Pesquisadores da Universidade Cornell usaram imagens 3D de alta resolução para detectar defeitos em escala atômica dentro de chips de computador pela primeira vez. Essas pequenas imperfeições podem interferir no desempenho do chip, criando uma grande preocupação para a eletrônica moderna.
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 divulgados em 23 de fevereiro Comunicação da natureza. O estudante de doutorado Sheik Karapetyan foi o principal autor do estudo.
“Como não temos outra forma de ver a estrutura atómica destes defeitos, esta será uma ferramenta de caracterização muito importante para depurar e encontrar defeitos em chips de computador, especialmente na fase de desenvolvimento”, disse David Mueller, professor de engenharia na Faculdade de Engenharia Cornell Duffield, 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 chips se tornaram mais complexos e os seus componentes foram reduzidos à escala de átomos individuais, mesmo pequenas irregularidades podem afetar o funcionamento dos dispositivos.
No coração de cada chip de computador está um transistor. Este minúsculo elemento atua como um interruptor que controla o movimento da corrente elétrica. Cada transistor possui um canal que abre e fecha para controlar o fluxo de elétrons.
“O transistor é como um pequeno tubo para elétrons em vez de água”, disse Muller. “Você pode imaginar, se as paredes do tubo forem muito ásperas, isso vai desacelerar as coisas. E por isso é mais importante agora medir o quão ásperas são as paredes e quais paredes são boas e quais são ruins.”
Dos primeiros transistores às estruturas de chips 3D
Muller estuda há muito tempo os limites físicos da tecnologia de semicondutores. De 1997 a 2003, ele trabalhou no departamento de pesquisa e desenvolvimento do Bell Labs – onde o transistor foi inventado – investigando 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 layouts planos que se espalhavam, como um subúrbio extenso por todo o país. Com o tempo, os engenheiros ficaram sem área de superfície, então começaram a empilhar os transistores verticalmente, criando estruturas tridimensionais complexas que lembravam prédios de apartamentos altos.
“O problema é que essas estruturas 3D são menores que o tamanho de um vírus. E hoje em dia são muito menores. É como uma escala de molécula na célula”, disse Muller.
Hoje, um único chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seu tamanho diminuiu constantemente, os problemas de desempenho tornaram-se mais difíceis de diagnosticar.
“Hoje em dia, um canal de transistor pode ter cerca de 15 a 18 átomos de largura, o que é super, super minúsculo e supercomplexo”, disse Karapetian. “Neste ponto, é importante onde cada átomo está e é realmente difícil identificar.”
Avanços na Microscopia Eletrônica
No início de sua carreira no Bell Labs, Muller trabalhou com o colega cientista Glenn Wilk ’90, que agora é vice-presidente de tecnologia da ASM. A dupla estudou maneiras de substituir o dióxido de silício, o material de porta dominante na época, que vazava muita corrente quando 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.
“Os artigos que publicamos sobre como usar o microscópio eletrônico para caracterizar esses materiais, posso dizer, muitas pessoas que trabalham com semicondutores os lêem com muito, muito cuidado”, disse Mueller, que é codiretor do Instituto Kavli de Cornell para Ciência em Nanoescala e do Centro Cornell para Pesquisa de Materiais (CCMR). “Quando voltamos a este projeto, estava muito claro. E a microscopia já havia percorrido um longo caminho. Depois, voamos com biplanos. E agora você tem jatos.”
“Jet” Muller refere-se à tipografia eletrônica. Esta técnica de imagem computacional depende de um detector de matriz de pixels de microscópio eletrônico (EMPAD), uma tecnologia co-desenvolvida pelo grupo de pesquisa de Muller. O detector registra padrões detalhados à medida que os elétrons passam pela estrutura do transistor.
Ao comparar como esses padrões de dispersão mudam de um ponto de varredura para outro, os pesquisadores podem reconstruir imagens altamente detalhadas. O sistema é tão preciso que produziu as imagens de maior resolução já capturadas, permitindo aos cientistas ver átomos individuais com extraordinária clareza, uma capacidade reconhecida pelo Guinness World Records.
Descobrindo defeitos de “mordida de rato”
Mais de 25 anos após a colaboração anterior, Muller e Wilk trabalharam juntos novamente em apoio à TSMC e ao 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 quebra-cabeça gigante, tanto na obtenção de dados experimentais quanto na reconstrução computacional”, disse Karapetian.
Depois de coletar e reconstruir os dados de imagem, os pesquisadores rastrearam as posições dos átomos dentro dos canais do transistor. Esta análise revelou rugosidade sutil na interface desses canais. Karapetian descreve esses padrões irregulares como “mordidas de rato”.
Defeitos formados durante o processo de crescimento otimizado são usados para criar a estrutura. Dispositivos de amostra desenvolvidos no Centro de Pesquisa em Nanoeletrônica Imec forneceram uma plataforma ideal para testar técnicas de imagem.
“São necessárias centenas, senão milhares, de etapas de ataque químico, deposição e aquecimento para fazer um dispositivo moderno, e então cada etapa faz algo em sua estrutura”, disse Karapetian. “Você costumava usar imagens projetivas para ver o que realmente estava acontecendo. Agora você tem uma sonda direta para realmente ver depois de cada passo e perceber melhor, ah, coloquei a temperatura tão alta e então ficou assim.”
Implicações para futuros chips 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. Isto poderia ajudar os investigadores a desenvolver tecnologias emergentes, como os computadores quânticos, que requerem um controlo altamente preciso sobre a composição dos materiais.
“Acho que podemos fazer muito mais ciência agora e muito mais controle de engenharia com esta ferramenta”, disse Karapetyan.
O estudo foi coautor de Steven Zeltman, cientista da equipe da Plataforma para Realização, Análise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface (PARADIM), junto com Tae-Kun Chen e Vincent Hou da TSMC.
O estudo foi financiado pela TSMC. O apoio para instalações de microscopia foi fornecido pelo CCMR e PARADIM, que é financiado pela National Science Foundation.
