Pela primeira vez, uma equipe de pesquisa da Universidade Cornell, nos Estados Unidos, “viu” diretamente os defeitos estruturais escondidos dentro de chips avançados em escala atômica e chamou vividamente essas minúsculas formas irregulares de “mordidas de rato”. Este avanço de imagem fornece uma nova ferramenta para depuração e melhoria de rendimento de futuros chips de última geração.
Esta nova tecnologia depende de um método de imagem eletrônica tridimensional de alta resolução, desenvolvido pela Universidade Cornell em colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e o fabricante de equipamentos semicondutores ASM. Ele pode reconstruir a estrutura interna do transistor em escala nanométrica ou mesmo atômica e localizar diretamente defeitos microscópicos que afetam o desempenho e a confiabilidade. Os resultados da pesquisa foram publicados na revista Nature Communications em 23 de fevereiro. O primeiro autor do artigo é Shake Karapetyan, estudante de doutorado na Universidade Cornell.
David Muller, líder do projeto e professor Samuel B. Eckert da Escola de Engenharia Duffield de Cornell, disse que é quase impossível ver diretamente a estrutura atômica desses defeitos com os métodos existentes, e o novo método se tornará uma ferramenta chave de caracterização para "depuração" e "solução de problemas" durante o estágio de desenvolvimento do chip. Uma vez que tudo, desde smartphones e automóveis até centros de dados de inteligência artificial e computadores quânticos, depende de chips avançados, espera-se que este desenvolvimento tenha um amplo impacto em toda a cadeia da indústria da informação.
Nos dispositivos semicondutores modernos, o transistor é a unidade central que controla a comutação de corrente, e sua área de canal é como um microtubo para os elétrons “caminharem”. Muller descreveu que se a parede interna deste "tubo" for áspera, isso impedirá o fluxo de elétrons, portanto, medir com precisão a rugosidade da parede do canal e distinguir quais áreas são "boas" e quais são "ruins" torna-se particularmente crítico na escala atômica. Os canais de transistor nos chips de alto desempenho atuais têm apenas cerca de 15 a 18 átomos de largura e suas estruturas são tão complexas que qualquer pequeno desvio pode causar diferenças mensuráveis de desempenho. Karapetyan afirmou sem rodeios que, com tal tamanho, quase “a posição de cada átomo é importante”, e caracterizar com precisão essas estruturas tem sido um problema.
Olhando para trás, para os primeiros dias do desenvolvimento da tecnologia de semicondutores, a maioria dos transistores eram dispostos de maneira plana e espalhados lateralmente na superfície do chip. À medida que os tamanhos continuam a aproximar-se dos limites físicos, a indústria está a recorrer a estruturas tridimensionais de empilhamento, onde os dispositivos ficam "de pé" verticalmente para formar arquitecturas 3D cada vez mais complexas. Muller lembrou que enquanto trabalhava no Bell Labs de 1997 a 2003, estudou os fatores físicos que limitavam o encolhimento extremo dos transistores. Hoje, os tamanhos dos recursos dessas estruturas 3D são menores do que o poder de resolução de muitos métodos tradicionais de caracterização, tornando cada vez mais difícil o diagnóstico de problemas de desempenho.
A evolução da tecnologia avançada de microscopia eletrônica lançou as bases para a solução deste problema. Muller e o atual vice-presidente de tecnologia da ASM e ex-aluno da Cornell, Glen Wilk, colaboraram na pesquisa sobre o uso de óxido de háfnio de alta constante dielétrica (HfO₂) como material de entrada para substituir o dióxido de silício com vazamentos graves em tamanhos pequenos durante seu tempo no Bell Labs. Este trabalho promoveu posteriormente a popularização do óxido de háfnio em chips de computadores e telefones celulares. O artigo publicado naquele ano sobre o uso da microscopia eletrônica para caracterizar materiais relacionados foi amplamente lido na indústria de semicondutores.
Hoje, a "aeronave a hélice" que Muller chama foi atualizada para um "caça a jato", que é incorporado na tecnologia de imagem por difração de pósitrons de elétrons (pticografia de elétrons). Este método depende de um detector de matriz de pixels microscópico eletrônico (EMPAD) desenvolvido por seu grupo de pesquisa. Ele registra o padrão de dispersão gerado quando o feixe de elétrons passa pelo transistor e, em seguida, calcula e reconstrói as mudanças sutis no padrão entre pontos de varredura adjacentes para obter imagens de resolução ultra-alta. A precisão do EMPAD é tão alta que foi reconhecido pelo Guinness Book of World Records como alcançando a imagem de nível atômico de mais alta resolução até o momento.
Com o apoio da TSMC e de seu laboratório analítico corporativo e centro de pesquisa em nanoeletrônica Imec, Muller e Wilk se reuniram após 25 anos para aplicar a tecnologia EMPAD a estruturas contemporâneas de semicondutores de ponta. Karapetyan comparou esse processo à resolução de um “quebra-cabeça supergrande”, que requer a coleta de dados experimentais massivos e a conclusão de uma reconstrução computacional complexa.
Ao processar e analisar os dados, a equipe conseguiu rastrear a posição espacial de átomos individuais e quantificar as ondulações sutis na interface do canal do transistor. Eles se referiram coletivamente a esses pequenos buracos e rugosidades como defeitos de “mordida de rato”. Os defeitos foram formados durante as etapas otimizadas de crescimento do material durante a fabricação do dispositivo, e as amostras utilizadas para testes vieram das linhas de processo da Imec. Karapetyan destacou que a preparação de dispositivos modernos geralmente requer centenas ou até milhares de etapas de ataque químico, deposição e tratamento térmico. Cada etapa terá impacto na estrutura final. No passado, só se podia confiar nas imagens de projeção para “adivinhar” o que está acontecendo lá dentro, mas agora é possível “ver” diretamente as mudanças estruturais após várias etapas importantes. Isso dá aos engenheiros de processo a oportunidade de ajustar com mais precisão os parâmetros do processo, como temperatura, e verificar seus resultados estruturais em tempo real.
A equipe de pesquisa acredita que esta capacidade de visualizar diretamente defeitos atômicos terá um impacto potencial em quase todas as formas tecnológicas que dependem de chips avançados, incluindo aplicações convencionais como smartphones, laptops e grandes centros de dados, bem como sistemas de computação quântica de próxima geração que exigem precisão extremamente alta em estruturas materiais. Karapetyan disse que com esse conjunto de ferramentas, haverá maior espaço para desempenho tanto na pesquisa científica básica quanto no controle de engenharia de processos no futuro.