Computerchips bestimmen heute unser Leben: In jedem Smartphone arbeiten Milliarden von Transistoren, die mittlerweile oft nur noch aus einigen hundert Atomen bestehen. In diesen winzigen Transistoren einen fehlerfreien Betrieb zu garantieren, stellt Hersteller und Forscher vor besondere Herausforderungen. Man muss die Technologie sehr exakt verstehen, um zu verhindern, dass bei der Produktion eine große Zahl funktionsunfähiger Chips aussortiert werden muss, oder dass es später nach einer geringen Lebensdauer schon zu Problemen kommt.
An der TU Wien wird seit Jahren intensiv an neuartigen Technologien für Halbleiterchips geforscht. Nun startet das hochdotierte COMET-Projekt „REACT“, in dem das Team von Prof. Michael Waltl und Prof. Tibor Grasser vom Institut für Mikroelektronik der TU Wien gemeinsam mit den nationalen Industriepartnern Infineon Technologies Austria AG und Global TCAD Solutions aus Österreich, sowie mit den renommierten internationalen Forschungseinrichtungen imec aus Belgien und CEA-Leti aus Frankreich die Zuverlässigkeit von nanoelektronischen Bauelementen untersuchen und verbessern wird.
Versuch und Irrtum ist zu wenig
„Durch die stetigen Weiterentwicklungen in der Halbleiterindustrie sind auch neue und bessere Möglichkeiten zur Evaluierung der Zuverlässigkeit von Bauteilen notwendig“, sagt Michael Waltl. „Das liegt nicht nur daran, dass die Bauteile immer kleiner werden, sondern auch daran, dass man in Zukunft auch neuartige Materialien verwenden möchte, etwa 2D-Materialien. Wie kann man mit solchen Bauteilen dann erfolgreich komplexe Chips herstellen, und mit welchen Spannungen kann man sie betreiben? Solche Fragen sind schwer zu beantworten.“
Auch die sogenannte „3D-Integration“ ist derzeit ein brennend heißes Thema, das in der Chipindustrie zu großen Änderungen führt: Anstatt einzelne Transistoren flach nebeneinander zu planen, kann man sie stapeln – wie Wohnungen in einem Hochhaus. Dadurch kann mehr Funktionalität auf engerem Raum gepackt werden und Chips werden so kleiner und auch effizienter. Allerdings bringt dieser Ansatz auch neue Herausforderungen mit sich, wenn es zum Beispiel um ein effizientes Abführen der Hitze geht. Auch die Herstellung der einzelnen Schichten ist ein sehr komplexes Thema.
Heute löst man technische Probleme in der Chipherstellung oft einfach durch Erfahrung: Man probiert aus, was funktioniert – und rechnet dann noch gewisse Sicherheitsmargen ein. Aber das ist keine effiziente Strategie. „Auf diese Weise wählt man vielleicht manchmal Margen, die gar nicht nötig wären. Was man eigentlich möchte, ist: Ein tiefes, wissenschaftliches Verständnis der Prozesse, die wirklich zu Verschleiß führen“, erklärt Waltl.
Ein Werkzeugkoffer für die Halbleiterindustrie
Genau darum geht es nun in dem neuen Forschungsprojekt: REACT soll einen ganzen Werkzeugkoffer an neuen Methoden hervorbringen, die dann in der Industrie zum Einsatz kommen werden. Dieser „TRUST-Toolkit“ wird aus hochoptimierten Messsystemen und neuen theoretischen Modellen bestehen.
Damit soll es möglich werden, die Alterung von Bauteilen nicht nur exakt zu messen, sondern auch korrekt zu beschreiben und das Verhalten vorherzusagen. Fehlerquellen sollen nicht nur erkannt, sondern auch physikalisch verstanden werden, um Chips robuster gegen das Altern zu machen. Auch Energie soll auf diese Weise gespart werden können, weil man Sicherheitsmargen reduzieren kann.
Die Basis für die Halbleiterindustrie von morgen
„Unser Projekt soll dazu beitragen das Fundament für die nächste Chip-Generation liefern“, sagt Michael Waltl. „Daher freuen wir uns ganz besonders, dass wir es geschafft haben, entscheidende, national und international führende Firmen als Kooperationspartner zu gewinnen.
Das Projekt „REACT“ wird von der österreichischen Forschungsförderungsgesellschaft FFG, der Wirtschaftsagentur Wien (WAW) und dem Kärtner Wirtschaftsförderungs Fonds (KWF) finanziert. Es startet am 1.12.2025 und ist auf eine Laufzeit von vier Jahren ausgelegt. Ziel des COMET-Förderprogramms ist es, an neuen Technologien zu forschen, welche die internationale Wettbewerbsfähigkeit sichern – mit starker Einbindung von Unternehmen, hoher wissenschaftlicher Qualität und deutlicher wirtschaftlicher Verwertbarkeit.
Rückfragehinweis
Univ.Prof. Dr. Michael Waltl
waltl@iue.tuwien.ac.at
Univ.Prof. Dr. Tibor Grasser
grasser@iue.tuwien.ac.at
Institut für Mikroelektronik
Technische Universität Wien