Glossar: 90nm Strained Silicon Prozess (Fortsetzung)

Der Silizium-Einkristall auf dem Halbleiterbauelemente gefertigt werden, besteht aus hochreinem Silizium, bei dem ohne Unterbrechungen jedes Siliziumatom mit vier anderen Siliziumatomen über seine Elektronen verbunden ist. Ersetzt man nun einige der Siliziumatome gezielt durch Germaniumatome, dehnt sich das Kristallgitter, da Germanium größer ist als Silizium und eine größere sog. Gitterkonstante, also Abstand zwischen Atomen, besitzt.

       
Quelle: IBM

Fügt man nun ein Siliziumgitter mit einem Silizium-Germaniumgitter zusammen, muss sich das Siliziumgitter (da es den kleineren Abstand zwischen den Atomen hat) dehnen, damit alle Bindungen aneinander passen. Dabei wird das Siliziumgitter gedehnt und man erreicht den gewünschten Effekt. Beim Prescott wird der Kanal auf diese Weise gedehnt, indem Germanium in Source und Drain der Transistoren implantiert wird und somit das Siliziumgitter des Kanals von beiden Seiten von einem Silizium-Germaniumgitter auseinander gezogen wird.

Der Verkleinerungseffekt hat natürlich auch seine unerwünschten Seiten, da verkleinerte Strukturen auch verkleinerte Betriebsspannungen bedeuten, auf der anderen Seite aber auch das schwächste Element eines MOSFETs, nämlich die Gateisolierung, weiter verkleinert wird. MOSFETs sind, wie schon weiter oben erwähnt, gesteuert vom elektrischen Feld am Gate. Das elektrische Feld ist proportional zum Quotienten aus Gatespannung und Dicke des Gates. Wenn also die Spannung kleiner wird, muss auch der Isolator dünner werden. Beim heutigen Stand der Technik besteht dieses Dielektrikum immer noch aus Siliziumdioxid, einer Verbindung aus Silizium und Sauerstoff.

Quelle: Process Specialties

Diese Oxidschicht ist beim Prescott lediglich noch 3-5 Atomlagen dick, das entspricht rund 1,2 nm! Man kann sich leicht vorstellen, dass diese Schicht zwar isoliert, aber doch nicht unüberwindlich für Elektronen ist. Das bedeutet, dass diese zwischen Kanal und Gate "durchtunneln" können, was nicht unerhebliche Leckströme nach sich ziehen kann.

Trotzdem scheint Intel diesen kritischen Herstellungsschritt so weit in den Griff bekommen zu haben, dass es den Betrieb nicht entscheidend stört. Jüngste Veröffentlichungen zeigen sogar, dass Siliziumdioxid noch für die nächste Generation mit 65 nm Strukturgrößen geeignet ist.

Dennoch ist es absehbar, dass bei weiterer Verkleinerung Siliziumdioxid als Isolator nicht mehr ausreichen wird. Ein ganzes Forscherheer arbeitet derzeit daran, Ersatzstoffe zu finden, die aufgrund besserer Eigenschaften und einer größeren Dielekrizitätskonstante größere Schichtdicken zulassen sollen. Objekte der Forschung sind z.B. Hafniumoxid oder Praseodymoxid. Beide könnte man rund fünf- bis zehnmal so dick auftragen ohne die elektrischen Eigenschaften des Transistors zu verändern.