Os cientistas finalmente veem as falhas atômicas escondidas dentro dos chips de computador

A nova técnica de imagem foi desenvolvida através de uma colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM). Como os chips de computador alimentam dispositivos que vão desde smartphones e carros até data centers de IA e computadores quânticos, a descoberta pode influenciar muitas áreas da tecnologia.

As descobertas foram publicadas em 23 de fevereiro em Comunicações da Natureza. O estudante de doutorado Shake Karapetyan foi o autor principal do estudo.

“Como não há outra maneira de ver a estrutura atômica desses defeitos, esta será uma ferramenta de caracterização realmente importante para depuração e localização de falhas em chips de computador, especialmente na fase de desenvolvimento”, disse David Muller, 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

Falhas estruturais extremamente pequenas há muito desafiam a indústria de semicondutores. À medida que os chips se tornam mais complexos e os seus componentes diminuem para a escala de átomos individuais, mesmo pequenas irregularidades podem afetar o funcionamento dos dispositivos.

No centro de cada chip de computador está o transistor. Este minúsculo componente atua como um interruptor que controla o movimento da corrente elétrica. Cada transistor contém um canal que abre e fecha para regular 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 medir o quão ásperas são as paredes e quais paredes são boas e quais paredes são ruins agora é ainda mais importante.”

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 na divisão de pesquisa e desenvolvimento do Bell Labs – onde os transistores foram inventados – 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 para fora, semelhantes aos subúrbios que se expandiam por 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 que lembram 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 mais como uma espécie de escala de molécula na célula”, disse Muller.

Hoje, um único chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seu tamanho continuou a diminuir, diagnosticar 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 super, super minúsculo e extremamente complexo”, disse Karapetyan. “Neste ponto, importa onde está cada átomo e é realmente difícil caracterizá-lo.”

Avanços na Microscopia Eletrônica

No início de sua carreira no Bell Labs, Muller trabalhou com o colega cientista Glen 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 vazou muita corrente quando os dispositivos se tornaram 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 da década de 1980.

“Os artigos que publicamos sobre como usar microscópios eletrônicos para caracterizar esses materiais, posso dizer, muitas pessoas do setor de semicondutores os leram com muito, muito cuidado”, disse Muller, que codirige o Instituto Kavli em Cornell para Ciência em Nanoescala e o Centro Cornell para Pesquisa de Materiais (CCMR). “Quando voltamos a este projeto, isso ficou muito claro. E a microscopia percorreu um longo caminho. Naquela época, era como voar biplanos. E agora você tem jatos.”

O “jato” ao qual Muller se refere é a pticografia 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 criados à medida que os elétrons passam pelas estruturas do transistor.

Ao comparar como esses padrões de dispersão mudam de um ponto de varredura para outro, os pesquisadores podem reconstruir imagens extremamente 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 mouse”

Mais de 25 anos após a colaboração anterior, Muller e Wilk trabalharam juntos novamente com o apoio da TSMC e do seu grupo Corporate Analytical Laboratories. O 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 Karapetyan.

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 nas interfaces desses canais. Karapetyan descreveu esses padrões irregulares como “mordidas de rato”.

Os defeitos formados durante o processo de crescimento otimizado utilizado para fabricar as estruturas. Dispositivos de amostra criados no centro de pesquisa em nanoeletrônica Imec forneceram uma plataforma ideal para testar a técnica de imagem.

“A fabricação de dispositivos modernos leva centenas, senão milhares, de etapas de ataque químico, deposição e aquecimento, e então cada etapa faz algo em sua estrutura”, disse Karapetyan. “Antes você olhava para imagens projetivas para tentar descobrir o que realmente estava acontecendo. Agora você tem uma sonda direta para realmente ver depois de cada passo e ter uma melhor compreensão de, ah, eu coloquei a temperatura tão alta, e então é assim que parece.”

Implicações para futuros chips e computação quântica

A capacidade de observar diretamente defeitos de nível atômico pode influenciar quase todos os dispositivos que dependem de chips de computador avançados, incluindo smartphones, laptops e grandes data centers. Também pode ajudar os investigadores a desenvolver tecnologias emergentes, como os computadores quânticos, que requerem um controlo extremamente preciso sobre a estrutura dos materiais.

“Acho que podemos fazer muito mais ciência agora e muito mais controle de engenharia com esta ferramenta”, disse Karapetyan.

Os co-autores do estudo incluem Steven Zeltmann, cientista da equipe da Plataforma para Realização, Análise e Descoberta Acelerada de Materiais de Interface (PARADIM), juntamente com Ta-Kun Chen e Vincent Hou da TSMC.

A pesquisa foi financiada pela TSMC. O apoio para as instalações de microscopia foi fornecido pelo CCMR e PARADIM, que são financiados pela National Science Foundation.