Organische Halbleiter von Infineon

In den Forschungslabors von Infineon wurden verschiedene organische Materialien analysiert und ein breites Spektrum von Prozessen entwickelt. Diese können zukünftig bei der Fertigung Silizium-basierter DRAMs und anderer Speicher wie auch zur Herstellung organischer Transistoren und Schaltungen genutzt werden.

Indem konventionelle Abscheidungsprozesse und Fotolithografie-Verfahren zur Fertigung dieser Komponenten verwendet werden, ist dieser Ansatz für eine kostengünstige Massenfertigung prädestiniert. Aufbauend auf diesen fundamentalen Technologien präsentierten die Wissenschaftler von Infineon auf der diesjährigen IEDM-Konferenz in einer Reihe von Vorträgen signifikante Fortschritte bei Leistung, Zuverlässigkeit und Temperaturverhalten von Transistoren, Schaltungen und Speichern auf der Basis organischer Materialien.

Hinsichtlich der Integrationsdichte und Taktfrequenz sind elektronische Bauelemente mit organischen Materialien vielleicht keine unmittelbare Alternative zur Integration auf Siliziumbasis, sie bieten jedoch das Potenzial für eine außerordentlich preisgünstige Fertigung bei großer Flexibilität. Während die Produktion integrierter Schaltungen mit Silizium und anderen kristallinen Halbleitern Wochen in Anspruch nimmt und eine große Anzahl sequenzieller Prozesse mit teuren Einrichtungen erfordert, lässt sich organische Elektronik zu erheblich niedrigeren Kosten fertigen. Organische Elektronikkomponenten zielen daher auf relativ einfache und kostensensitive Anwendungen.

Die von den Wissenschaftlern realisierten Dünnschichttransistoren (TFTs) bestehen aus organischen Halbleitermolekülen als aktive Schicht und zeichnen sich durch eine Ladungsträgermobilität von über 1 cm2/ Vs aus. Wie ihr Silizium-Pendant bestehen auch diese organischen Transistoren aus mehreren Schichten: Substrat, Gate-Elektrode, -Isolator, Source- und Drain-Anschluss, organischen Halbleitern (z. B. Pentazen oder substituierte Oligothiophene) sowie einer Passivierungs-Schutzschicht. Infineon stellte auf der IEDM sowohl Entwicklungen bei organisch/ anorganischen Hybridstrukturen wie auch rein organischen Chips vor.

Neue organische Materialien: Potenzial für komplexe, nichtflüchtige Speicherlösungen

Verschiedene organische und anorganische Materialien wurden auf ihre Verwendung für nichtflüchtige Speicher untersucht. Organische Speicher bieten das Potenzial einfacher Integration und Zellkonzepte mit sehr kleinen Zellgrössen. Im Vergleich zu anorganischen Materialien lassen sich die Eigenschaften organischer Speicherschichten über eine selektive Veränderung der molekularen Struktur individuell abstimmen. Darüber hinaus eignen sich organische Materialien häufig sehr gut zur Vakuum-Abscheidung und für kostengünstiges Beschichten durch Aufschleudern.

Wissenschaftler von Infineon beschrieben entsprechende Zellkonzepte und Anforderungen für nichtflüchtige Speicher auf der Basis neuartiger organischer Materialien. Speicherzellen, die in der neuen Technologie aufgebaut wurden, zeigten vielversprechende Zuverlässigkeitsergebnisse. Erstmals wurde ein Datenerhalt von mehr als einem Jahr für ein organisches Speichermaterial, dessen Schaltverhalten auf Änderung der Leitfähigkeit beruht, erreicht. Weitere Untersuchungen zeigten, dass das Material zu Strukturgrößen von weniger als 20 nm skaliert werden kann. Zusammenfassend präsentiert sich das neue Speichermaterial als ein attraktiver Kandidat für nichtflüchtige Speicher.

Neues Polymermaterial für innovative DRAM-Integrationskonzepte

Herkömmliche Silizium-Integrationskonzepte basieren auf einigen wenigen Materialien wie Silizium, Siliziumoxid und Siliziumnitrid. Bei ausschließlicher Verwendung dieser Materialien sind die Optionen zur Integration begrenzt, denn nur diese drei Materialien lassen sich wechselseitig kombinieren, abscheiden und gleichzeitig hoch-selektiv ätzen. Die damit einhergehende Limitierung kann auch nicht durch Fotolacke als vierte Alternative beseitigt werden, da diese eine so geringe Temperaturbeständigkeit besitzen, dass darauf keines der oben genannten Materialen abgeschieden werden kann.

Infineon hat ein neues, außerordendlich temperaturbeständiges organisches Polymer mitentwickelt, das in der Fachwelt als vielversprechende vierte Alternative angesehen wird. Mit sehr guten Ausbeuten wurde die Eignung dieses Polymers anhand einer Speicher-Chip-Applikation (256 Mbit Double-Data-Rate DRAM, 140 nm lithographische Linienbreite) im sogenannten „Deep Trench“, dem Speicherkondensator, erfolgreich demonstriert. Die Realisierbarkeit von Integrationskonzepten im FEOL (Front-End-Of-Line) unter Zuhilfenahme dieses neuartigen Materials gilt damit als nachgewiesen. Das Polymer selbst wird mittels eines Aufschleuderverfahrens aufgebracht, zeigt sehr gute Füll- und Planarisierungsabhängigkeiten und besticht durch eine Temperaturbeständigkeit von deutlich über 450°C. Das neue Integrationsschema ermöglicht die Skalierung des gegenwärtigen DRAM-Trench-Konzepts zu deutlich geringeren lithographischen Strukturbreiten als 70 nm.

Neue molekulare Dünnschicht-Transistoren arbeiten mit niedrigerer Spannung

Organische Elektronik zielt auf besonders kostensensitive, relativ einfache Applikationen. Eines der größten Probleme herkömmlicher organischer Dünnschichttransistoren (TFTs) ist allerdings die hohe Betriebsspannung, die häufig über 20 Volt liegt. Zur Reduzierung der Betriebsspannung und damit der Leistungsaufnahme von organischen ICs sind neue, ultra-dünne Gate-Dielektrika erforderlich.

Infineon hat einen neuen molekularen TFT entwickelt, der auf einem organischen Halbleiter (Pentazen) mit hoher Ladungsbeweglichkeit und einem nur 2,5 nm dünnen SAM (Self-Assembling Monolayer) Gate-Dielektrika basiert. Mit diesem Durchbruch bei den Dielektrika für organische Transistoren konnten Transistoren hergestellt werden, die auch bei Spannungen von nur noch 1 V arbeiten und dabei ein Unterschwellstromverhalten von weniger als 100 mV/Dekade zeigen. Für einen Transistor mit einer Kanallänge von 5 µm wurde ein Übertragungsleitwert von 0,01µS/µm gemessen - der höchste Wert, der je für einen organischen Halbleiter erreicht wurde.