Quantensprung bei der Miniaturisierung von Logik- und Speicherbausteinen

Redakteur: Kristin Rinortner

Silizium-Transistoren lassen sich nicht mehr verkleinern. Deswegen suchen Forscher nach alternativen Werkstoffen. 2D-Materialien scheinen das Potenzial zur Skalierung zu haben. Wissenschaftler des IMEC haben jetzt Nano-Transistoren auf MoSi2-Basis mit guter Leistungsfähigkeit hergestellt, die tauglich für die Massenproduktion sind.

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2D-Transistoren: Drei Monolayer eines MoS2-Kanals in einem 2D-FET mit einer Kontaktlänge von 13 nm und einer Kanallänge von 29 nm im TEM-Bild.
2D-Transistoren: Drei Monolayer eines MoS2-Kanals in einem 2D-FET mit einer Kontaktlänge von 13 nm und einer Kanallänge von 29 nm im TEM-Bild.
(Bild: IMEC)

Die Miniaturisierung von Silizium-Transistoren endet bei einer Größe von 5 nm. Bei kleineren Strukturen treten quantenmechanische Effekte (Tunneleffekte) auf, die die Funktionen stören. Deswegen untersuchen verschiedene Forschergruppen alternative Werkstoffe wie Kohlenstoff-Nanoröhren, Graphen und Übergangsmetall-Dichalkogenide (ÜMD), um Feldeffekt-Transistoren (FET) mit einer Größe unter 5 nm zu realisieren.

Diese alternativen Werkstoffe werden als zweidimensionale (2D) Materialien bezeichnet, da sie nur aus einer Atomlage bestehen. Durch ihre Zweidimensionalität (es befinden sich also quasi alle Atome an der Oberfläche), ihre elektronische Struktur, mechanische Flexibilität und spezifische Defekt-Ausbildung sowie ihre elektronischen und optischen Eigenschaften verhalten sich 2D-Werkstoffe im Vergleich zu Volumenmaterialien grundlegend anders. Das eröffnet neue Möglichkeiten bei der Miniaturisierung und Verbesserung der Leistungsdaten von Transistoren.

2D-Transistoren auf Basis von MoS2 zeigen bisher beste Chip-Performance

Auch aus dem Übergangsmetall-Dichalkogenid Molybdändisulfid (MoS2) lassen sich stabile, quasi zweidimensionale Kristalle ähnlich denen des Graphens herstellen, die dessen Eigenschaften noch ergänzen. Das IMEC hat auf der diesjährigen IEDE (International Electron Devices Meeting) in San Francisco Untersuchungen vorgestellt, die zeigen, wie mit MoS2 die Strukturen von Feldeffekt-Transistoren extrem verkleinert werden können ohne Einbußen bei der Leistung.

„Wir haben die Miniaturisierung von Transistoren auf Basis von 2D-Materialien ein gutes Stück vorangetrieben und ich bin mir sicher, dass uns die Massenproduktion in 300-mm-Fabs gelingt”, erklärt IMEC-CEO Professor Luc Van den hove.

Die Wissenschaftler haben Molybdändisulfid in einer Monoschicht mit einer Dicke von 0,6 nm sowie Strukturen mit einer Kontakt- und Kanallänge von 13 nm bzw. 30 nm hergestellt. Damit ist es den Herstellern eigenen Angaben zufolge erstmals gelungen, miniaturisierte 2D-Transistoren herzustellen, die eine verringerte Dicke des Gate-Oxids und einen hohen Wert für das K-Dielektrikum kombinieren.

2D-Materialien: Was ist möglich für Logik- und Speichertransistoren?

An diesen Transistoren sind umfassende Grundlagenuntersuchungen und die Kalibrierung von TCAD-Modellen möglich. Ein kalibriertes TCAD-Modell wird verwendet, um die Parameter des Bausteins im Prozess zu verbessen. Die Ergebnisse unterstreichen das Potenzial von 2D-Werkstoffen für eine extreme Transistorskalierung – sowohl für Logik- als auch für Speicheranwendungen.

Theoretische Studien empfehlen 2D-Werkstoffe als Kanalwerkstoff für die Minituarisierung von Transistoren, da nur wenige Störungen, sogenannte short channel effects (Kanallängenmodulation), erwartet werden. Hinweise auf dieses Potenzial demonstrierten die Wissenschaftler bereits mit 2D-Transistoren, die auf natürlich expandierten Flakes (Schichten) aus 2D-Materialien basieren.

Zum ersten Mal haben die Forscher am IMEC diese theoretischen Erkenntnisse durch einen umfassenden Satz von Transistoren aus 2D-Werkstoffen getestet. Die Bausteine haben eine Kanallänge von 30 nm und einen Kontaktabstand <50 nm. Ein Betriebsstrom von 250 µA/µm wurde mit einem 50 nm messenden SiO2-Gate-Dielektrikum nachgewiesen. Ein Strom von ~100 µA/µm und ein Subtreshold-Swing-Wert (Abschaltbereich) SSmin von 80 mV/dec (für UD = 50 mV) wurden mit 4 nm messenden HfO2 in einer Backgate-Konfiguration erzielt.

Die Leistungsfähigkeit der Bausteine wird durch die Skalierung der Kontaktlänge nicht beeinträchtigt, was bestätigt, dass die Ladungsträger entsprechend den TCAD-Simulationen über das Kontaktmetall direkt in den Kanal eingekoppelt werden.

2D-MOSFETs mit Werten von Silizium-Transistoren

Die Analysen bestätigen, dass TCAD-Modelle große Bereiche der Bauelementephysik erfassen und die experimentelle Validierung der Anwendungen vorantreiben. Ein Teil der Untersuchungen, die auf der Konferenz in San Francisco vorgestellt wurden, beschäftigt sich mit der Realisierung von Bausteinen, die ähnliche Werte wie Silizium-Transistoren erreichen.

„Obwohl wir noch eine Größenordnung von Silizium-Transistoren entfernt sind, haben wir unsere MOSFETs in einen Bereich gebracht, in dem sie vielversprechendes Potenzial für künftige Logik- und Speicheranwendungen zeigen֧“, so Iuliana Radu, Direktorin Forschung und Quanten-Computing am IMEC.

„Um auf das Niveau von Silizium-Transistoren zu kommen, haben wir einen Weg für systematische Verbesserungen ermittelt: eine weitere Reduktion der Gateoxid-Dicke, die Implementierung einer Doppel-Gate-Architektur und eine weitere Reduktion von Kanal- und Interface-Defekten. Wir transferieren diese Erkenntnisse auf unsere 300-mm-Wafer-Plattform für Transistoren mit 2D-Werkstoffen, die auf der letztjährigen IEDM angekündigt wurde.“

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