Investigadores de Cornell han utilizado imágenes 3D de alta resolución para detectar, por primera vez, defectos a escala atómica en los chips de computadora que pueden sabotear su rendimiento.
El método de imagen, resultado de una colaboración con Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) y Advanced Semiconductor Materials (ASM), podría afectar a casi todas las formas de electrónica moderna, desde teléfonos y automóviles hasta centros de datos de IA y computación cuántica.
La investigación fue publicada el 23 de febrero en Nature Communications. El autor principal es el estudiante de doctorado Shake Karapetyan.
“Dado que realmente no hay otra forma de ver la estructura atómica de estos defectos, esta herramienta de caracterización será realmente importante para la depuración y la búsqueda de fallas en los chips de computadora, especialmente en la etapa de desarrollo”, afirmó David Muller, profesor Samuel B. Eckert de Ingeniería en la Facultad de Ingeniería Duffield de Cornell, quien lideró el proyecto.
Los pequeños defectos han sido un desafío constante para la industria de los semiconductores, especialmente ahora, a medida que la tecnología se ha vuelto cada vez más compleja y los componentes se han reducido a escala atómica.
El foco del estudio, y el corazón del chip de computadora, es el transistor: el pequeño interruptor a través del cual fluye la corriente eléctrica a través de un canal que se abre y se cierra mediante una puerta eléctrica.
“El transistor es como una pequeña tubería para electrones en lugar de agua”, dijo Muller. “Se puede imaginar que, si las paredes de la tubería son muy rugosas, esto ralentizará las cosas. Por lo tanto, medir qué tan rugosas son las paredes y cuáles son buenas y cuáles son malas es ahora aún más importante”.
‘Era como volar biplanos. Y ahora tienes aviones a reacción’
Muller tiene una perspectiva única sobre el diseño de semiconductores. Desde 1997 hasta 2003, trabajó en la división de investigación y desarrollo de Bell Labs, donde se inventaron los transistores, explorando los límites físicos que dictan cuán pequeño puede llegar a ser un transistor.
Después de su introducción a mediados del siglo XX, los transistores se construyeron inicialmente como suburbios: planos y extendiéndose hacia afuera, según Muller. Con el tiempo, a medida que los chips se quedaron sin espacio horizontal, los diseñadores comenzaron a apilar los transistores verticalmente, en tres dimensiones, como bloques de apartamentos.
“El problema es que estas estructuras 3D son más pequeñas que el tamaño de un virus. Y hoy en día, es mucho más pequeño. Es más como una escala de molécula dentro de una célula”, dijo Muller.
Un solo chip de alto rendimiento ahora puede contener miles de millones de transistores. Pero a medida que se han reducido en tamaño, la tecnología se ha vuelto más difícil de solucionar.
“Hoy en día, un canal de transistor puede tener solo entre 15 y 18 átomos de ancho, lo cual es súper, súper pequeño, y son extremadamente intrincados”, dijo Karapetyan. “En este punto, importa dónde está cada átomo, y es realmente difícil de caracterizar”.
En Bell Labs, Muller y el científico Glen Wilk, ahora vicepresidente de tecnología en ASM, intentaron reemplazar el dióxido de silicio, el material de puerta predominante que tenía fugas de demasiada corriente a escalas pequeñas, con óxido de hafnio. Pocos años después, Muller y Wilk dejaron Bell Labs, pero su trabajo continuó resonando entre las empresas de semiconductores, y el óxido de hafnio pronto se convirtió en el estándar de la industria para computadoras y teléfonos celulares a mediados de la década de 2000.
“Los artículos que publicamos sobre cómo usar microscopios electrónicos para caracterizar estos materiales, le puedo decir, muchos de los expertos en semiconductores los leyeron muy, muy cuidadosamente”, dijo Muller, quien codirige el Kavli Institute at Cornell for Nanoscale Science y el Cornell Center for Materials Research (CCMR). “Cuando volvimos a este proyecto, quedó muy claro. Y la microscopía ha avanzado mucho. En aquel entonces, era como volar biplanos. Y ahora tienes aviones a reacción”.
El avión a reacción, en este caso, es la ptychografía de electrones, un método de imagen computacional en el que un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD), una tecnología co-desarrollada por el grupo de Muller, se utiliza para recopilar patrones de dispersión detallados de electrones después de pasar a través de los transistores. Al comparar cómo cambian estos patrones de una posición de escaneo a otra, los científicos pueden reconstruir una imagen con una claridad extraordinaria. El detector es tan preciso que ha permitido las imágenes de mayor resolución del mundo, mostrando átomos con un detalle sin precedentes, como lo reconoció Guinness World Records.
‘Mordiscos de ratón’
Más de 25 años después de su último proyecto conjunto, y con el apoyo de TSMC y su Grupo de Laboratorios Analíticos Corporativos, el equipo de Muller y Wilk decidieron colaborar nuevamente y usar el EMPAD para observar el interior de los semiconductores modernos.
“Puede pensar en esta técnica de imagen como resolver un rompecabezas masivo, tanto en términos de tomar los datos experimentales como de realizar la reconstrucción computacional”, dijo Karapetyan.
Cuando todos los datos se recopilaron y reconstruyeron, y se rastreó la posición de los átomos, los investigadores pudieron detectar la rugosidad de la interfaz en los canales, revelando lo que Karapetyan denominó “mordiscos de ratón”. La rugosidad surgió de defectos que se formaron durante el proceso de crecimiento optimizado. Las estructuras de muestra, cultivadas en el centro de nanoelectrónica Imec, fueron la forma ideal de probar el método de imagen.
“La fabricación de dispositivos modernos requiere cientos, si no miles, de pasos de grabado químico, deposición y calentamiento, y luego cada paso hace algo a su estructura”, dijo Karapetyan. “Antes solías mirar imágenes proyectivas para tratar de averiguar qué estaba pasando realmente. Ahora tienes una sonda directa para ver realmente después de cada paso y comprender mejor, oh, puse la temperatura tan alta, y así es como se ve”.
La nueva capacidad de imagen podría afectar potencialmente casi cualquier cosa con un chip de computadora moderno, desde teléfonos celulares hasta computadoras portátiles y centros de datos, y podría ser una bendición para la depuración de tecnologías de próxima generación, como las computadoras cuánticas, que requieren un control estructural extraordinario de los materiales que aún no se comprenden completamente.
“Creo que hay mucha más ciencia que podemos hacer ahora, y mucho más control de ingeniería, teniendo esta herramienta”, dijo Karapetyan.
Los coautores incluyen a Steven Zeltmann, científico del Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM); y Ta-Kun Chen y Vincent Hou de TSMC.
La investigación fue financiada por TSMC. El apoyo para las instalaciones de microscopía fue proporcionado por CCMR y PARADIM, que son financiados por la National Science Foundation.
