Metallorganisch chemische ... - JUWEL - Forschungszentrum Jülich

1 Einführung
1.1 Anwendungen von hoch-ε Materialien
Mit der Zunahme der Integrationsdichte auf einem Chip hat sich die Zahl der Komponenten
wie einer Gesetzmäßigkeit folgend alle drei Jahre vervierfacht. Diese Entwicklung erlaubte
der Industrie stabile Voraussagen für die Zukunft zu machen. Die Skalierung der Bauelemente
der Mikroelektronik zu immer kleineren Dimensionen erfordert gleichzeitig die Reduktion
der Dicke der dielektrischen Schichten in DRAM Speicherzellen und Gate-Oxiden in MOS
Strukturen [1].
In der 1999 veröffentlichten Roadmap [2] wird auf die immer wachsende Zahl von Problemen
hingewiesen, die aus der fortschreitenden Verkleinerung der Strukturen resultiert. Obwohl
Silizium viele hervorragende Eigenschaften hat und in kontrollierter Reaktion mit Sauerstoff
überragende Isolatoren mit exzellenten mechanischen, elektrischen und dielektrischen Eigenschaften
bildet, ist man sich einig, dass alternative Isolatoren mit höherer Dielektrizitätszahl
zum Einsatz kommen müssen, um Siliziumdioxid zu ersetzen.
Im Folgenden werden mögliche Anwendungen von hoch-ε Materialien betrachtet. Dabei werden
zuerst die Anwendungen als Dielektrikum in Kondensatoren mit metallisch leitenden Elektroden
behandelt und anschließend die Anwendung als Gateoxid in FET-Strukturen bei
denen das Dielektrikum direkt mit dem Silizium in Verbindung steht [3].
In Abbildung 1.1 ist schematisch die Arbeitsweise des DRAM (Dynamic Random Access
Memory) gezeigt, der 1967 patentiert [4] wurde und heute den üblichen Arbeitsspeicher in
PCs dargestellt. Dieser besteht im Wesentlichen aus einem Transistor, dessen ´Gate´ mit der
´Word-line´ verbunden ist und einer Kapazität, welche die Ladung speichert. Wird das ´Gate´
geschaltet, so kann die Kapazität nun über die ´Bit-Line´ ausgelesen bzw. beschrieben werden.
Abbildung 1.1 Schematische
Darstellung einer 1bit Speichereinheit
eines DRAMs.
Durch Selbstentladung verliert der Kondensator mit der Zeit seine Ladungen, darum muss der
Zustand immer wieder neu ausgelesen und gespeichert werden. Eine weitere Miniaturisierung
würde die Verluste und damit die Anzahl an Lese- und Schreibzyklen noch vergrößern. Nach
Gleichung 1.1 ist die Kapazität C eines Plattenkondensators,
C = ε ⋅ε
r ⋅ A/
t , 1.1
0
durch A, die Fläche der beiden Elektroden, die sich im Abstand t voneinander befinden, gegeben.