Pesquisadores da Universidade Cornell usaram imagens 3D de alta resolução pela primeira vez para identificar defeitos de nível atômico dentro de chips de computador. Esses pequenos defeitos podem interferir no desempenho do wafer, tornando-os um grande problema na eletrônica moderna.
A nova tecnologia de imagem foi desenvolvida em colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM). A descoberta poderá impactar muitas áreas da tecnologia, já que os chips de computador alimentam tudo, desde smartphones e carros até centros de dados de inteligência artificial e computadores quânticos.
As descobertas foram publicadas em 23 de fevereiro comunicações da natureza. O estudante de doutorado Shake Karapetyan é o autor principal do estudo.
“Como não há outra maneira de ver a estrutura atômica desses defeitos, esta se tornará uma ferramenta de caracterização muito importante para depuração e solução de problemas de chips de computador, especialmente durante a fase de desenvolvimento, “disse o líder do projeto David Muller, Samuel B. Eckert Professor de Engenharia na Escola de Engenharia Duffield de Cornell.
Por que pequenos defeitos são importantes em wafers semicondutores
Pequenos defeitos estruturais há muito desafiam a indústria de semicondutores. À medida que os wafers se tornam mais complexos e seus componentes encolhem até o tamanho de um único átomo, mesmo pequenas irregularidades podem afetar o funcionamento do dispositivo.
No coração de cada chip de computador está um transistor. Este minúsculo componente atua como um interruptor que controla o movimento da eletricidade. Cada transistor contém um canal que abre e fecha para regular o fluxo de elétrons.
“O transistor é como um pequeno cano que transporta elétrons em vez de água”, disse Mueller. “Você pode imaginar que se a parede do tubo for muito áspera, isso irá desacelerá-lo. Portanto, agora é ainda mais importante medir a rugosidade da parede do tubo 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, que inventou o transistor, estudando o quão pequenos esses dispositivos poderiam se tornar.
Quando os transistores apareceram pela primeira vez em meados do século 20, eles estavam dispostos em um wafer em um layout plano que se espalhava para fora, semelhante à expansão suburbana em terra. Com o tempo, os engenheiros ficaram sem área de superfície, o que os levou a começar a empilhar os transistores verticalmente, criando estruturas tridimensionais complexas semelhantes a prédios de apartamentos altos.
“O problema é que essas estruturas 3D são menores que o tamanho de um vírus. Hoje, são muito menores. É mais parecido com a escala das moléculas dentro de uma célula”, disse Mueller.
Hoje, um chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seu tamanho continua diminuindo, o diagnóstico de problemas de desempenho se torna mais difícil.
“Hoje, um canal de transistor tem apenas 15 a 18 átomos de largura, o que é muito, muito pequeno, e é muito complexo”, disse Karapetian. “Neste ponto, a posição de cada átomo é importante e difícil de descrever.”
Avanços na microscopia eletrônica
No início de sua carreira no Bell Labs, Muller trabalhou com o cientista Glen Wilk, de 90 anos, hoje vice-presidente de tecnologia da ASM. Os dois investigaram maneiras de substituir o dióxido de silício, o material de porta dominante na época, que vazou muita corrente quando os dispositivos se tornaram muito pequenos. A pesquisa deles ajudou a promover o uso do óxido de háfnio, que se tornou um material padrão em processadores de computador e dispositivos móveis a partir de meados dos anos 2000.
“Posso dizer que os artigos que publicamos sobre como usar a microscopia eletrônica para caracterizar esses materiais foram lidos com muito, muito cuidado por muitos pesquisadores de semicondutores”, disse Mueller, codiretor do Cornell Nanoscience Institute e do Cornell Center for Materials Research (CCMR). “Quando voltamos ao projeto, estava muito claro. A microscopia já percorreu um longo caminho. Naquela época, era como pilotar um biplano. Agora temos jatos.”
O que Mueller quis dizer com “jateamento” foi impressão sobreposta 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 pelos elétrons à medida que passam pela estrutura do transistor.
Ao comparar como esses padrões de dispersão são transferidos 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 capturadas, permitindo aos cientistas ver átomos individuais com extraordinária clareza, uma capacidade que foi reconhecida pelo Livro Guinness de Recordes Mundiais.
Defeito de “mordida de rato” descoberto
Mais de 25 anos após sua última colaboração, Muller e Wilk estão trabalhando juntos novamente com o apoio da TSMC e de sua equipe Enterprise Analytical Labs. Seu objetivo é aplicar a tecnologia EMPAD a dispositivos semicondutores modernos.
“Você pode pensar nesta tecnologia de imagem como uma solução para um grande problema, seja na aquisição de dados experimentais ou na realização de reconstruções computacionais”, disse Karapetian.
Depois de coletar e reconstruir os dados de imagem, os pesquisadores rastrearam as posições dos átomos dentro dos canais do transistor. A análise revelou rugosidade sutil na interface desses canais. Karapetyan descreveu os padrões irregulares como “mordidas de rato”.
Defeitos formados durante o processo de crescimento otimizado utilizado para fabricar a estrutura. O dispositivo de amostra criado pelo Centro de Pesquisa em Nanoeletrônica Imec fornece uma plataforma ideal para testar tecnologias de imagem.
“A fabricação de dispositivos modernos requer centenas ou mesmo milhares de etapas de ataque químico, deposição e aquecimento, e cada etapa tem um impacto na sua estrutura”, disse Karapetian. “Antes você olhava para uma imagem projetada para tentar descobrir o que estava acontecendo. Agora você pode ter uma sonda direta para realmente observar cada etapa e ter uma melhor compreensão de, ah, eu aumentei a temperatura tão alto, e é assim que parece.”
Impacto nos futuros chips e na computação quântica
A capacidade de observar diretamente defeitos de nível atômico poderia impactar quase todos os dispositivos que dependem de chips de computador avançados, incluindo smartphones, laptops e grandes centros de dados. Também pode ajudar os investigadores a desenvolver tecnologias emergentes, como os computadores quânticos, que requerem um controlo extremamente preciso da estrutura do material.
“Acho que com esta ferramenta podemos agora fazer mais trabalho científico e ter mais controle de engenharia”, disse Karapetian.
Os co-autores do estudo incluem Steven Zeltmann, pesquisador da Plataforma para Implementação Acelerada, Análise e Descoberta de Materiais de Interface (PARADIM), e Ta-Kun Chen e Vincent Hou da TSMC.
A pesquisa foi financiada pela TSMC. As instalações de microscopia são apoiadas pelo CCMR e PARADIM e financiadas pela National Science Foundation.
