KTH siktar på under 10 nm med vanlig litografi

Enkla supertransistorer testbädd för nya material

KTH har lyckats arbeta upp ett internationellt rykte för sin halvledarforskning. Men framtida processer för 45 nanometer eller mindre är på tok för dyra för en vanlig högskola.I stället har KTH utvecklat en egen metod som ger billiga transistorer för forskningssyfte ner mot 10 nm.

- Den maskin som KTH använder för litografi är en stepper som kostar 15 miljoner kronor. Den klarar bekvämt 0,5 μm. Men för mindre geometrier måste man gå ner i ljusvåglängd. Det blir dyrare och dyrare, och kostnaden är till slut 100 miljoner kronor. Det spelet är vi inte med på.

Det berättar Mikael Östling, professor och chef för mikroelektronikforskningen på KTH. Men för att forskningen kring kiselelektronik ska kunna tillföra något måste den göras på kommande geometrier med 45 nanometer eller mindre.

- Vi har sett till att sätta Sverige på kiselkartan, och vi är nu en av de tunga noderna i Europa, tillsammans med forskningsinstituten IMEC och LETI och universitetet i Southampton. Vi står på en nivå där vi kan samarbeta med de stora aktörerna. Tillsammans med LETI har vi till exempel visat att kiselgermanium fortsätter att ge förhöjd mobilitet ner till 50 nm, vilket tidigare var ifrågasatt.

Egen transistor behövs
Samarbete är en sak, men för att bedriva egen, självständig forskning behöver KTH egna nanoprocesser.

- Vi kan inte komma till LETI med alla udda material vi föreslår och be att få köra med deras processer.

I stället har man på KTH kommit på en finurlig process som med så kallad spacer-teknik ger transistorer på 50 nm eller mindre med befintlig utrustning.

- Vi har fått fram transistorer på 60 nm med den här metoden. Problemet just nu är att etsningen inte är jätteskarp. Den kommer att bli bättre med kalibrering, och vi klarar gott och väl 50 nm med metoden. Med den nya etsutrustningen som håller på att installeras från Ericsson siktar vi på 10 nm och lägre.

Metoden kan bäst förklaras i bild. En öppning på 0,5 μm etsas i materialet, varpå ett lager kiselnitrid deponeras över denna. Sedan etsas kiselnitriden bort igen, men eftersom etsningen etsar lika djupt överallt och deponeringen lagt sig tjockare i hörnen av öppningen blir det litet kiselnitrid kvar vid hörnen.

Dessa kiselnitridhörn fungerar som skydd när omgivande material etsas bort i en kombination av torr och våtetsning i flera steg. Kvar blir två strukturer med 0,5 μm avstånd från varandra som det går att göra transistorer av. Tekniken lämpar sig knappast för kommersiell kretskonstruktion, men för prototyptransistorer i labbmiljö är det en utmärkt lågprislösning.

- Metoden är hyfsat välkontrollerad. För enstaka transistorer är den förträfflig.

Transistorerna är framtagna som en del av ett nationellt program för högfrekvenskisel där även Chalmers och Ångströmlaboratoriet deltar. Programmet är inne på sista verksamhetsåret och har haft en budget på 50 miljoner från Stiftelsen för Strategisk Forskning. 50 procent av pengarna har gått till KTH.

Hafnium eller lantan
Ett exempel på den forskning som kan bedrivas på transistorerna är dielektrikamaterial med högt k-värde. Dessa behövs som isolation mellan gate och kanal för att ge hög mobilitet i transistorn. Dielektrikat (normal används kiseloxid) måste vara så tunt som möjligt, men det finns en fysisk gräns för hur tunt skiktet kan bli utan att tunnelströmmar börjar att dominera. Därför vill man ha material som elektriskt sett är tunna men behåller en viss fysisk tjocklek. Ett sådant material är hafniumoxid.

- Hafniumoxid ser väldigt bra ut, men det ger bara en förbättring med kanske en faktor tre. På sikt kommer man att vilja ha uppemot en hundrafaldig förbättring, och då är sällsynta jordartsmetaller som till exempel lantanoxid intressanta. Universitetsforskningen kan göra ett verkligt bidrag här, men då måste tekniken testas på verkliga transistorer. Även andra forskargrupper inom nanoteknologin bör ha stort intresse för tekniken som ger oss en generell teknologi för att göra nanostrukturer.

Elias Nordling