Vervangt germanium silicium?

Germanium als basismate-riaal voor elektronische schakelaars zou de productie van nog snellere chips met een hogere integratiegraad mogelijk moeten maken. Toch is er nog een serie problemen op te lossen. Tot nu toe was het niet mogelijk om op basis van germanium een bepaald type transis-toren (NMOS) met de tech-nologisch interessante integratiegraad te produ-ceren. Twee nieuwe pro-cessen bieden hier een oplossing.

Met germanium en een aantal andere halfgeleiders zou men hogere schakelsnelheden moeten kunnen bereiken dan met silicium. Germanium is goed te integreren in bestaande technologische processen. Het was het basismateriaal voor de eerste transistorgeneraties, voordat het aan het einde van de jaren zestig door silicium werd afgelost. De elektronische eigenschappen van de grensvlakken tussen de halfgeleider silicium en zijn passieve en isolerende oxiden lag hieraan ten grondslag.

Dit voordeel kan bij verdere verkleining van transistoren in geïntegreerde schakelkringen echter niet meer worden benut, omdat dan het oxide door zogenaamde high-k materialen moet worden vervangen. Dan ontstaat ook de vraag naar nieuw basismateriaal.

Implantaten

Door het inbrengen van vreemde atomen wordt de geleidbaarheid van halfgeleiders gericht veranderd. Ionen implanteren met aansluitend een warmtebehandeling (uitgloeien genoemd) is een mogelijkheid. Met deze methode kunnen P-kanaal-transistoren (PMOS) op germaniumbasis met afmetingen overeenkomstig de toekomstige 22 nm technologie worden vervaardigd. Voor de N-kanaal-transistoren (NMOS) is dat tot nu toe echter niet gelukt. De reden hiervoor is de sterke ruimtelijke herverdeling van de vreemde fosforatomen die moeten worden gebruikt voor het vervaardigen van de N+-gebieden.

Het is fysici van het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) gelukt om (na de ionenimplantatie van fosfor in germanium) met behulp van een speciale gloeimethode de kwaliteit van het germaniumkristal weer te herstellen. Tevens konden ze goede elektrische eigenschappen bereiken zonder dat een sterke herverdeling van fosforatomen optreedt. Hiertoe wordt de germaniumprobe in een lichtflits van slechts enkele milliseconden verhit. Deze tijd is te kort voor de anders bij gloeien optredende diffusie van fosforatomen.

Analyse van de structuur en elektrische eigenschappen van de met fosfor gedoteerde lagen in germanium gebeurde in nauwe samenwerking met het Belgische micro-elektronica onderzoekscentrum IMEC in Leuven en het Fraunhofer-Center Nanoelektronische Technologien (CNT) in Dresden.

Alternatief

Een alternatieve methode naar de onderdrukking van de diffusie van fosfor in germanium wordt onderzocht door een internationaal team van wetenschappers uit Duitsland, Denemarken, de VS en het FZD. Na de ionenimplantatie van fosfor in germanium wordt de probe verhit en dan met protonen bestraald. Deze bestraling veroorzaakt een reductie van de fosfordiffusie. Onder invloed van bepaalde roosterdefecten (tussen roosteratomen) worden andere roosterdefecten (lege plaatsen) die verantwoordelijk zijn voor de beweeglijkheid van de fosforatomen, vernietigd.

De experimenten tonen aan, dat het mogelijk is om op germaniumbasis N-kanaal-transistoren (NMOS) te vervaardigen, waarvan de afmetingen overeenstemmen met de voortschrijdende integratiegraad.

Het schema toont het gebruik van germanium in een CMOS-schakelkring. Het germanium zit hier alleen rond de source, drain en de channel ingebed. Source en drain krijgen een zeer hoge concentratie vreemde atomen, die voor het elektronenoverschot (n+-gebied) respectievelijk -tekort (p+-gebied) zorgen.

• website van het Forschungszentrum Dresden-Rossendorf