Wenn der Härtetest täuscht: Warum die Chipindustrie ihre Zuverlässigkeitsprüfungen überdenken muss

Wie lange hält ein Computerchip durch, bevor er ausfällt? Für die Halbleiterindustrie ist das keine akademische Frage, sondern eine mit enormen wirtschaftlichen Folgen. Eine aktuelle Arbeit der Technischen Universität Wien, entstanden gemeinsam mit Teams von IBM und der National University of Singapore, kommt nun zu einem unbequemen Befund: Die Tests, mit denen neuartige Isolatormaterialien für Chips üblicherweise geprüft werden, liefern in vielen Fällen keine verlässlichen Aussagen. Die Ergebnisse wurden in der Fachzeitschrift Nature Electronics veröffentlicht.

Messen, bis es knallt – und warum das nicht mehr reicht

Das klassische Prüfverfahren klingt robust: Man legt an eine Isolatorschicht eine elektrische Spannung an, erhöht sie kontinuierlich und notiert, bei welchem Wert das Material durchschlägt. Aus diesem Durchbruchswert wird dann hochgerechnet, was eine viel dünnere Schicht im echten Transistor aushalten müsste – nach der einfachen Logik: ein Zehntel der Dicke verträgt ein Zehntel der Spannung.

Bei den dicken Schichten früherer Chip-Generationen funktionierte diese Faustregel leidlich. Bei den nanometerdünnen Isolatoren moderner Mikroelektronik führt sie laut den Forschenden jedoch systematisch in die Irre. Der Grund: Der Durchbruch ist keine feste Materialeigenschaft, sondern ein zufälliges, zeitabhängiges Ereignis. Ob und wann eine Schicht versagt, hängt davon ab, wie schnell die Spannung im Test hochgefahren wird, wie warm die Probe ist und wie groß ihre Fläche ausfällt – denn je größer die Fläche, desto mehr mikroskopische Schwachstellen enthält sie. Wer all das ignoriert, erhält Werte, die nach Angaben des Wiener Teams „in der Regel komplett daneben“ liegen.

Teure Fehleinschätzungen in einer heiklen Phase

Brisant ist das, weil die Branche mitten in einem Umbruch steckt. Für künftige Chip-Generationen werden neue Materialien und Architekturen erprobt, und welcher Isolator sich am besten eignet, ist vielfach noch offen. Wer die Ausfallraten eines Kandidaten falsch einschätzt, riskiert Fehlentscheidungen, die sich erst Jahre später zeigen – dann, wenn Bauteile schneller altern als vorhergesagt. Das bislang einzige zuverlässigere Verfahren, bei dem Proben unterschiedlicher Größe über lange Zeit konstanten Spannungen ausgesetzt werden, ist wiederum extrem langwierig: Bis brauchbare Daten vorliegen, können Monate vergehen.

Statistik statt Faustregel

Der Vorschlag der Forschenden setzt deshalb auf einen Mittelweg. Auch dabei wird die Spannung bis zum Versagen des Bauteils erhöht – allerdings auf genau definierte Weise und mit mindestens drei verschiedenen Geschwindigkeiten. Die Messdaten werden anschließend nicht direkt hochgerechnet, sondern mit einem statistischen Modell ausgewertet, das die Beschleunigung durch die Spannung mit der Versagenswahrscheinlichkeit verknüpft. Am Ende steht eine Aussage, die für die Industrie unmittelbar verwertbar ist: Welche maximale Betriebsspannung hält eine bestimmte Zahl von Bauelementen einer bestimmten Fläche über einen definierten Zeitraum aus?

Damit ließen sich unterschiedliche Materialkandidaten deutlich schneller und belastbarer vergleichen als mit monatelangen Dauertests – und zugleich seriöser als mit der überholten Faustregel. Für Forschung und Entwicklung könnte das Verfahren so zu einer Art Abkürzung werden, die keine Abstriche bei der Aussagekraft verlangt.

Einordnung

Dass eine etablierte Prüfmethode grundsätzlich infrage gestellt wird, ist in der Halbleitertechnik kein Alltagsereignis. Ob sich der Wiener Vorschlag als neuer Standard durchsetzt, werden die kommenden Jahre zeigen – Prüfnormen ändern sich in der Industrie erfahrungsgemäß langsam. Die Studie macht aber deutlich, dass die Miniaturisierung nicht nur die Fertigung, sondern auch die Qualitätssicherung vor Grundsatzfragen stellt: Je kleiner die Strukturen, desto weniger lassen sich alte Gewissheiten einfach herunterskalieren.

Dieser Beitrag ist eine redaktionelle Einordnung auf Basis einer Pressemitteilung der TU Wien (via Informationsdienst Wissenschaft) und der zugehörigen Publikation in Nature Electronics.

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