Für die Chip-Technologie von morgen Elektronische Transistorstrukturen unter 2 nm realisiert

Die Miniaturisierung elektronischer Bauelemente geht weiter, allerdings nicht mehr mit herkömmlichen Produktionsverfahren. Nun konnten winzige Transistorstrukturen hergestellt werden, mit denen die Realisierbarkeit von Quantencomputern vielleicht ein Stück näher rückt.

In dem soeben beendeten europäischen Verbundprojekt „Single Nanometer Manufacturing for beyond CMOS Devices“ (SNM) arbeitete ein großes europäisches Forscherteam unter der Führung von Professor Ivo W. Rangelow, Leiter des Fachgebiets Mikro- und Nanoelektronische Systeme der TU Ilmenau, daran, die bisherigen Herstellungsmethoden für schnelle elektronische Baueinheiten zu optimieren. Das Ziel war es, die Produktion von Transistoren mit elektronischen Strukturen mit Abmessungen von unter 2 nm zu realisieren.

Mehr als 50 Wissenschaftler beteiligt

Das SNM-Projekt war eine interdisziplinäre Zusammenarbeit von 16 Universitäten, Forschungseinrichtungen  und Industrieunternehmen aus acht europäischen Ländern. Bei ihren Forschungsarbeiten nutzten die 50 Wissenschaftler Quanteneffekte, um ultrakleine sogenannte Einzelelektronen-Bauelemente konstruieren zu können.
Im Gegensatz zur klassischen Physik erlaubt die Quantenmechanik präzise Berechnungen der physikalischen Eigenschaften von Materie bis hin zum Größenbereich von Elementarteilchen.

Die wissenschaftliche Analyse von Strukturen in der Größenordnung unter 10 nm ist sehr aufwendig und wurde vom niederländischen Institut für Metrologie VSL koordiniert. Die Messung der Einzelelektronen-Bauelemente gelang am Imperial College London. Dabei ergab die Analyse einen Durchmesser der kleinsten funktionellen Strukturen von nur 1,8 nm. Zum Vergleich: Derzeit werden mit konventionellen Herstellungsverfahren elektronische Transistor-Strukturen mit Abmessungen von etwa 14 nm erzielt.

Die Herstellung elektronischer Bauelemente mithilfe von Lithographie-, also von Schreibverfahren, erfolgt in zwei Schritten. Zunächst werden die Strukturen in eine Lackschicht „geschrieben“. Damit wird wie bei der Negativherstellung in der analogen Fotografie die Maske für den zweiten Schritt erstellt. Anschließend werden die Strukturen von der Lackschichtmaske in das Silizium geätzt – aus dem Negativ wird das eigentliche Positiv-Foto, im übertragenen Fall also das elektronische Bauteil.
Bis ein vollständiger, ultrakleiner Schaltkreis hergestellt werden kann, müssen die einzelnen, äußerst komplexen Schritte dutzend- bis hundertfach ausgeführt werden.

Mithilfe sogenannter langsamer Elektronen modellierten die Wissenschaftler an der TU Ilmenau mit ein bis mehreren Nanometer großen Spitzen Strukturen im Bereich von unter zehn Nanometern. Dieses Schreibverfahren namens Raster-Sonden-Technik erlaubt nicht nur das Schreiben, sondern auch das Lesen und die ultragenaue Anordnung von Nanostrukturen.

Wichtig für die Zukunft der Chip-Technologie

Für Prof. Rangelow ist die Entwicklung elektronischer Strukturen von unter zwei Nanometern eine herausragende wissenschaftliche Leistung: „Weltweit werden intensiv Technologien gesucht und erforscht, um Quantencomputer entwickeln zu können. Im Unterschied zu herkömmlichen Digitalrechnern basieren solche Computer ausschließlich auf Gesetzen der Quantenmechanik. Quantencomputer werden ungleich leistungsfähiger sein, denn mit ihnen könnten wir bestimmte Probleme der Informatik, zum Beispiel die Suche in riesigen Datenbanken, vermeiden. Mit unseren Forschungsergebnissen konnten wir das Tor in die neue Quantencomputerwelt ein gutes Stück öffnen.“

Die wissenschaftlichen Ergebnisse des Forschungsprojekts sollen nun die Massenfertigung einer neuen Generation hochleistungsfähiger und besonders energiesparender Elektronik gestatten.

Mehr Informationen zu dem mit insgesamt 18 Millionen Euro geförderten Verbundprojekt sind unter www.snm-project.eu zu finden.