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High-k-Dielektrikum



Als High-k-Dielektrikum wird in der Halbleitertechnologie ein Material bezeichnet, das eine höhere Dielektrizitätszahl aufweist als herkömmliches Siliziumdioxidr=3,9) oder Oxinitride (εr<6).

Die Bezeichnung „High-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Dielektrizitätszahl (relative Permittivität) {\varepsilon}_{r} häufig mit k oder κ (kappa) bezeichnet wird.

Gründe für den Einsatz von High-k-Dielektrika

Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern, beispielsweise den Stromverbrauch von hochintegrierten Schaltkreisen und Speichern zu verringern oder höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Strukturen verkleinert. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an die physikalischen Grenzen und ist mit höheren Verlustströmen durch quantenmechanische Effekte konfrontiert. So steigt der Tunnelstrom mit der Verringerung der Gatedielektrikumsdicke unter 2 nm stark an. Vor allem für die Speicherherstellung sind große Kapazitäten (zur Speicherung des Zustandes zwischen den Refreshzyklen) mit niedrigen Leckströmen (Verlustleistung) wichtig. Schaut man sich z. B. einen einfachen Plattenkondensator an, so berechnet sich die Kapazität C wie folgt:

C= \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r A}{d}

Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, {\varepsilon}_{0} die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und die Materialkonstante {\varepsilon}_{r} die relative Permittivität der Isolationsschicht.

Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres {\varepsilon}_{r}) die Dicke der Isolatorschicht in MIS-Strukturen (Durch SiO2 häufig auch MOS genannt) bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wobei Leckströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden.

Im Gegensatz dazu stehen die Low-k-Dielektrika, die als Isolator zwischen den Leitbahnen eingesetzt werden und durch ihre niedrige Dielektrizitätszahl die entstehenden parasitären Kapazitäten verringern.

Materialien

Es werden verschiedene Materialsysteme untersucht, wie amorphe Oxide von Metallen (z. B. Al2O3, Ta2O5) oder Übergangsmetallen (z. B. HfO2, ZrO2).

Einen weitergehenderen Ansatz stellen kristalline Oxide Seltener Erden (z. B. Pr2O3, Gd2O3 und Y2O3) dar, die gitterangepasstes Wachstum und somit eine perfekte Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator ermöglichen.

Literatur

  • G. D. Wilk, R. M. Wallace und J. M. Anthony; High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations; J. App. Phys. 89 (10): 5243-5275 (2001) [1] (guter Review-Artikel)
  • J. Robertson; High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors, Rep. Prog. Phys. 69, 327-396 (2006) [2]
 
Dieser Artikel basiert auf dem Artikel High-k-Dielektrikum aus der freien Enzyklopädie Wikipedia und steht unter der GNU-Lizenz für freie Dokumentation. In der Wikipedia ist eine Liste der Autoren verfügbar.
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