Hafniumoxid bringt den Durchbruch: AG der RUB entwickelt neuartige Verbindung für Prozessoren

Dem Wunsch der Computerindustrie nach immer kleineren Transistoren steht die Wirklichkeit des Isoliermaterials gegenüber: Seit über 45 Jahren isoliert die Halbleiterindustrie Transistoren mit einer Dünnschicht nicht leitendem (dielektrischem) Siliziumdioxid (SiO2), bei dessen maximal möglicher Schichtdicke von rund 1,4 nm allerdings Leckströme auftreten können.

Alternativen zu SiO2 fehlten. Einer Arbeitsgruppe unter der Leitung von Juniorprofessorin Dr. Anjana Devi am Lehrstuhl für Anorganische Chemie II der RUB ist es gelungen, metallorganisches Hafniumoxid (HfO2) zu entwickeln. Es lässt sich dicker auf Oberflächen auftragen als SiO2 und eignet sich somit besser zu Isolierung der Transistoren. Leckströme werden vermieden. Ihre Ergebnisse veröffentlichten die Forscher kürzlich im renommierten amerikanischen Online-Magazin „Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology“. Namhafte Computerfirmen wie Intel und IBM verwenden bereits HfO2 bei der Beschichtung ihrer Transistoren. Das Verfahren ist zum Patent angemeldet.

Mit Hafniummolekülen zum Erfolg

Das Team der Arbeitsgruppe „Chemie anorganischer Materialien“, zu dem Dr. Anjana Devi, Adrian Milanov, Malte Hellwig und Dr. Raghunandan Bhakta zählen, forscht bereits seit November 2002 an der Herstellung eines dielektrischen Stoffes, mit dem man Oberflächen von Elektronikbauteilen effektiver beschichten kann als mit Siliziumdioxid. Die AG entdeckte metallorganisches Hafniumoxid (HfO2), ein sogenanntes „High-k-Material“, das man trotz der kleinen Transistoren-Oberflächen dicker auftragen kann als SiO2. Leckströme lassen sich so vermeiden. In einem industriellen Reaktor in Jülich nutzten sie die Beschichtungsverfahren CVD (Chemische Dampfabscheidung) und ALD (Atomlagenabscheidung), um dünne Schichten von HfO2 herzustellen. Sie erhitzten Hafniummoleküle, um aus dem entstehenden Gas die Feststoffkomponente HfO2 zu gewinnen. Neben Hafniumoxid eignet sich auch Zirkoniumoxid (ZrO2) als aussichtsreiche Alternative zu SiO2.

Erfinderpreis und internationales Renommee

Mit ihren Forschungsergebnissen verschaffte sich die AG national und international Gehör: Sie gewann den Erfinderwettbewerb 2005 der RUB, den die RUBITEC (Gesellschaft für Innovation und Technologie der RUB) seit 2003 ausschreibt. Zusammen mit ihr hat sie die Entdeckung 2006 zum Patent angemeldet. Renommierte internationale Zeitschriften wie das „Journal of the Electrochemical Society“ und das „Virtual Journal of Nanoscale Science & Technology“ haben im Januar 2007 über die neue Methode zur Hafniumoxid-Gewinnung berichtet. Das Virtual Journal wird herausgegeben vom „American Institute of Physics“ und der „American Physical Society“ und veröffentlicht ausschließlich Artikel, die herausragende Forschungsergebnisse thematisieren. Bei ihren neuesten Prozessoren setzen die Computerfirmen Intel und IBM bereits HfO2 als dielektrisches Oxid zur Beschichtung von Oberflächen ein und erreichen Transistorengrößen von gerade einmal 45 nm. Auf einem Prozessor findet damit rund eine Milliarde Transistoren Platz.

Titelaufnahme

Reji Thomas, Eduard Rije, Peter Ehrhart, Andrian Milanov, Raghunandan Bhakta, Arne Bauneman, Anjana Devi, Roland Fischer and Rainer Waser: Thin Films of HfO2 for High-k Gate Oxide Applications from Engineered Alkoxide- and Amide-Based MOCVD Precursors. In: „Journal of The Electrochemical Society“ 2007, Vol. 154, Nr. 3, S. G77-G84 (vom 31.01.2007), online: http://scitation.aip.org/journals/doc/JESOAN-ft/vol_154/iss_3/G77_1.html

Weitere Informationen

Juniorprofessorin Dr. rer. nat. Anjana Devi, Fakultät für Chemie und Biochemie, Lehrstuhl für Anorganische Chemie II der RUB, Tel. 0234/32-24150, E-Mail: anjana.devi@rub.de, Internet: http://www.ruhr-uni-bochum.de/aci2/devi/index.htm