Investigadores de la Universidad de Cornell han utilizado imágenes 3D de alta resolución para detectar defectos a escala atómica dentro de chips de computadora por primera vez. Estas pequeñas imperfecciones pueden interferir con el rendimiento del chip, creando una gran preocupación para la electrónica moderna.
La nueva técnica de imágenes se desarrolló en colaboración con Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) y Advanced Semiconductor Materials (ASM). Dado que los chips de computadora alimentan dispositivos que van desde teléfonos inteligentes y automóviles hasta centros de datos de inteligencia artificial y computadoras cuánticas, el descubrimiento podría afectar muchas áreas de la tecnología.
Los resultados se publicaron el 23 de febrero. comunicación de la naturaleza. El estudiante de doctorado Sheik Karapetyan fue el autor principal del estudio.
“Debido a que realmente no hay otra forma de ver la estructura atómica de estos defectos, esta será una herramienta de caracterización realmente importante para depurar y encontrar defectos en los chips de computadora, especialmente en la etapa de desarrollo”, dijo David Mueller, profesor de ingeniería en la Facultad de Ingeniería de Cornell Duffield, quien dirigió el proyecto.
Por qué los pequeños defectos son importantes en los chips semiconductores
Los defectos estructurales extremadamente pequeños han desafiado durante mucho tiempo a la industria de los semiconductores. A medida que los chips se han vuelto más complejos y sus componentes se han reducido a la escala de átomos individuales, incluso las pequeñas irregularidades pueden afectar el funcionamiento de los dispositivos.
En el corazón de cada chip de computadora hay un transistor. Este pequeño elemento actúa como un interruptor que controla el movimiento de la corriente eléctrica. Cada transistor tiene un canal que se abre y se cierra para controlar el flujo de electrones.
“El transistor es como un pequeño tubo para los electrones en lugar de agua”, dijo Muller. “Se puede imaginar que si las paredes de las tuberías son muy rugosas, el proceso se ralentizará. Por eso ahora es más importante medir qué tan rugosas son las paredes y cuáles son buenas y cuáles son malas”.
Desde los primeros transistores hasta estructuras de chips 3D
Muller lleva mucho tiempo estudiando los límites físicos de la tecnología de semiconductores. De 1997 a 2003 trabajó en el departamento de investigación y desarrollo de los Laboratorios Bell, donde se inventó el transistor, investigando qué tan pequeños podrían llegar a ser estos dispositivos.
Cuando los transistores aparecieron por primera vez a mediados del siglo XX, estaban dispuestos en chips en diseños planos que se extendían hacia afuera, como un suburbio en expansión a lo largo del país. Con el tiempo, los ingenieros se quedaron sin superficie, por lo que comenzaron a apilar transistores verticalmente, creando estructuras tridimensionales complejas que parecían edificios de apartamentos de gran altura.
“El problema es que estas estructuras 3D son más pequeñas que el tamaño de un virus. Y hoy en día, son mucho más pequeñas. Es como una escala de molécula en la célula”, dijo Muller.
Hoy en día, un único chip avanzado puede contener miles de millones de transistores. A medida que su tamaño se ha reducido constantemente, los problemas de rendimiento se han vuelto más difíciles de diagnosticar.
“Hoy en día, un canal de transistor puede tener entre 15 y 18 átomos de ancho, lo cual es súper, súper pequeño y súper complejo”, dijo Karapetian. “En este punto, es importante dónde está cada átomo y es realmente difícil de determinar”.
Avances en microscopía electrónica
Al principio de su carrera en Bell Labs, Muller trabajó con su colega científico Glenn Wilk ’90, quien ahora es vicepresidente de tecnología en ASM. La pareja estudió formas de reemplazar el dióxido de silicio, el material de compuerta dominante en ese momento, que filtraba demasiada corriente cuando los dispositivos se volvían demasiado pequeños. Su investigación ayudó a avanzar en el uso del óxido de hafnio, que más tarde se convirtió en el material estándar utilizado en procesadores de computadoras y dispositivos móviles.
“Puedo decirles que los artículos que publicamos sobre cómo utilizar el microscopio electrónico para caracterizar estos materiales, mucha gente de semiconductores los lee con mucha, mucha atención”, dijo Mueller, codirector del Instituto Kavli de Ciencia a Nanoescala de Cornell y del Centro de Investigación de Materiales de Cornell (CCMR). “Cuando volvimos a este proyecto, estaba muy claro. Y la microscopía había avanzado mucho. Luego volamos biplanos. Y ahora tenemos jets”.
“Jet” Muller se refiere a la tipografía electrónica. Esta técnica de imágenes computacionales se basa en un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD), una tecnología desarrollada conjuntamente por el grupo de investigación de Muller. El detector registra patrones detallados a medida que los electrones pasan a través de la estructura del transistor.
Al comparar cómo estos patrones de dispersión cambian de un punto de escaneo a otro, los investigadores pueden reconstruir imágenes muy detalladas. El sistema es tan preciso que produjo las imágenes de mayor resolución jamás capturadas, lo que permitió a los científicos ver átomos individuales con extraordinaria claridad, una capacidad reconocida por Guinness World Records.
Descubriendo defectos de “mordedura de ratón”
Más de 25 años después de su colaboración anterior, Muller y Wilk volvieron a trabajar juntos para apoyar a TSMC y su grupo Corporate Analytical Laboratories. Su objetivo era aplicar la tecnología EMPAD a dispositivos semiconductores modernos.
“Se puede pensar en esta técnica de imágenes como la solución de un rompecabezas gigante, tanto en la toma de datos experimentales como en la reconstrucción computacional”, dijo Karapetian.
Después de recopilar y reconstruir los datos de las imágenes, los investigadores rastrearon las posiciones de los átomos dentro de los canales del transistor. Este análisis reveló una sutil rugosidad en la interfaz de estos canales. Karapetian describe estos patrones irregulares como “mordeduras de ratón”.
Los defectos formados durante el proceso de crecimiento optimizado se utilizan para crear la estructura. Los dispositivos de muestra desarrollados en el Centro de Investigación en Nanoelectrónica Imec proporcionaron una plataforma ideal para probar técnicas de imágenes.
“Se necesitan cientos, si no miles, de pasos químicos de grabado, deposición y calentamiento para hacer un dispositivo moderno, y luego cada paso afecta algo a su estructura”, dijo Karapetian. “Solías usar imágenes proyectivas para ver lo que realmente estaba sucediendo. Ahora tienes una sonda directa para ver realmente después de cada paso y darte cuenta mejor, oh, puse la temperatura tan alta, y luego se ve así”.
Implicaciones para los futuros chips y la computación cuántica
La capacidad de observar directamente defectos a nivel atómico podría afectar a casi todos los dispositivos que dependen de chips informáticos avanzados, incluidos teléfonos inteligentes, portátiles y grandes centros de datos. Esto podría ayudar a los investigadores a desarrollar tecnologías emergentes, como las computadoras cuánticas, que requieren un control muy preciso sobre la composición de los materiales.
“Creo que ahora podemos hacer mucha más ciencia y mucho más control de ingeniería con esta herramienta”, dijo Karapetyan.
El estudio fue coautor de Steven Zeltman, científico de la Plataforma para la realización, análisis y descubrimiento acelerados de materiales de interfaz (PARADIM), junto con Tae-Kun Chen y Vincent Hou de TSMC.
El estudio fue financiado por TSMC. CCMR y PARADIM, que está financiado por la Fundación Nacional de Ciencias, brindaron apoyo para las instalaciones de microscopía.
