Stoßfrei durch die Nanostruktur

Die kleinste Silizium-Brücke der Welt steht in Bochum. Mit unkonventionellen Präparationstechniken werden schon heute Strukturen hergestellt, deren Maßstab Atomabstände bilden. Doch in diesen ultrakleinen Dimensionen können Elektronen Wellencharakter zeigen. Die Folge sind neue, so genannte Quanteneigenschaften. Ob diese auch zu einem "Quantensprung" in die Nanoelektronik-Ära führen, ist noch ungewiss - und doch schon heute Gegenstand der Forschung.

Seit Einführung der integrierten Schaltungen, der Silizium-Mikrochips, werden ihre Einzelbauelemente regelmäßig immer kleiner: Etwa alle fünf Jahre verringern sich die Strukturabmessungen auf die Hälfte (Abb. 2).

Betrugen sie 1970 noch rund 15 µm (1 Mikrometer = 0,001 Millimeter), werden sie in wenigen Jahren die magische Grenze von 0,1 µm oder 100 nm (1 Nanometer = 0, 000 001 Millimeter ) unterschreiten und das Zeitalter der ,,Nano"- Elektronik einläuten. Wird das immer so weiter gehen oder gibt es unüberwindliche physikalisch-technische Grenzen? Diese Frage beschäftigt nicht nur die Chiphersteller, sondern auch einige tausend Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler, die weltweit auf dem Gebiet der Halbleiter-Nanotechnologie tätig sind. Wenn auch eine schlüssige Antwort derzeit nicht gegeben werden kann, so sind doch Teil-Antworten möglich. Zum einen sind industriell anwendbare lithographische Verfahren zur Strukturgebung unterhalb von etwa 100 nm noch nicht verfügbar, unter etwa 10 nm gibt es Ansätze von Herstellungsprozessen im Forschungslabor.

Doppelnatur: mal Teilchen, mal Welle

Zum anderen macht sich in Nanostrukturen die "Doppelnatur" der Elektronen bemerkbar, die nicht nur Teilchen, sondern auch Wellencharakter besitzen können. In ultrakleinen Strukturen treten unter bestimmten Bedingungen Elektronenwellen (Abb. 3) auf, die interferieren, d.h. sich verstärkend oder auslöschend überlagern und damit zu neuen, sog. Quanteneigenschaften in elektronischen Bauelementen führen.

Elektronenwellen können "Hindernisse" überwinden - sie "durchtunneln" , wenn diese nicht wesentlich länger sind, als die Wellenlänge des Ladungsträgers selbst. Hindernisse für die Elektronen stellen in der Nanostruktur die verschiedenen elektrostatischen Potentiale (potentielle Energie) dar. Elektronen bewegen sich in der Nanostruktur wie in einer "Potentiallandschaft" mit Hügeln und Tälern.
Auch die sog. Coulomb-Abstoßungskraft zwischen den geladenen Elektronen kann in Nanostrukturen zu Einzelelektroneneffekten führen, die in herkömmlichen Bauelementen keine Rolle spielen: Wenn ein kleiner Raumbereich von Potentialwänden umgeben ist und so eine Potentialmulde ("Quantenpunkt") gebildet wird, kann diese nicht mehr kontinuierlich mit Elektronen angefüllt bzw. geladen werden. Das Hinzufügen des nächsten Elektrons erfordert eine zusätzliche ,,Coulomb-Energie", die umso größer sein muss, je kleiner der Quantenpunkt ist, weil sich die Ladungsträger immer schwerer ausweichen können.

Für Chiphersteller ein Problem, für Forscher eine Spielwiese

Das Auftreten der ungewohnten Effekte ist für die Chiphersteller ein großes Problem, denn will man die neuen Eigenschaften zukünftig nutzen, dann müsste ein komplett neuer Baukasten von Modellen zur Simulation der Bauelemente zur Verfügung stehen. Für die Forschung hingegen eröffnen diese Effekte eine Spielwiese sowohl für ein grundlegendes Studium der elektronischen Eigenschaften von Nanostrukturen als auch für die Entwicklung neuartiger Bauelemente.

Unsere Bemühungen um die Herstellung von Halbleiter-Nanostrukturen konzentrieren sich von Anfang an auf experimentelle Strukturierungsverfahren (s. Abb. 2), denn eine hohe Stückzahl je Zeit wie z.B. 50 Wafer pro Stunde im industriellen Prozess spielt hier ebenso wenig eine Rolle wie eine hohe Ausbeute an funktionierenden Proben. Ziel sind dagegen die besonders kleinen Strukturen, soll doch gerade die ,,terra incognita" dieser ultrakleinen Abmessungen erforscht werden. Eine der verwendeten Techniken ist die seit Jahrzehnten etablierte Elektronenstrahllithographie. Grundlegende Verbesserungen bei der Erzeugung und Formung des Elektronenstrahls machen dieses Verfahren heute gerade für das Forschungslabor interessant. Die Technik beruht auf einem Rasterelektronenmikroskop (REM), das zum Abbilden kleiner Strukturen ohnehin unverzichtbar ist (Abb. 4).

Durch ein Zusatzgerät kann mit dem fokussierten Elektronenstrahl entlang vorgegebener Linien und Flächen über eine Probe ,,geschrieben" werden, die zuvor mit einem Polymerfilm von einigen 10 nm Dicke beschichtet wurde. Die auftreffenden Elektronen zerschlagen die Molekülketten des Polymers in kleine Bruchstücke. Nachdem diese in einem Entwicklerbad herausgelöst wurden, liegt der Halbleiter dort bloß und kann durch Ätzen in einer wässrigen Lösung angegriffen werden. Dabei entsteht unter den Linien ein Graben, dessen Abmessungen durch die Form der Öffnungen im Polymerfilm sowie von der Reaktivität der Ätzlösung und der Ätzdauer bestimmt wird. Die minimale Strukturbreite dieses Verfahrens liegt bei etwa 20 nm. Im Vergleich zu den industriell üblichen Trockenätzprozessen, bei denen die Oberfläche durch Beschuss mit reaktiven Teilchen abgetragen wird, ermöglicht Nassätzen mit einer geeigneten Lösung eine viel geringere Schädigungstiefe an der Halbleiteroberfläche.

Wir haben mit Hilfe der Elektronenstrahllithographie Nanostrukturen in einem Schichtsystem aus Silizium (Si) und einer Legierung aus ca. 70% Si und 30% Germanium (Ge) hergestellt.