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Samsung entwickelt Bornitrid-Graphen als Interconnect-Trennschicht

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mbcfetSamsung vermeldet eine weitere Neuentwicklung aus dem Bereich der Halbleiterherstellung. Sogenanntes amorphes Bornitrid-Graphen oder auch weißes Graphen soll als Trennschichten in Halbleiterbauelementen zum Einsatz kommen. Das amorphe Bornitrid-Graphen ist eine gemeinsame Entwicklung des Samsung Advanced Institute of Technology (SAIT), des Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) in Korea und der University of Cambridge.

Das SAIT arbeitet schon seit Jahren an neuen 2D-Materialien. Diese haben häufig eine Höhe bzw. Materialstärke von nur wenigen Atomen. Im Bereich der kristallinen Strukturen werden Strukturen und Moleküle hergestellt, die extrem rein sein müssen. Bei Samsung selbst arbeitet man beispielsweise an Multi-Bridge-Channel-FETs (MBCFET), die als nächste Generation der Feldeffekttransistoren (FET) angesehen werden. Diese sollen ab 2022 in der Fertigung zum Einsatz kommen und haben je nach Kanalstärken der Gate-All-Around-Transistoren nur wenige Atomstärken an Dicke vorzuweisen.

Im Zuge zukünftiger Entwicklungen kommt dann das amorphe Bornitrid-Graphen ins Spiel. Dabei handelt es sich um eine Bor-Stickstoff-Verbindung, die in einer hexagonalen Struktur zusammengebracht wird. Da es sich um keine geordnete Struktur und keine Kristalle handelt, spricht man hier von einem amorphen Material. Hier ist auch die Rede von weißem Graphen, weil es sich um ein Derivat des bekannten schwarzen Graphens aus Kohlenstoff handelt.

In diesem Zusammenhang ist es wichtig, dass bei der Verarbeitung und Herstellung des amorphen Bornitrid-Graphen nur Temperaturen von 400 °C notwendig sind. Beim Erhitzen eines amorphen Materials kann es zur spontanen Kristallisation kommen – diese muss hier unbedingt verhindert werden. 

Das amorphe Bornitrid-Graphen besitzt eine besonders niedrige Permittivität. Diese wird auch als dielektrische Leitfähigkeit bezeichnet und beschreibt die Fähigkeit eines Materials mit einem elektrischen Feld wechselzuwirken. Samsung spricht davon eine Permittivität von 1,78 erreicht zu haben. Im Vakuum beträgt die exakt 1, ein Metall wie Germanium kommt auf eine Permittivität von 16,6.

Besonders durch die geringe Permittivätet soll sich das amorphe Bornitrid-Graphen für den Einsatz in Halbleitermaterialien eignen. Zwischen den verschiedenen leitenden Schichten in einem Silizium-Chip kommt es zu elektrischen Wechselwirkungen. Diese weitestgehend verringern zu können, macht geringere Strukturgrößen, damit eine engere Packdichte, aber auch höhere Taktraten möglich. Zunächst wird Samsung diese Technologie in NAND- und DRAM-Produkten einsetzen.

Der Name Interconnect-Trennschicht für das amorphe Bornitrid-Graphen bedeutet nicht zwangsläufig, dass wir hier von einer physikalischen Ebene für Interconnect-Techniken sprechen, sondern zwischen den Transistoren in einem Chip gibt es natürlich ebenfalls Leiterbahnen, bei denen eine Wechselwirkung weitestgehend minimiert werden muss.

"To enhance the compatibility of graphene with silicon-based semiconductor processes, wafer-scale graphene growth on semiconductor substrates should be implemented at a temperature lower than 400°C." sagt Hyeon-Jin Shin, Projektleiter und Principal Researcher am SAIT. "We are also continuously working to expand the applications of graphene beyond semiconductors."