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28.03.07 Hafniumoxid als Alternative zu Siliziumoxid in der Halbleiterindustrie

Hafniumoxid bringt den Durchbruch:
neuartige Verbindung für Prozessoren entwickelt

Dem Wunsch der Computerindustrie nach immer kleineren Transistoren steht die Wirklichkeit des Isoliermaterials gegenüber: Seit über 45 Jahren isoliert die Halbleiterindustrie Transistoren mit einer dünnen Schicht aus nicht-leitendem Siliziumdioxid (SiO2), bei dessen maximal möglicher Schichtdicke von rund 1,4 nm allerdings Leckströme auftreten können. Alternativen zu SiO2 fehlten. Einer Arbeitsgruppe unter der Leitung von Juniorprofessorin Dr. Anjana Devi am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II der "Ruhr Universität Bochum" ist es gelungen, einen metallorganischen Hafnium-Komplex zu entwickeln, aus dem Hafniumoxid (HfO2) gewonnen werden kann. Das freigesetzte Hafniumoxid lässt sich dicker auf Oberflächen auftragen und eignet sich besser zur Isolierung der Transistoren.

Abb.: Molekularstruktur des metallorganischen Ausgangsstoffes, aus dem Hafniumoxid gewonnen wird.
Quelle: RUB

Mit Hafniummolekülen zum Erfolg

Das Team der Arbeitsgruppe "Chemie anorganischer Materialien", zu dem Dr. Anjana Devi, Adrian Milanov, Malte Hellwig und Dr. Raghunandan Bhakta zählen, forscht bereits seit November 2002 an der Herstellung eines dielektrischen Stoffes, mit dem man Oberflächen von Elektronikbauteilen effektiver beschichten kann als mit Siliziumdioxid. Die AG entdeckte metallorganisches Hafniumoxid (HfO2), ein sogenanntes "High-k-Material", das man trotz der kleinen Transistoren-Oberflächen dicker auftragen kann als SiO2. Leckströme lassen sich so vermeiden. In einem industriellen Reaktor in Jülich nutzten sie die Beschichtungsverfahren CVD (Chemische Dampfabscheidung) und ALD (Atomlagenabscheidung), um dünne Schichten von HfO2 herzustellen. Sie erhitzten Hafniumkomplexe, um aus dem entstehenden Gas die Feststoffkomponente HfO2 zu gewinnen.

Abb.: In der Mitte ist die dünne Schicht des Hafniumoxids zu sehen.
Quelle: RUB

Erfinderpreis und internationales Renommee

Mit ihren Forschungsergebnissen verschaffte sich die AG national und international Gehör: Sie gewann den Erfinderwettbewerb 2005 der RUB, den die RUBITEC (Gesellschaft für Innovation und Technologie der RUB) seit 2003 ausschreibt. Zusammen mit ihr hat sie die Entdeckung 2006 zum Patent angemeldet. Renommierte internationale Zeitschriften wie das "Journal of the Electrochemical Society" und das "Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology" haben im Januar 2007 über die neue Methode zur Hafniumoxid-Gewinnung berichtet. Bei ihren neuesten Prozessoren setzen die Computerfirmen Intel und IBM bereits HfO2 als dielektrisches Oxid zur Beschichtung von Oberflächen ein und erreichen Transistorengrößen von gerade einmal 45 nm. Auf einem Prozessor findet damit rund eine Milliarde Transistoren Platz.

Quelle:

Thin Films of HfO2 for High-k Gate Oxide Applications from Engineered Alkoxide- and Amide-Based MOCVD Precursors
R. Thomas et al., Journal of The Electrochemical Society 2007. DOI: 10.1149/1.2431324

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Hafniumoxid als Alternative zu Siliziumoxid in der Halbleiterindustrie
(URL: http://www.organische-chemie.ch/chemie/2007mae/hafniumoxid.shtm)

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