrens untersuchten Wissenschaftler die Post-Breakdown-Eigenschaften von MOS-Strukturen, die aus verschiedenen Oxidhalbleiter-Grenzflächen bestehen. Die in den Aluminiumoxid-InGaAs- und Siliziumdioxid-Silizium-Grenzflächen-Mikrostrukturen beobachteten Unterschiede unter Einfluss positiver und negativer Spannungen wurden ausreichend erklärt. Projektresultate und Erkenntnisse treiben nun das bessere Verständnis von Verschlechterungs- und Breakdownmechanismen von III-V-CMOS-Technologie an, damit auch weiterhin die Nachfrage nach steigender Transistorleistung befriedigt werden kann.
Schlüsselbegriffe
Transistoren, Silizium, III-V-Halbleiter, CMOS, komplementärer Metalloxidhalbleiter, Elektronenbeweglichkeit, Indiumgalliumarsenid
