Pesquisadores da Universidade Cornell usaram imagens 3D de alta resolução pela primeira vez para identificar defeitos em escala atômica dentro de chips de computador. Essas pequenas falhas podem prejudicar o desempenho de um chip, tornando-as um grande problema para a eletrônica atual.
A nova técnica de imagem foi desenvolvida em colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM). À medida que os chips de computador alimentam dispositivos que vão desde smartphones e carros até centros de dados de IA e computadores quânticos, a descoberta pode impactar muitas áreas da tecnologia.
Os resultados foram publicados em 23 de fevereiro Comunicações da natureza. O estudante de doutorado Sheik Karapetyan atuou como autor principal do estudo.
“Como não há outra maneira de ver a estrutura atômica desses defeitos, esta será uma ferramenta muito importante para avaliar as características de depuração e detecção de falhas em chips de computador, especialmente na fase de desenvolvimento, “disse David Mueller, Samuel B. Eckert Professor de Engenharia na Cornell Duffield College of Engineering, que liderou o projeto.
Por que pequenos defeitos são importantes em chips semicondutores
Defeitos estruturais extremamente pequenos há muito desafiam a indústria de semicondutores. À medida que os microcircuitos se tornam mais complexos e os seus componentes diminuem até ao tamanho de átomos individuais, mesmo pequenas perturbações podem afetar o desempenho dos dispositivos.
No centro de cada chip de computador está um transistor. Este minúsculo componente atua como um interruptor que controla o fluxo da corrente elétrica. Cada transistor contém um canal que abre e fecha para regular o fluxo de elétrons.
“Um transistor é como um pequeno tubo para elétrons em vez de água”, disse Muller. “Você pode imaginar que se as paredes do tubo forem muito ásperas, isso tornará as coisas mais lentas. E medir o quão ásperas são as paredes e quais paredes são boas e quais paredes são ruins é ainda mais importante agora.”
Dos primeiros transistores às estruturas de microcircuitos 3D
Muller estuda há muito tempo os limites físicos da tecnologia de semicondutores. De 1997 a 2003, trabalhou em pesquisa e desenvolvimento no Bell Labs, onde os transistores foram inventados, pesquisando o quão pequenos esses dispositivos poderiam se tornar.
Quando os transistores apareceram pela primeira vez em meados do século 20, eles estavam dispostos em chips em planos planos que se espalhavam para fora, como subúrbios espalhados por terra. Com o tempo, os engenheiros ficaram sem área de superfície, o que os levou a empilhar os transistores verticalmente, criando estruturas tridimensionais complexas que lembram prédios de apartamentos altos.
“O problema é que essas estruturas 3D são menores que o tamanho do vírus. E hoje em dia são muito menores. É mais parecido com a escala de uma molécula em uma célula”, disse Muller.
Hoje, um chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seu tamanho continuou a diminuir, o diagnóstico de problemas de desempenho tornou-se muito mais difícil.
“Hoje em dia, um canal de transistor pode ter apenas 15 a 18 átomos de largura, o que é muito, muito pequeno, e é extremamente complexo”, disse Karapetyan. “Neste ponto, o que importa é onde está cada átomo, e isso é realmente difícil de caracterizar.”
Avanços na microscopia eletrônica
No início de sua carreira no Bell Labs, Mueller trabalhou com o colega cientista Glenn Wilk ’90, que agora é vice-presidente de tecnologia da ASM. A dupla explorou maneiras de substituir o dióxido de silício, o material de porta dominante na época, que permitia muita corrente à medida que os dispositivos se tornavam muito pequenos. Sua pesquisa ajudou a promover o uso do óxido de háfnio, que mais tarde se tornou o material padrão usado em processadores de computador e dispositivos móveis a partir de meados do século XV.
“Posso dizer que os artigos que publicamos sobre como usar microscópios eletrônicos para caracterizar esses materiais foram lidos com muito, muito cuidado por muitas pessoas que trabalham com semicondutores”, disse Mueller, que dirige o Instituto Cowley de Ciências em Nanoescala de Cornell e o Centro de Pesquisa de Materiais (CCMR) de Cornell. “Quando voltamos a este projeto, tudo estava muito claro. E a microscopia já percorreu um longo caminho. Naquela época, era como voar biplanos. E agora você tem aviões a jato.”
Mueller “reativo” significa pticografia eletrônica. Essa técnica de imagem computacional conta com o Electron Microscope Pixel Array Detector (EMPAD), uma tecnologia co-desenvolvida pelo grupo de pesquisa de Muller. O detector registra os padrões detalhados criados quando os elétrons passam pelas estruturas do transistor.
Ao comparar como esses padrões de dispersão se movem de um ponto de varredura para outro, os pesquisadores podem reconstruir imagens extremamente detalhadas. O sistema é tão preciso que produz as imagens de mais alta resolução já feitas, permitindo aos cientistas ver átomos individuais com extraordinária clareza, um feito reconhecido pelo Livro Guinness de Recordes Mundiais.
Detecção de defeitos de “mordida de rato”.
Mais de 25 anos após a colaboração anterior, Muller e Wilk trabalharam juntos novamente com o apoio da TSMC e de seu grupo Corporate Analytical Laboratories. Seu objetivo era aplicar a tecnologia EMPAD a dispositivos semicondutores modernos.
“Você pode pensar nesta técnica de imagem como a solução de um enorme quebra-cabeça, tanto em termos de obtenção de dados experimentais quanto de reconstrução computacional”, disse Karapetian.
Depois de coletar e reconstruir os dados de imagem, os pesquisadores rastrearam a posição dos átomos nos canais do transistor. Esta análise revelou uma rugosidade fina nas junções desses canais. Karapetyan chamou esses padrões irregulares de “mordidas de rato”.
Defeitos formados durante o processo de crescimento otimizado são usados para produzir estruturas. Os protótipos criados no Centro de Pesquisa em Nanoeletrônica Imec tornaram-se uma plataforma ideal para testar a técnica de imagem.
“Fazer dispositivos modernos requer centenas, senão milhares, de etapas de ataque químico, deposição e aquecimento, e então cada etapa faz algo em sua estrutura”, disse Karapetian. “Você costumava olhar para imagens de projeção para tentar descobrir o que realmente estava acontecendo. Agora você tem uma sonda direta para realmente ver cada passo e entender melhor, ah, eu ajustei a temperatura tão alta e então ficou assim.”
Implicações para futuros microcircuitos e computação quântica
A capacidade de observar diretamente defeitos de nível atômico pode afetar quase todos os dispositivos que dependem de chips de computador avançados, incluindo smartphones, laptops e grandes centros de dados. Poderia também ajudar os investigadores a desenvolver novas tecnologias, como os computadores quânticos, que exigem um controlo extremamente preciso sobre a estrutura dos materiais.
“Acho que agora podemos fazer muito mais ciência e muito mais controle de engenharia com esta ferramenta”, disse Karapetian.
Os coautores do estudo incluem Stephen Zeltman, cientista da equipe da Plataforma para Realização, Análise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface (PARADIM), e Ta-Kun Chen e Vincent Hou da TSMC.
O estudo foi financiado pela TSMC. O apoio às instalações de microscopia foi fornecido pelo CCMR e PARADIM, financiado pela National Science Foundation.
