Schnellere Chips dank perfekter atomarer Verbindung

Forscher der Ohio State University entdecken "Schneepflugtechnik" wieder

Forscher der Ohio State University haben Materialdaten in Computersimulationen genutzt, um neue Einblicke in den Aufbau von atomaren Verbindungen zwischen Silizium und anderen Materialien zu erhalten. Dabei entdeckten sie in 15 Jahre alten Materialmustern mit Schichtstruktur auf Silizium, Germanium und Siliziumdioxid, dass diese dank der damals eingesetzten "Schneepflug"-Technik eine "anatomisch scharfe", also bis ins Atom perfekte Verbindung zwischen Germanium und Siliziumdioxid aufweisen.

"Halbleiter-Firmen haben erhebliche Anstrengungen unternommen, um die Schnittstelle so scharf wie möglich zu machen, ohne bisher die ultimative Obergrenze zu erreichen - während diese unerkannt für 15 Jahre in einem Muster in einer Kiste in der Ecke eines Labors von Oak Ridge bereits existierte", so Professor Wolfgang Windl, Materialforscher von der Ohio State University. Eine solche ideale Verbindung könne die Geschwindigkeit von Computer-Chips steigern und helfen, Silizium weiter auszureizen.

Möglich sei dies durch eine Schneepflug bzw. Snowplowing genannte Technik, bei der eine Inkompatibilität zwischen Atomen ausgenutzt wird, in diesem Fall zwischen Germanium und Sauerstoff: Auf die Oberseite eines Materialstücks aus Silizium und Germanium gegebener Sauerstoff dringt in das Material ein und bildet Siliziumdioxid. Da Sauerstoff aber die Germanium-Atome abstößt, drückt es diese buchstäblich hinunter ins Silizium. Eine Lage Germanium wird damit eng ins Silizium gepresst, wie ein Schneehaufen vor einem Schneepflug. Der Sauerstoff selbst kann hingegen nicht in den Germaniumhaufen eindringen, so dass die Trennung zwischen Oxid und Germanium so scharf wie möglich bleibt, ohne dass es an der Verbindungsstelle zu Verunreinigungen kommt.

Ein Problem ergibt sich aber noch mit der Methode: Befinden sich zu viele Germanium-Atome auf einem Haufen und werden ins Silizium gepresst, entkommen einige von ihnen und tauchen im Siliziumdioxid auf. Das Germanium im Siliziumoxid soll zwar schlecht für die elektrischen Merkmale des Materials sein, aber die Forscher erwarten, dass Chiphersteller dieses Wissen nutzen können, um hochqualitative Materialien zu fertigen. "Sie könnten einfach die Siliziumdioxidschicht, die einige Germanium-Einschlüsse aufweist, abtrennen und dann eine frische Lage Siliziumdioxid aufbringen, die kein Germanium enthält."

Präsentiert wurde die Forschung während eines Treffens der Materials Research Society in Boston am 1. Dezember 2003 von Tao Liang, einem Doktoranden der Ohio State University. Zu den Co-Autoren der Arbeit zählen die Ingenieure Sergei Lopatin und Gerd Duscher, beide von der North Carolina State University und dem Oak Ridge National Laboratory. Duscher und Windl stammen beide aus Deutschland und wuchsen in derselben Straße auf. Die bei ihren Forschungen eingesetzte Kombination aus Material-Modellierung/-Simulation und Elektronen-Mikroskopie soll auch für andere Anwendungsbereiche genutzt werden können, in denen Materialverbindungen wichtig sind. Als Beispiel werden medizinische Implantate wie titanbeschichtete Gelenkprothesen genannt, die im Körper Knochen ersetzen könnten. Finanziert wurde die Forschung durch die US-amerikanische Semiconductor Research Corporation.