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News: Neue Nichtleiter für zukünftige Chips

Um die Entwicklung und Herstellung künftiger Generationen leistungsfähiger integrierter Schaltkreise zu beschleunigen, schufen Wissenschaftler neue Materialien, die als Isolatoren für Halbleiterbauelemente außergewöhnlich vielversprechend sind. Mit einem neuen Testprogramm überprüften sie 120 000 Stoffkombinationen auf ihre Eignung hin.
In der Ausgabe vom 12. März 1998 der Zeitschrift Nature berichten Bruce van Dover, Lynn Schneemeyer und Robert Fleming von den Bell Laboratories, daß sie einen isolierenden Film aus Zirkonium-, Zinn- und Titanoxiden hergestellt haben, der offenbar mit herkömmlichen Halbleiterproduktionstechniken kompatibel ist. Sein spezifischer Widerstand ist allerdings siebenmal größer als bei konventionellen Siliziumdioxidfilme, die als Isolatoren in den heutigen Chips zu finden sind.

"Siliziumdioxid stößt an die Grenzen seiner Leistungsfähigkeit, wenn die Strukturgrößen der Halbleiter unter 0,10 Mikrometer schrumpfen – eine Größe, die laut Prognose der Semiconductor Industry Association in etwa acht Jahren erreicht wird", sagte Mark Pinto, leitender technischer Verantwortlicher bei Lucent Technologies, zu denen die Bell Laboratories gehören. "Wissenschaftler der Bell Laboratories arbeiten gegenwärtig daran, Materialien zu entwickeln, die in puncto Leistung den Herausforderungen entsprechen, die sich durch diese künftigen Konstruktionsmethoden ergeben, aber gleichzeitig mit bestehenden Techniken zur industriellen Halbleiterproduktion kompatibel sind."

In ihrem Artikel beschreiben die Forscher eine neuartige Herangehensweise bei der Suche nach neuen Materialien. Sie wird als continuous composition spread (CCS) bezeichnet und ermöglicht die gleichzeitige Produktion Tausender Proben. Jede einzelne weicht in ihrer Zusammensetzung ein wenig von der vorhergehenden ab. Automatische Messungen der elektrischen Eigenschaften und des Leckstroms gestatten es, schnell jene Proben ausfindig zu machen, die eine optimale Leistung erbringen.

In einer Zeitspanne von drei Monaten beurteilten die Wissenschaftler ungefähr 120 000 Zusammensetzungen unter Verwendung einer Vielzahl metallischer Elemente. Dabei fanden sie heraus, daß sogar kleinste Veränderungen in der chemischen Komposition die Isolierungseffektivität beträchtlich verbessern können. Wären sie dagegen auf herkömmliche Techniken angewiesen gewesen, mit deren Hilfe sie täglich eine Probe hätten produzieren und beurteilen können, so hätten sie für die gleiche Anzahl an Tests mehr als 300 Jahre gebraucht.

"Werkstoffwissenschaftler entwickeln zur Zeit Methoden, die mit denen als kombinatorische Chemie bezeichneten Techniken verwandt sind, welche wiederum Wissenschaftler der Biologie und Pharmazie angewandt haben, um eine große Bandbreite an Molekülen und organischen Verbindungen zu synthetisieren", erklärte van Dover. "Unsere Technik der ununterbrochenen Herstellung und Analyse veränderter Zusammensetzungen eignet sich besonders gut, um amorphe und metastabile Nichtleiter zu schaffen. Sie kombiniert die Elemente, erstellt viele Kombinationen mit kleinsten Abweichungen und nutzt vollautomatisierte Methoden zur raschen Charakterisierung der Materialeigenschaften."

Zur Herstellung ihrer Filme, stellten die Forscher an den Rändern eines rechteckigen Siliziumwafers von 63 mm x 66 mm drei Zerstäubungspistolen auf – eine für jedes aufzustäubende metallische Element. Während des Bestäubens wurde Sauerstoff hinzugefügt, um den isolierenden Oxidfilm zu bilden. Die Menge eines jeden aufgestäubten Elementes veränderte sich mit dem Abstand von seiner Pistole, und so entstanden Filme mit unterschiedlichen Anteilen eines jeden Elementes auf der gesamten Oberfläche. Anschließend beurteilten die Wissenschaftler die elektrischen Eigenschaften der Filme, indem sie die Waferoberfläche mit Hilfe einer Quecksilbersonde vermaßen, die klein genug war, etwa 4 000 einzelne Punkte abzutasten.

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