Auf dem Chip wird es immer enger. Je leistungsfähiger er sein soll, desto mehr elektronische Bauelemente müssen pro Qua- dratzentimeter untergebracht werden. Wissenschaftler des Forschungszentrums Jülich haben nun einen Ausweg gefunden: Statt nur die Chipoberfläche mit Schaltelementen zu pflastern, verlagern sie diese in die Tiefe.
Basis des Jülicher Verfahrens ist ein Rohling mit sandwichartiger Struktur. Seine oberste Schicht besteht aus Siliziumnitrid, darunter folgt eine Schicht Siliziumoxid, darunter wiederum eine Lage Siliziumnitrid. Die unterste Schicht ist reines Silizium. Auf diesen kristallinen “Hamburger” wird wie üblich die Leiterbahnstruktur durch Photolithographie aufgebracht.
Zum Vergraben der Strukuren nutzen die Jülicher Forscher einen chemisch-physikalischen Kunstgriff: Der vorstrukturierte Chip wird 1000 Grad Celsius heißem Wasserdampf ausgesetzt. In diesem hochreaktiven Dampfbad bildet sich auf den Bauelementen eine wachsende Siliziumoxid-Schicht.
Die nichtstrukturierten Bereiche sind nach wie vor durch die Siliziumnitrid-Schicht vor einer Oxidation geschützt. Mit zunehmendem Wachstum der Oxidschicht werden auch die Bauelemente immer weiter in den Chip gedrängt – bis zu 300 Millionstel Millimeter tief. Dieser winzige Abstand von der Oberfläche reicht aus, um die dritte Schicht aus Siliziumnitrid zu unterbrechen. Die an der Oberfläche erzeugten Bauelemente liegen nach Ende des Prozesses als Siliziumnitrid-Fragmente in der Tiefe des Chips. Auf diese Weise entstehen zwei Ebenen, die über das Silizium elektrisch verbunden sind.
Das Verfahren ist bemerkenswert einfach und genau. Trotz der hohen Belastung beim Oxidieren gibt es keine Versetzungen im Material, und die abgetauchten Leiterbahnen entsprechen genau dem ursprünglichen Muster an der Chip-Oberfläche. Die Fachwelt ist aufmerksam geworden: “Wir erhalten zunehmend internationale Anfragen”, berichtet Dr. Ludwig Mantl aus Jülich. “Die drei- dimensionale Struktur erhöht nicht nur die Anzahl der Bauelemente, sondern verkürzt auch die Verbindungen dazwischen. Auf diese Weise können besonders schnelle Halbleiterelemente hergestellt werden, die für die Industrie interessant sind.”
Ein Beispiel ist ein spezieller Feldeffekttransistor, der als Verstärker in mobilen Telefonen eingesetzt werden kann. Das Verfahren erlaubt außerdem die Herstellung von Nanostruk- turen, die Grundelemente für mikro- und optoelektronische Schaltungen sind.
Die zukünftigen Chips hätten noch einen weiteren Vorteil: Sie könnten mit dem heute üblichen optischen Lithographieverfahren hergestellt werden. Die Industrie müßte daher keine neuen und teuren Produktionsmethoden entwickeln.
Jörg Bäsecke
