Forskare vid KU Leuven och Imec har framgångsrikt utvecklat en ny teknik för att isolera mikrochips. Tekniken använder metallorganiska ramverk, en ny typ av material som består av strukturerade nanoporer. På lång sikt kan denna metod användas för utveckling av ännu mindre och kraftfullare chips som förbrukar mindre energi. Teamet har fått ett ERC Proof of Concept-bidrag för att vidareutveckla sin forskning.

Datorchips blir allt mindre. Det är inte något nytt: Gordon Moore, en av grundarna av chiptillverkaren Intel, förutspådde det redan 1965. Moores lag säger att antalet transistorer i ett chip, eller integrerad krets, fördubblas ungefär vartannat år. Denna prognos justerades senare till 18 månader, men teorin kvarstår. Chips blir mindre och deras processorkraft ökar. Numera kan ett chip ha över en miljard transistorer.
Men denna fortsatta krympning leder också till ett antal hinder:  De allt mer tätpackade switcharna och ledningsmönstren genererar högre motstånd. med det följer att chipet förbrukar mer energi för att överföra signaler. För att få ett väl fungerande chip behöver man ett isolerande ämne som skiljer ledningarna från varandra och ser till att de elektriska signalerna inte störs. Det är emellertid inte en lätt sak att uppnå på nanoskala nivå.

Nanoporösa kristaller
En studie ledd av KU Leuven-professorn Rob Ameloot (Institutionen för mikrobiella och molekylära system) visar att en ny teknik kan ge lösningen.

– Vi använder metallorganiska ramverk (MOF) som isolerande ämne. Dessa material består av metalljoner och organiska molekyler. Tillsammans bildar de en kristall som är porös men ändå stark.
För första gången lyckades ett forskarteam vid KU Leuven och Imec applicera MOF-isolering på ett elektroniskt material. Det skedde med en industriell metod som kallas kemisk deponering i ångfas, säger forskaren Mikhail Krishtab, postdoktor vid institutionen för mikrobiella och molekylära system, KU Leuven.

– Först placerar vi en oxidfilm på ytan. Sedan låter vi det reagera med ånga av det organiska materialet. Denna reaktion får materialet att expandera och bildar de nanoporösa kristallerna.

– Den huvudsakliga fördelen med den här metoden är att den är ”bottom-up”, säger Krishtab. Vi deponerar först en oxidfilm, som sedan sväller upp till ett mycket poröst MOF-material. Du kan jämföra det med en sufflé som puffar upp i ugnen och blir väldigt lätt. MOF-materialet bildar en porös struktur som fyller alla mellanrum mellan ledarna. Så vi vet är isoleringen fullständig och homogen. Med andra metoder, i perspektivet ”top-down”,  finns det fortfarande risk för små luckor i isoleringen.

Kraftfull och energieffektiv
Professor Ameloots forskargrupp har fått ett ERC Proof of Concept-bidrag för att vidareutveckla tekniken i samarbete med Silvia Armini från Imecs team som arbetar med avancerade dielektriska material för nanochips.

– På imec har vi expertis att utveckla wafer-baserade lösningar, skala ned processer ”från labb till fab” och bana vägen för att förverkliga en tillverkar lösning för mikroelektronikindustrin.
– Vi har visat att MOF-materialet har rätt egenskaper, fortsätter Ameloot. Nu måste vi bara förfina efterbehandlingen. Ytan på kristallerna är för tillfället fortfarande oregelbunden. Vi måste jämna ut denna för att kunna integrera materialet i ett chip.
När tekniken är fullt utvecklad kan den användas för att skapa kraftfulla, små chips som förbrukar mindre energi.
– Olika AI-applikationer kräver mycket processorkraft. Tänk på självkörande bilar och smarta städer. Teknologiföretag letar ständigt efter nya lösningar som är både snabba och energieffektiva. Vår forskning kan vara ett värdefullt bidrag till en ny generation chip.

Läs mer i studien ”Vapor-deposited zeolitic imidazolate frameworks as gap-filling ultra-low-k dielectrics ” som publicerades i Nature Communications.

Filed under: Utländsk Teknik