Pesquisadores da Universidade de Cornell utilizaram imagem 3D de alta resolução para identificar, pela primeira vez, defeitos em escala atômica dentro de chips de computador. Essas mínimas imperfeições podem interferir no desempenho dos chips, tornando-se uma preocupação significativa para a eletrônica moderna.
A nova técnica de imagem foi desenvolvida por meio de uma colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM). Uma vez que os chips de computador alimentam dispositivos que vão de smartphones e carros a centros de dados de IA e computadores quânticos, a descoberta pode impactar diversas áreas da tecnologia.
Os achados foram publicados em 23 de fevereiro na Nature Communications. O estudante de doutorado Shake Karapetyan foi o autor principal do estudo.
“Uma vez que não há realmente outra maneira de ver a estrutura atômica desses defeitos, isso se tornará uma ferramenta de caracterização realmente importante para depuração e identificação de falhas em chips de computador, especialmente na fase de desenvolvimento”, disse David Muller, Professor Samuel B. Eckert de Engenharia no Cornell Duffield College of Engineering, que liderou o projeto.
Por que Defeitos Pequenos Importam em Chips Semicondutores
Defeitos estruturais extremamente pequenos têm desafiado a indústria de semicondutores há muito tempo. À medida que os chips se tornaram mais complexos e seus componentes encolheram 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. Esse pequeno componente atua como um interruptor que controla o movimento da corrente elétrica. Cada transistor contém um canal que se 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 que, se as paredes do tubo forem muito ásperas, isso vai retardar o fluxo. Assim, medir o quão ásperas são as paredes e quais paredes são boas ou 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, trabalhou na divisão de pesquisa e desenvolvimento dos 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 eram organizados nos chips em layouts planos que se espalhavam, semelhantes a subúrbios se expandindo sobre a terra. Com o tempo, os engenheiros ficaram sem área de superfície, o que os levou a começar a empilhar transistores verticalmente, criando estruturas tridimensionais complexas que se assemelham a edifícios altos.
“O problema é que essas estruturas 3D são menores do que o tamanho de um vírus. E hoje em dia, são muito menores. É mais como a escala de uma molécula dentro da célula,” disse Muller.
Hoje, um único chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seus tamanhos continuam a encolher, diagnosticar problemas de desempenho se tornou muito mais difícil.
“Atualmente, um canal de transistor pode ter apenas cerca de 15 a 18 átomos de largura, o que é super, super pequeno, e são extremamente intrincados,” disse Karapetyan. “Neste ponto, importa onde cada átomo está, e é realmente difícil caracterizar.”
Avanços em Microscopia Eletrônica
Mais cedo em sua carreira nos Bell Labs, Muller trabalhou com o colega cientista Glen Wilk ’90, que agora é vice-presidente de tecnologia na 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 tornaram muito pequenos. Sua pesquisa ajudou a avançar o uso de óxido de hafnium, que mais tarde se tornou o material padrão usado em processadores de computador e dispositivos móveis a partir de meados da década de 2000.
“Os artigos que publicamos sobre como usar microscópios eletrônicos para caracterizar esses materiais, posso afirmar que muitos dos profissionais de semicondutores leram esses artigos com muito cuidado,” disse Muller, que co-direção do Instituto Kavli de Cornell para Ciências Nanoscale e do Centro de Pesquisa de Materiais de Cornell (CCMR). “Quando voltamos para este projeto, isso ficou muito claro. E a microscopia evoluiu muito. Naquela época, era como voar em biplanos. E agora você tem jatos.”
O “jato” a que Muller se refere é a ptychografia eletrônica. Essa técnica de imagem computacional depende de um detector de matriz de pixel 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 dos transistores.
Comparando 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 mais alta resolução já capturadas, permitindo que os cientistas vissem átomos individuais com extraordinária clareza, uma capacidade reconhecida pelo Guinness World Records.
Descobrindo Defeitos “Mouse Bite”
Mais de 25 anos após sua colaboração anterior, Muller e Wilk trabalharam juntos novamente com o apoio da TSMC e seu grupo de laboratórios analíticos corporativos. O objetivo era aplicar a tecnologia EMPAD a dispositivos semicondutores modernos.
“Você pode pensar que essa técnica de imagem é como resolver um grande quebra-cabeça, tanto em termos de coleta de dados experimentais quanto de reconstrução computacional,” disse Karapetyan.
Após coletar e reconstruir os dados de imagem, os pesquisadores rastrearam as posições dos átomos dentro dos canais dos transistores. Essa análise revelou uma leve aspereza nas interfaces desses canais. Karapetyan descreveu esses padrões irregulares como “mouse bites.”
Os defeitos se formaram durante o processo de crescimento otimizado utilizado para a fabricação das 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 gravação química, deposição e aquecimento, e cada passo faz algo na sua estrutura,” disse Karapetyan. “Antes, você costumava olhar para imagens projetivas para tentar entender o que realmente estava acontecendo. Agora você tem uma sonda direta para realmente ver após cada passo e ter uma melhor compreensão, oh, eu coloquei a temperatura tão alta, e então é assim que fica.”
Implicações para Chips Futuros e Computação Quântica
A capacidade de observar diretamente defeitos em nível atômico pode influenciar quase todo dispositivo que depende de chips de computador avançados, incluindo smartphones, laptops e grandes centros de dados. Também pode ajudar os pesquisadores a desenvolver tecnologias emergentes, como computadores quânticos, que requerem controle extremamente preciso sobre a estrutura dos materiais.
“Acho que há muito mais ciência que podemos fazer agora, e muito mais controle de engenharia, tendo esta ferramenta,” disse Karapetyan.
Os co-autores do estudo incluem Steven Zeltmann, cientista de equipe na Plataforma para a Realização Acelerada, Análise e Descoberta de Materiais de Interface (PARADIM), junto com Ta-Kun Chen e Vincent Hou da TSMC.
A pesquisa foi financiada pela TSMC. O suporte para as instalações de microscopia foi fornecido pelo CCMR e PARADIM, que são financiados pela Fundação Nacional de Ciências.
