Halbleitertechnologie von A bis Z

Bisher kommt in der Halbleiterfertigung meist eine dünne Schicht Siliciumdioxid als Isolator zwischen Transistorkanal und Gateelektrode zum Einsatz, das Gateoxid. Auf Grund der fortschreitenden Miniaturisierung wird jedoch auch das Gateoxid immer dünner, so sind nicht nur schnellere Schaltungen möglich, auch die Leistungsaufnahme wird verringert.

Durch die immer geringeren Schichtdicken können jedoch Tunneleffekte und Leckströme auftreten, so dass die isolierende Wirkung der Schicht minimiert wird oder vollständig verloren geht. Um dem entgegenzuwirken, werden neuartige Materialien erforscht, die als Alternative zu Siliciumdioxid eingesetzt werden können.

Die Kapazität C eines Kondensators berechnet sich nach:

$$C=\frac{\epsilon_0\epsilon_rA}{d}$$

Dabei steht d für die Dicke des Dielektrikums, A für die Kondensatorfläche, ε₀ für die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und ε_r (im Englischen häufig κ (Kappa) bzw. vereinfacht k) für die Dielektrizitätszahl des Isolators.

Hieraus ergibt sich, dass die Schichtdicke des Dielektrikums bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden kann, wenn auch die Permittivität ε_r erhöht wird. Man benötigt also Dielektrika mit hohem ε_r: high-k.

Während das klassische Dielektrikum, SiO₂, ein ε_r von ca. 4 aufweist, haben High-k-Dielektrika wie Hafnium- oder Zirkoniumoxid ein ε_r von 25, Titanoxid sogar bis 80. Hergestellt werden Schichten aus diesen Materialien üblicherweise in PVD-, CVD- oder ALD-Prozessen.