Computersimulation und Optimierung nanoskaliger poröser Strukturen mit sehr niedrigen Dielektrizitätskonstanten
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Zug der weiteren Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen entstehen Probleme durch die erheblich zunehmende zeitliche Verzögerung der Signalübertragung. Diese Schaltverzögerungen entstehen durch das Wechselspiel des Ohmschen Widerstandes der Leitbahnen und der elektrischen Kapazitäten, welche durch benachbarte Leitbahnen und die zwischenliegende Isolationsschicht gebildet werden. Bei jeder Veränderung des Schaltzustandes des Bauelementes müssen elektrische Ladungen transportiert werden, und dieser Transport dauert um so länger, je größer die zu transportierende Ladungsmenge ist, welche wiederum der elektrischen Kapazität proportional ist. Nach dem Übergang der führenden Hersteller von Mikroprozessoren von der Aluminium- zur Kupfer-Technologie muss die weitere Begrenzung der Schaltverzögerungen auf dem Weg der Verringerung der elektrischen Kapazität des Verdratungssystems erreicht werden, was durch Verringerung der dielektrischen Konstante k der Isolationsschichten gelingen kann. Die besten tatsächlich eingesetzten Isolationsschichten liegen gegenwärtig (2008) bei k = 2,7. Der Hersteller Applied Materials gibt k = 2,5 für sein Produkt Black Diamond II an. Diese Werte stellen gegenüber dem klassischen SiO2 mit k ~ 4 natürlich erhebliche Fortschritte dar, erreichen aber bei weitem nicht die zukünftig erforderlichen Werte von k < 2 . (Der Grenzwert ist durch den Vakuumwert k = 1 gegeben.) Aus den Einschätzungen der führenden Hersteller von Halbleiterbauelementen und der entsprechenden Forschungseinrichtungen geht hervor, dass zukünftige Anforderungen an Isolationsschichten für integrierte Halbleiterbauelemente nur mit Hilfe poröser Materialien gemeistert werden können. Daraus ergibt sich die Aufgabe, Kriterien zur Optimierung poröser Materialien zu entwickeln. Diese Optimierung wird in der aktuellen Forschung auf experimentellen Wegen vorangetrieben. Im Rahmen des Projektes werden Methoden der Computersimulation und der räumlichen Statistik eingesetzt, um die notwendigen Materialentwicklungen zu unterstützen. Im Rahmen des Projektes ist es gelungen, experimentelle Befunde zur Porosität von Isolationsschichten mit theoretischen Modellen für poröse Materialien zu verknüpfen, die unterschiedlichen möglichen Arten in Frage kommender poröser Strukturen zu modellieren und zu charakterisieren sowie die strukturellen Charakteristika mit der dielektrischen Konstante und mechanischen Eigenschaften zu verknüpfen. Bei Verwendung des klassischen Siliziumdioxids als Grundsubstanz können Strukturen mit einem Porositätsgrad von etwa 70% so gestaltet werden, dass die Mindestfordemngen an die elastischen Konstanten des porösen Materials bis zu Werten der dielektrischen Konstanten von etwa 1,8 erfüllt werden können. Diese Kombinarton von Eigenschaften ist erheblich besser als es die Werte aktuell eingesetzter Materialien sind und würde für die nächsten beiden Technologiestufen in der Prozessorfertigung ausreichen. Weitere Verbesserungen der Eigenschaftskombinationen erscheinen auf der Basis von Siliziumdioxid jedoch nicht möglich. Diese Trendaussagen werden für weitere Entwicklungen auf dem Gebiet der Isolationsmaterialien mit extrem niedrigen Dielektrizitätskonstanten für zukünftige integrierte Halbleiterbauelemente als wichtig eingeschätzt. Im Rahmen des Projektes wurden Methoden zur Simulation und Charakterisierung poröser Systeme erheblich verbessert und können nun auch für die Bearbeitung von Kolloiden, mehrkomponentigen Flüssigkeiten und granulären Materialien eingesetzt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Computer simulated dense-random packing models as approach to the structure of porous low-k dielectrics. Microelectronic Engng. 81(2005)535-543
H. Hermann, A. Elsner, M. Hecker, D. Stoyan
- Influence of the packing effect on stability and transformation of nanoparticles embedded in random matrices. Materials Science-Poland 23 (2005)541-549
H. Hermann, A. Eisner, Th. Gemming
- Statistical analysis of random sphere packings with variable radius distribution. Solid State Scie. 8 (2006), 1397-1413
K. Lochmann, L. Oger, D. Stoyan
- Statistical verification of crystallization in hard sphere packings under densification. The European Phys. J. B 53 (2006) 67-76
K. Lochmann, A. Anikeenko, A. Eisner, N. Medvedev, D. Stoyan
- Behaviour of icosahedral clusters in computer simulated hard sphere systems. J. Non.Cryst. Solids 353 (2007) 3693-3697
H. Hermann, A. Eisner, D. Stoyan
- Computer simulation and optimization of properties of porous low-k dielectrics. Mater. Sci. Poland 25 (2007) 1193-1202
A. Eisner, H. Hermann
- Observation of five-fold symmetry structures in computer models of dense packing of hard spheres. J. Non. Cryst. Solids 353 (2007), 3545-3549
A.V. Anikeenko, N.N. Medvedev, A. Bezrukov, D. Stoyan
- Optimisation of multi-component hard sphere liquids with respect to dense packing. Mater. Sci. Eng. A 449-451 (2007) 666-670
H. Hermann, A. Eisner, K. Lochmann, D. Stoyan
