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Entwicklung einer Nanotechnologie-Plattform für die ... - JuSER

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2 Die Entwicklung der Speichertechnologie CMOS der Schlüsselbegriff der letzten Jahrzehnte im Bereich Speichertechnologie. Die Technologie der Complementary Metal Oxide Semiconductors begann im Jahr 1945 mit der Realisierung des ersten Transistors durch die Wissenschaftler William Shockley, John Bardeen und Walter Brattain [1]. Schnell wurden nachfolgende Modelle entwickelt, sodass im Jahr 1971 der erste integrierte Schaltkreis (IC) mit 2300 Transistoren von der Firma Intel kommerziell und in Serie gefertigt wurde. Der Boom der Halbleiterindustrie begann und mit ihm die Verfolgung der Gesetzmäßigkeiten von Gordon Earl Moore. 2.1 Die Halbleitertechnologie Gordon E. Moore formulierte 1965 die erste Fassung des Mooreschen Gesetzes, welches eine jährliche Verdopplung der Komplexität integrierter Schaltkreise beschrieb [2]. Die Komplexität definierte er als Anzahl der Schaltkreiskomponenten pro Computerchip. 1975 korrigierte Moore seine erste Aussage und sprach auf dem „International Electron Device Meeting“ von einer zweijährlichen Verdopplung der Komplexität [3]. Nach heutiger Vorstellung wird das Mooresche Gesetz ausgelegt als achtzehnmonatige Verdopplung der Anzahl an Transistoren pro Chip und gilt eher als eine Faustregel als ein wissenschaftliches Naturgesetz. Die Jahrzehnte währende Verdichtung der Speicherintegration brachte vor allem eine stetig wachsende Komplexität der Herstellungsprozesse von Computerchips mit sich. Es wurden Technologien entwickelt und jährlich verbessert, sodass heutzutage Strukturgrößen von bis zu 45 nm erreicht werden, womit integrierte Schaltkreise mit einer Anzahl von einer Milliarde Transistoren kommerziell gefertigt werden können [4]. Die Herstellungsprozesse derartig hochintegrierter Bauelemente finden in absolut partikelfreier Umgebung, in Reinräumen statt. Es wird eine Vielzahl an Prozessschritten benötigt, um aus einer Siliziumscheibe (Wafer) einen Prozessor oder einen Speicher zu generieren. Dabei werden hauptsächlich Strukturierungs-, Übertragungs- und Abscheideverfahren eingesetzt. Die laterale Auflösung der zu realisierenden Transistoren wird dabei maßgeblich von der Güte des verwendeten Lithographie- Prozesses bestimmt [5]. Die Weiterentwicklung der Lithographieverfahren ist somit die Schlüsselaufgabe der Halbleiterindustrie, um die Gesetzmäßigkeit von Gordon E. Moore einzuhalten. 11

2 DIE ENTWICKLUNG DER SPEICHERTECHNOLOGIE 2.1.1 Lithographieentwicklung Die Lithographieentwicklung begann in den 1960ern mit der optischen Kontaktlithographie. Hierbei werden UV-Lichtquellen und strukturierte Glasmasken verwendet, um photosensitive Lacke definiert zu belichten. Die heutigen Belichtungsverfahren benötigen hochentwickelte, kurzwellige Lichtquellen mit komplexen Linsen- und Spiegelsystemen, um Strukturauflösungen im Nanometerbereich zu realisieren. Alternativen bieten Direktschreibverfahren mittels Elektronen- oder Ionenstrahlen und Prägeverfahren, die Nanostrukturen durch mechanische Deformation in speziell entwickelte Polymere übertragen. Die Auflösungsgrenze der optischen Kontaktlithographie wurde während der industriellen Anwendung und der stetig wachsenden Anforderungen schnell erreicht. Sie wird definiert durch: MFS = d ⋅ λ (2.1) MFS : Minimum Feature Size d : Lackdicke λ : Wellenlänge Ein wesentlicher Nachteil der Kontaktlithographie ist die Güteabhängigkeit der Strukturabbildung von der Kontaktqualität zwischen Maske und Photolack. Um die Herausforderung eines adäquaten Kontakts zu umgehen, wurde die Proximity- Lithographie entwickelt, die durch einen Spalt zwischen Maske und Lack eine Auflösung von MFS = ( d + g) ⋅ λ (2.2) MFS : Minimum Feature Size d : Lackdicke g : Spalt zwischen Maske und Lack λ : Wellenlänge bietet. Hier wird zwar der kritische Kontakt zwischen Maske und Lack vermieden, doch kann die Auflösung durch den zusätzlichen Abstand g nicht verbessert werden. Ein weiterentwickeltes Verfahren stellt die Projektions-Lithographie dar, welche ab 1978 in der Halbleitertechnik Einzug hielt. Hier wird über optische Linsen und Spiegel eine Projektionsmaske (Retikel) auf die Oberfläche der zu belichtenden Probe projiziert. Der größte Vorteil dieser Technologie besteht darin, dass die Strukturen auf dem 12