Über die Skalierungsgrenze von CMOS hinaus
Geräte mit Einzelelektronenspeicher (Single-Electron Memory, SEM) stellen eine attraktive Lösung für die technischen Probleme dar, die bei Erreichen der Skalierungsgrenze komplementärer Metall-Oxid-Halbleiter (Complementary Metal-Oxide Semiconductor, CMOS) auftreten. Mit einem Nano-Floating-Gate auf einem Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor (Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor, MOSFET) basieren diese dennoch auf dem herkömmlichen Konzept des Ladungsdurchtritts. Dies stellt nicht nur die Kompatibilität mit herkömmlicher CMOS-Technologie sicher, es wird auch das umfassende bereits vorhandene Wissen genutzt, mit dessen Hilfe Probleme mit der Verlustleistung gelöst werden könnten. Die im Rahmen des SASEM-Projekts vorgeschlagene Technik erfordert die Implementierung von Arsen (As), um ein Gaußprofil der Verunreinigungen in der aktiven Schicht eines SOI-Wafer (Silicon-on-Insulator) zu erstellen. Nach der Definition der Siliziumschicht durch Lithografie und Trockenätzen wurde eine Nassoxidation durchgeführt, um diese in zwei durch Siliziumoxid getrennte Leitungen zu teilen. Die Oxidationsrate wurde durch das Vorhandensein von Arsen erhöht, während die Streuung der Breite der Siliziumschicht die Erstellung eines Quantenpunktes oben auf dem ständigen Dreieckskanal ermöglichte. Der Quantenpunkt wurde durch Anlegen einer negativen/positiven Spannung an das Gate geladen/entladen und die induzierte Änderung der Drainspannung als Messwert verwendet. Um die effiziente Steuerung von Bildung und Größe des Nano-Floating-Gate sicherzustellen, wurde der gesamte Fertigungsprozess des Geräts umfassend untersucht und mithilfe der zuverlässigsten Modelle simuliert. Kritische Prozessparameter wie Oxidationstemperatur und -zeit wurden daraufhin optimiert und die Reproduzierbarkeit sichergestellt. Das gefertigte Einzelelektronengerät wurde mittels Speicheroperationen bei Zimmertemperatur getestet und die ermittelten Leistungsmerkmale mit denen bestehender Geräte verglichen. Auch wenn bis zur industriellen Implementierung der Technologie noch Verbesserungen erforderlich sind, wurde die Möglichkeit zur Verkleinerung der Geräte gezeigt und die Nutzung von Quanteneffekten in praxisnahen Geräten ist ein Stück näher gerückt.
