High-k

Als High-k-Dielektrikum wird in der Halbleitertechnologie ein Material bezeichnet, das eine höhere Dielektrizitätszahl aufweist als herkömmliches Siliziumdioxid (ε_r=3,9) oder Oxinitride (ε_r<6).

Die Bezeichnung „High-k“ ist dem Englischen entlehnt, wo die Dielektrizitätszahl (relative Permittivität) ${\varepsilon}_{r}$ häufig mit k oder κ (kappa) bezeichnet wird.

Gründe für den Einsatz von High-k-Dielektrika

Um die Eigenschaften integrierter Schaltungen zu verbessern, beispielsweise den Stromverbrauch von hochintegrierten Schaltkreisen und Speichern zu verringern oder höhere Schaltgeschwindigkeiten zu erzielen, werden die Strukturen verkleinert. Durch die fortschreitende Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile stößt die Halbleiterindustrie zunehmend an die physikalischen Grenzen und ist mit höheren Verlustströmen durch quantenmechanische Effekte konfrontiert. So steigt der Tunnelstrom mit der Verringerung der Gatedielektrikumsdicke unter 2 nm stark an. Vor allem für die Speicherherstellung sind große Kapazitäten (zur Speicherung des Zustandes zwischen den Refreshzyklen) mit niedrigen Leckströmen (Verlustleistung) wichtig. Schaut man sich z. B. einen einfachen Plattenkondensator an, so berechnet sich die Kapazität C wie folgt:

$C= \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r A}{d}$

Dabei ist d der Plattenabstand, A die Fläche der Kondensatorplatten, ${\varepsilon}_{0}$ die absolute Dielektrizitätskonstante des Vakuums und die Materialkonstante ${\varepsilon}_{r}$ die relative Permittivität der Isolationsschicht.

Demnach kann durch den Einsatz von High-k-Materialien (größeres ${\varepsilon}_{r}$) die Dicke der Isolatorschicht in MIS-Strukturen (Durch SiO₂ häufig auch MOS genannt) bei gleichbleibender Kapazität erhöht werden, wobei Leckströme durch den dickeren Isolator drastisch verringert werden.

Im Gegensatz dazu stehen die Low-k-Dielektrika, die als Isolator zwischen den Leitbahnen eingesetzt werden und durch ihre niedrige Dielektrizitätszahl die entstehenden parasitären Kapazitäten verringern.

Materialien

Es werden verschiedene Materialsysteme untersucht, wie amorphe Oxide von Metallen (z. B. Al₂O₃, Ta₂O₅) oder Übergangsmetallen (z. B. HfO₂, ZrO₂).

Einen weitergehenderen Ansatz stellen kristalline Oxide Seltener Erden (z. B. Pr₂O₃, Gd₂O₃ und Y₂O₃) dar, die gitterangepasstes Wachstum und somit eine perfekte Grenzfläche zwischen Halbleiter und Isolator ermöglichen.

Literatur

• G. D. Wilk, R. M. Wallace, J. M. Anthony: High-κ gate dielectrics: Current status and materials properties considerations. In: Journal of Applied Physics. 89, Nr. 10, 2001, S. 5243–5275 (doi:10.1063/1.1361065) (guter Review-Artikel zu High-k-Dielektrika). 
• J. Robertson: High dielectric constant gate oxides for metal oxide Si transistors. In: Reports on Progress in Physics. 69, Nr. 2, 2006, S. 327-396 (doi:10.1088/0034-4885/69/2/R02). 

Weblinks

• www.intel.com: "High-k and Metal Gate Research" - Nanotechnologie-Seite von Intel mit diversen High-k-Artikeln (engl.)