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Forscher enthüllen innerste Strukturen integrierter Schaltkreise

27.07.2020

Die innersten Strukturen integrierter Schaltkreise enthüllen Linzer Forscher in Kooperation mit internationalen Kollegen mit Hilfe eines neuen Abbildungsverfahrens. Bisher war es kaum möglich, die winzigen Strukturen im Inneren von Siliziumchips zerstörungsfrei zu überprüfen. Die neue, im Fachjournal "Nature Electronics" vorgestellte Technik erlaubt nun einen präzisen Blick in die Schaltkreise.

Das Herzstück integrierter Schaltkreise sind winzige Anordnungen von Fremdatomen in Silizium. "Das sind Strukturen im 20 Nanometer-Bereich mit Hunderten solcher Dotieratome", erklärte Studienautor Georg Gramse vom Institut für Biophysik der Universität Linz und der Keysight Technologies Austria GmbH gegenüber der APA. Diese wenigen Fremdatome müssen sehr präzise platziert werden und sehr gut definierte elektrische Eigenschaften aufweisen. Für die entscheidenden Bauteile von zukünftigen Quantencomputern, müssen einzelnen oder wenige Fremdatome - sogenannte Quantenpunkte - sogar noch genauer, mit nahezu atomarer Präzision, im Halbleiter positioniert werden.

Rasterkraftmikroskop mit breitbandiger Anregung

Das Problem ist, dass man derzeit kaum auf zerstörungsfreie Weise feststellen kann, ob diese winzigen Strukturen die notwendigen strengen Anforderungen erfüllen, ob es Fehlstellen gibt oder unerwünschte Schaltungen, so Gramse. Gemeinsam mit Kollegen von IBM Research, der ETH Zürich und dem University College London (UCL) hat er nun ein neues Abbildungsverfahren entwickelt. Dieses basiert auf einem Rasterkraftmikroskop mit einer besonderen breitbandigen elektrischen Anregung.

Bei einem Rasterkraftmikroskop wird üblicherweise eine sehr dünne Spitze über die Oberfläche des zu untersuchenden Objekts bewegt und die Kraft gemessen, die zwischen Spitze und Oberfläche wirkt. Bei dem neuen Verfahren sendet diese Spitze elektromagnetische Wellen in den Halbleiter. So lassen sich die Anordnungen der Fremdatome unter der Oberfläche abbilden und lokalisieren.

Weil dabei eine Vielzahl an Frequenzen verwendet werden kann, enthüllt sich eine Fülle an bisher unzugänglichen Details über die Dotieratome und ihre Elektrodynamik, also wie sich Ladungsträger durch die Strukturen bewegen, ob es Fehlstellen gibt, usw. Die zusätzlichen Informationen seien entscheidend, um vorherzusagen, wie gut die Schaltkreise letztendlich funktionieren werden.

Tests mit eigens hergestellten Bauteilen

"Wir können mit dem Abbildungsverfahren bis zu 200 Dotieratome auflösen, die unter ebenso vielen Siliziumatomen verborgen sind", sagte Gramse. Die Auflösung sei abhängig davon, wie tief die zu beobachtenden Strukturen im Silizium begraben sind. Getestet haben die Wissenschafter ihr Verfahren anhand von zwei eigens hergestellten Bauteilen mit Dotierstrukturen aus Bor und Phosphor.

Für Neil Curson vom UCL "hätte diese Forschung angesichts der massiven weltweiten Bemühungen, kleinere Elektronik oder Quantencomputer in Silizium herzustellen, zu keinem besseren Zeitpunkt kommen können". Denn die Technologien zur Qualitätsüberprüfung habe bisher nicht mit den Erfolgen bei der Herstellung immer kleinerer und komplizierterer Komponenten mithalten können.

Service: https://doi.org/10.1038/s41928-020-0450-8

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