Moderne Halbleiter-Technologien

Probleme bei Skalierung der Gatelänge

Die Länge des Transistors ist eine kritische Größe, die im Wesentlichen die Leistungsfähigkeit einer Halbleitertechnologie bestimmt. Allerdings sind der Realisierung mit den herkömmlichen Mitteln der Lithografie physikalische Grenzen gesetzt.

Die physikalischen Gate-Längen nähern sich mittlerweile dem Bereich von 100 nm, wobei in Laborexperimenten sogar bereits laterale Größen von 25 bis 10 nm erreicht werden. Mit Hilfe von lichtbasierter Lithografie können diese Dimensionen jedoch nicht mehr aufgelöst werden, da sich das Spektrum von sichtbarem Licht über Wellenlängen von 400 bis 800 nm erstreckt. Die Nutzung von tief-ultraviolettem Licht oder noch kurzwelligerer Strahlung (Röntgenstrahlung) erscheint hier als Ausweg.

Auch die Herstellung der Belichtungsmasken mit einer rentablen Ausbeute stellt eine große Herausforderung dar, auch wenn im Allgemeinen der Maßstab zwischen Maske und Chip 5:1 beträgt.

Roadmap für Gate-Längen im Mikroprozessorbereich

Jahr

1999

2002

2005

2008

2011

2014

Gate-Länge [nm]

180

130

100

70

50

35

Hinzu kommt, dass wenn die Weite der Verarmungsschichten der Source- und Drain- Gebiete die Größenordnung der Kanallänge erreicht, die Annahme ihre Gültigkeit verliert, dass die vertikale elektrische Feldstärke sehr viel größer ist als die horizontale Feldstärke. Die Potenzialverteilung im Kanal und somit auch die Größe des Drain-Stromes hängt dann neben der Gate- und der Substratspannung auch von der Drain-Spannung ab und kann verschiedene unerwünschte Kurzkanaleffekte bewirken. Hierzu zählen:

  • die abnehmende Zunahme des Drain-Stroms mit zunehmender Gate-Spannung

  • die Abhängigkeit der Schwellenspannung vom Arbeitspunkt

  • das Durchgreifen von Source- und Drain-Gebieten (punch-through)

  • das Erreichen der Geschwindigkeitssättigung der Elektronen

  • die Ladungsträgermultiplikation an der Drainkante

  • das Entstehen von Elektronen mit sehr hoher Energie (hot electrons), die die Langzeitstabilität der Bauelemente beeinträchtigen können.

Zur Begrenzung dieser Effekte werden unter anderem niedrig dotierte Gebiete zwischen Drain und Kanal sowie zwischen Source und Kanal realisiert.