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Bayerischer Forschungsverbund für Nanoelektronik (FORNEL)

Forschung:

Projekte

Die Mikroelektronik und ihre Anwendungen spielen heute auf allen technischen Gebieten und in fast allen Lebensbereichen wie Gesundheit, Mobilität, Sicherheit, Kommunikation und Unterhaltung eine unverzichtbare Rolle. Sie haben dadurch starke Auswirkung auf die Entwicklung unserer vernetzten und mobilen Gesellschaft.
Das heutige Weltmarktvolumen elektronischer Bauelemente beträgt 226 Milliarden Euro mit erwarteten Steigerungsraten um 8% pro Jahr [1]. Fast 100.000 Arbeitsplätze hängen laut BMBF in Deutschland von Elektronik-Bauelementen ab, inklusive der erweiterten Bereiche Hardware, Software und IT-Dienstleistungen sind es fast 800.000 Arbeitsplätze. Davon entfällt ein großer Anteil auf Bayern als Standort für die IC-Fertigung sowie von Gerätefirmen. Als Schlüsseltechnologie und Innovationsmotor entscheidet die Mikroelektronik über die Wirtschaftskraft, Arbeitsplätze und Wohlstand eines Hochtechnologiestandortes wie Bayern.
Die Mikroelektronik unterliegt einer rasanten Entwicklung. Diese vollzieht sich bis heute streng nach der von Gordon Moore, einem der Mitbegründer von Intel, formulierten und als Mooresches Gesetz bekannten Erkenntnis, dass die meisten Kenngrößen der Halbleitertechnologie eine exponentielle Entwicklung aufweisen. So verdoppelt sich zum Beispiel die Anzahl der Bauelemente pro Speicherchip etwa alle 18 Monate. Die Dynamik der Mikroelektronik äußert sich in drastischen Preissenkungen, Reduzierung des Energieverbrauchs, sowie extremer Steigerung von Leistungsfähigkeit und Komplexität. Dies hat aber auch einen stark erhöhten Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionsaufwand zur Folge.
Zur Aufrechterhaltung dieser Entwicklung legt die International Technology Roadmap for Semiconductors (ITRS), die alle zwei Jahre durch ein Gremium neu erarbeitet wird, für die Halbleiterindustrie entsprechende Spezifikationen und Meilensteine fest. Ursprünglich 1992 als National Technology Roadmap for Semiconductors der amerikanischen Semiconductor Industry Association (SIA) entstanden, wurden im Jahr 1998 die wichtigen Entwicklungsregionen Europa, Japan, Korea und Taiwan mit ein-bezogen, so dass die ITRS heute die weltweite Entwicklung der Mikroelektronik vorgibt.
In jüngerer Zeit hat sich eine Tendenz zur Beschleunigung gegenüber dem durch das Mooresche Gesetz vorgegebenen Verlauf ergeben. Es zeigt sich ein Trend zur Verkürzung der Generationszyklen von drei auf zwei Jahre. Allerdings stößt das bisherige Fortschreiten der konventionellen Mikroelektronik in Richtung immer kleinerer und dünnerer Strukturen zunehmend auf sowohl fundamentale physikalische als auch ökonomische Grenzen, insbesondere auch im Bereich der Material- und Gerätetechnologien. Ein Beispiel für die bei weiterer Miniaturisierung auftretenden Schwierigkeiten ist die Dicke traditioneller Gateoxidschichten, die unter 2 nm nicht mehr einsetzbar sind. Es gibt für viele technische Barrieren noch keine Lösungsansätze oder eine Vorstellung davon, mit welchen Schwierigkeiten zu rechnen ist. Die mit erhöhtem Tempo stattfindende Annäherung an physikalische Grenzen hat zudem extrem steigende Kosten in Forschung und Produktion zur Folge.
Die Weiterentwicklung der Mikroelektronik nach den Vorgaben der ITRS, speziell für Zeiträume nach 2007 und für Strukturgrößen unter 65 nm, lässt sich mit den klassi-schen Technologien nur teilweise realisieren. Als Hürden sind hier beispielsweise zu nennen:

Neue Materialien:
Neue Leitermaterialien (Kupfer), neue Isolatoren (hoch-, niedrig- Dielektrika), neue Materialien für Gateelektroden (Metalle, Metallnitride) und Speicher

Neue Lithographieverfahren:
Ergänzung der optischen Lithographie durch alternative Verfahren für Strukturen unter 50 nm

Neue Bauelementkonzepte:
Si-Ge, Strained Si, vertikale Transistoren, nichtflüchtige Speicher, Double und Multi Gate Strukturen, Einzelelektronentransistoren

Neue Bauelementeffekte:
Ballistische Effekte, Quanteneffekte, statistische Fluktuationen, Grenzflächeneffekte

Beim Übergang von der Mikro- auf die Nanoelektronik erreicht die Siliciumtechnologie ihre Grenzen, deren Überwindung in vielen Punkten mit einem radikalen Tech-nologiewechsel hinsichtlich Prozessen, Materialien und Design verbunden sein wird. Für die Sicherung der zukünftigen Technologie- und Wettbewerbsfähigkeit ergeben sich Herausforderungen im Bereich der Herstellungstechnologien sowie der Bauelemente und Schaltungen.
Die Schwierigkeiten bei den Herstellungstechnologien bestehen vor allem im Hinblick auf vertikale und laterale Strukturierung. In vertikaler Richtung werden für Grenzflächen und Zwischenschichten Schichtdicken notwendig, die nur wenige oder eine Atomlage umfassen. Es müssen Abscheideverfahren für dielektrische Schichten, Barriereschichten und Steuerelektroden gefunden werden, die einen Schichtaufbau mit atomar kontrollierter Schichtfolge erlauben. Der Einfluss von Grenzflächen wird mit dünner werdenden Schichten immer stärker, so dass die Übergänge sehr gezielt erfolgen müssen. Eine sehr wichtige Rolle spielen neue Materialien (z.B. hoch- und nieder-Epsilon-Dielektrika). Die Schichten skalieren zusammen mit den lateralen Strukturen, und es werden sehr viele verschiedene Arten von Schichten und Technologien benötigt (Steuerelektrode, Dielektrika, Metallisierungsschichten, vielfältige Barriereschichten, Speichermaterialien).
Diese dünnen Schichten müssen mit geeigneten Technologien lateral strukturiert werden. Die laterale Miniaturisierung beinhaltet die Weiterentwicklung der optischen Lithographie nach DUV (tiefes Ultraviolett) und EUV (extremes Ultraviolett) sowie alternative Lithographie in Form von neuen Verfahren mit direktschreibender Struktu-rierung mittels Elektronen- bzw. Ionenstrahl und sogenannten Imprint-Technologien. Optische Lithographie und Elektronenstrahl-Lithographie ermöglichen heute bereits Strukturgrößen im Bereich von einigen zehn Nanometern. Ob sich mit beiden Verfahren auf Fertigungsmaßstab und wirtschaftlich Bauelemente auch im Bereich von 20 nm und darunter fertigen lassen, ist aufgrund des hohen Aufwands jedoch fraglich. Bei EUV-Lithographie stellt sich die Frage nach der Beherrschbarkeit der Kosten. Ein weiteres Problem könnte sich bei den optischen Verfahren mit sehr kurzer Wellenlänge auch beim Photolack ergeben, wenn die Strukturen sich der Größe der Lackmoleküle annähern. Ein neuartiges und aussichtsreiches Verfahren der Strukturierung stellt das Imprint-Verfahren dar, das auch für einfache Systeme mit überschau-baren Kosten einsetzbar scheint. Dabei wird eine mechanische Strukturübertragung (Stempeln) mittels flüssigem und aushärtendem Polymer durchgeführt. Es bietet sich speziell für nicht zu komplexe Systeme wie Nanosystemtechnik und Speicherzellen sowie die Strukturierung der oberen Ebene (Metallisierung) an.
Im Bereich der Bauelemente und Schaltungen sind neuartige und optimierte Konzepte gefordert, um die angestrebte Verkleinerung der Strukturen umsetzen zu kön-nen, die in weiten Teilen die Grenzen des klassischen CMOS überschreiten werden. Diese Neuerungen werden weitgehend auf Silicium-Basis arbeiten oder mit der Silicium-Technologie kompatibel sein. Ziele sind hier zum Beispiel die Realisierung höchster Frequenzen über 100GHz oder hochintegrierter nichtflüchtiger Speicher. Bereits die generelle Verkleinerung herkömmlicher CMOS-Bauelemente bis an Strukturgrößen, die atomare Skalen erreichen, ist ein wichtiger Aspekt der Nanoelektronik. Bisher nicht relevante Effekte (statistische Schwankungen, ballistische Ef-fekte, Quanteneffekte) beeinflussen die Bauelementecharakteristik immer stärker und erfordern neben der Erarbeitung der physikalischen Grundlagen in Modellierung und Simulation auch die Entwicklung neuer Konzepte und neuartiger Strukturen. Dies eröffnet die Möglichkeit, neue Bauelemente zu realisieren. Vertikale Transistorstruk-turen, neuartige Gateanordnungen, Mehrfachsteuerelektroden, Quantenpunkte, Few bzw. Single Electron Transistoren und Tunneltransistoren werden als aussichtsreiche Kandidaten gesehen.
Um das Potential neuer Bauelemente für die Höchstintegration zu bewerten, muss deren Einsatz in Schaltungen und Systemen betrachtet werden. Sie sind dann att-raktiv, wenn die Leistungsfähigkeit der herkömmlichen CMOS-Technik bezüglich Geschwindigkeit, geringer Verlustleistung und günstigen Herstellungskosten übertroffen wird. Zudem bietet sich z.B. mit Tunneltransistoren in der Analogtechnik die Möglichkeit, neue Schaltungstopologien mit besseren Eigenschaften zu realisieren.
Neben neuartigen Transistoren rücken innovative Speicherkonzepte in den Mittelpunkt des Interesses, aufgrund des Bedarfs für digitale Musik, Fotografie und Datenspeicherung vor allem für nichtflüchtige Speicher, deren Prinzip nicht auf Ladungsspeicherung beruht. Es werden unter anderem magnetische bzw. ferroelektrische Effekte oder Phasenänderungen genutzt. Auch hier ist die Erforschung anwendungsspezifischer neuer Materialien essentiell.
Die führende Rolle in der Mikro- und Nanoelektronik ist dabei, sich von Japan in die USA, aber teilweise auch nach Europa zu verschieben [1]. Allerdings besteht in vieler Hinsicht noch deutlicher Nachholbedarf gegenüber der internationalen Konkurrenz. So wird Deutschland vom BMBF [1] unter anderem eine starke Position auf dem Gebiet der Leistungselektronik, in der Materialforschung zur Halbleitertechnik sowie eine hervorragende Forschungslandschaft zur Halbleitertechnologie insgesamt bescheinigt. Außerdem gibt es eine relativ starke mittelständische Geräteindustrie. Demge-genüber steht jedoch eine Eigenversorgungsrate mit Chips von unter 50% in Europa, eine geringe Anzahl von Schlüsselpatenten in Deutschland, ein unterkritischer Anteil von deutschen Geräteherstellern am Weltumsatz und die Tatsache, dass ein Großteil der Halbleiterfabriken Töchter ausländischer Unternehmen sind, während es nur ei-nen großen deutschen Halbleiterhersteller gibt.
In Bayern sind im Bereich der Mikro- und Nanoelektronik große Forschungskapazitäten an den Universitäten und Forschungseinrichtungen vorhanden. Speziell in München und Erlangen finden sich starke Aktivitäten zur Siliciumtechnologie. In Würzburg wird zudem die Technologie von Verbindungshalbleitern wie Galliumarsenid erfolgreich vorangetrieben. Die Einrichtungen gehören zu den führenden in Europa und teilweise weltweit. Diese Kompetenzen bilden von akademischer Seite eine hervorragende Grundlage für eine umfassende Forschung zur Nanoelektronik.
Obwohl in jüngerer Zeit vor allem in Sachsen (Raum Dresden) große Chipfabriken angesiedelt wurden, ist Bayern nach wie vor ein Zentrum der Halbleiterindustrie. Für Infineon sowie zahlreiche mittelständische Unternehmen, die auf dem Gebiet der Halbleitertechnologie vor allem im Bereich der Schichtabscheidung und Strukturierung tätig sind, ist die Mikro- und Nanoelektronik von strategischer Bedeutung. Vor allem die mittelständischen Unternehmen müssen sich auf neue und alternative Verfahren und Technologien stützen und sich hier frühzeitig Erkenntnisse und Kom-petenzen sichern.
Die Halbleitertechnologie ist mit dem Übergang von der Mikro- zur Nanoelektronik dabei, eine neue entscheidende Entwicklungsphase einzuleiten. Es besteht angesichts der laufenden internationalen Aktivitäten akuter Handlungsbedarf, Bayern für die Nanoelektronik zu stärken, um sich entscheidende Vorteile im Wettbewerb der Forschungs- und Fertigungsstandorte zu sichern und Bayern als attraktiven Partner in Industrie und Forschung für internationale Allianzen im Europa der Regionen zu etablieren. Der Bayerische Forschungsverbund für Nanoelektronik (FORNEL) wird dazu beitragen, erfolgreiche Entwicklungen zur Nanoelektronik bis zur Markteinfüh-rung und damit eine Wertschöpfung durch bayerische Unternehmen inklusive der Sicherung und Schaffung von Arbeitsplätzen zu ermöglichen.
Ziel des Verbundes ist die Abdeckung von Schlüsselaspekten der Nanoelektronik anhand von ausgewählten, für die Entwicklung der Nanoelektronik wichtigen Teilprojekt-Themen, die eine große wissenschaftliche Relevanz, ein hohes industrielles Potential und einen engen Bezug zur Industrie in Bayern aufweisen. Durch den Verbund werden die Kooperationen der akademischen Partner gestärkt und durch Bündelung der Kompetenzen größtmögliche Synergieeffekte für die thematisch verknüpften Teilprojekte erreicht. Die Partner werden so durch Erfahrungsaustausch und gegenseitige Nutzung von Techniken und Infrastruktur voneinander profitieren. Über die Einzelprojekte hinaus ist geplant, ein Netzwerk zur gegenseitigen Nutzung von Infrastruktur und Austausch von Wafern aufzubauen.
Von großer Bedeutung ist der Transfer der gewonnenen Erkenntnisse in industrielle Produkte und Anwendungen. Der Verbund wird wichtige Beiträge für die Entwicklung der Nanoelektronik leisten und entscheidende technologische Neuerungen durch eine industrielle Umsetzung bei bayerischen Industriepartnern auf den Weg bringen. Die am Verbund beteiligten Industriepartner gewährleisten eine rasche und anwendungsorientierte Umsetzung der Forschungsergebnisse und stellen somit eine Wertschöpfung in Bayern mit positiven Auswirkungen für den bayerischen Arbeitsmarkt sicher.
Die Entwicklung der Nanoelektronik steht in vielen Bereichen noch sehr am Anfang. Es sind teils völlig neue Technologien und Konzepte für den Übergang auf die Nanoelektronik erforderlich. Mit diesem hohen Innovationsgehalt ist ein erhebliches fachliches und wirtschaftliches Risiko verbunden, das die entwickelnden Firmen ohne Förderung allein nicht tragen könnten. Das Verbundvorhaben FORNEL wird den beteiligten bayerischen Industriepartnern die Möglichkeit geben, in Zusammenarbeit mit den Forschungseinrichtungen des Verbundes die geplanten Arbeiten zu zukunftsträchtigen Forschungs- und Entwicklungsthemen mit großem wirtschaftlichen Potential zu realisieren.
Die Verbundinitiative zur Nanoelektronik FORNEL wird Bayern eine starke und konkurrenzfähige Position im internationalen Wettbewerb der angewandten Forschung sichern. Neben den konkreten technischen Neuentwicklungen werden durch den Verbund breite Kooperation und Dialog zwischen den akademischen und den industriellen Partnern gestärkt. Die bayerische Forschungslandschaft zur Nanoelektronik wird durch den Kompetenzgewinn auch als Partner für Firmen außerhalb des Verbundes attraktiver. Bayern wird damit im Bereich der Nanoelektronik ein attraktiver Standort für Zulieferfirmen von Technologien und Geräten bis hin zur Fertigung von Bauelementen.

[1] BMBF Förderprogramm IT-Forschung 2006, Förderkonzept Nanoelektronik.

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