O tehnică avansată de imagistică dezvăluie pentru prima dată defecte la scară atomică în cipurile de semiconductori

Sursa foto: Sciencedaily

O echipă de cercetare de la Universitatea Cornell a reușit să vizualizeze și să cartografieze defecte la scară atomică în interiorul structurilor tranzistorilor din cipurile moderne, oferind pentru prima dată o imagine clară a imperfecțiunilor care pot afecta funcționarea dispozitivelor electronice. Descoperirea, obținută cu ajutorul unei metode avansate de microscopie electronică, a scos la iveală mici neregularități denumite metaforic „mușcături de șoarece” care se formează în timpul proceselor de fabricație și pot perturba fluxul de electroni într-un canal al tranzistorului aflat la doar 15–18 atomi lățime.

O fereastră către lumea atomică a tranzistorilor

Metoda folosită de cercetători combină imagistica tridimensională de înaltă rezoluție cu analiză computațională sofisticată, permițând localizarea precisă a atomilor în interiorul canalelor tranzistorilor. Rezultatele au fost publicate pe 23 februarie în revista Nature Communications, iar autorul principal al studiului este doctorandul Shake Karapetyan.

David Muller, profesor Samuel B. Eckert la Duffield College of Engineering al Universității Cornell și coordonatorul proiectului, a subliniat importanța instrumentului: «Deoarece nu există, într-adevăr, nicio altă metodă prin care să poți vedea structura atomică a acestor defecte, aceasta va fi un instrument de caracterizare extrem de important pentru depanare și identificarea erorilor în cipuri, mai ales în stadiul de dezvoltare.»

De ce contează defectele la scară atomică

Pe măsură ce industria semiconductorilor a redus dimensiunile componentelor, micile nereguli structurale au devenit provocări majore. Tranzistorul, componenta fundamentală a unui cip, acționează ca un comutator care reglează fluxul curentului electric. Fiecare tranzistor conține un canal care se deschide și se închide pentru a controla mișcarea electronilor.

«Tranzistorul este ca un mic conduct pentru electroni în loc de apă», a explicat Muller. «Poți să-ți imaginezi că dacă pereții conductului sunt foarte aspri, vor încetini lucrurile. Măsurarea cât de aspri sunt pereții și identificarea pereților buni și a celor răi este acum cu atât mai importantă.»

Astfel de defecte apar în interfețele din interiorul canalelor tranzistorilor și, deși foarte mici, pot modifica modul în care electronii circulă, afectând performanța sau fiabilitatea cipurilor folosite în telefoane, automobile, centre de date pentru inteligență artificială sau chiar în cercetări legate de calculul cuantic.

De la tranzistori planar la structuri 3D extrem de compacte

Muller are o istorie îndelungată în studierea limitelor fizice ale tehnologiei semiconductoare. Înainte de revenirea la acest proiect, între 1997 și 2003 a lucrat în divizia de cercetare și dezvoltare a Bell Labs — locul în care tranzistorul a fost inventat — investigând cât de mici pot deveni aceste dispozitive.

La început, tranzistorii erau aranjați orizontal pe cipuri, dar pe măsură ce spațiul de suprafață a început să se consume, inginerii au trecut la stivuirea verticală a tranzistorilor, creând structuri tridimensionale complexe asemănătoare clădirilor înalte. Aceste configurații moderne sunt mult mai mici decât dimensiunea unui virus, ajungând la scări comparabile cu moleculele dintr-o celulă, a spus Muller.

Un cip avansat poate conține miliarde de tranzistori, iar canalele tranzistorilor pot măsura doar 15–18 atomi în lățime, ceea ce face extrem de dificilă diagnosticarea problemelor de performanță fără instrumente capabile să rezolve structura atomică.

Progresul în microscopie electronică: electron ptychography și detectoare specializate

Progresul care a făcut posibilă această descoperire pleacă din lucrările anterioare ale echipei. Muller și colegul său Glen Wilk, care este acum vicepreședinte pentru tehnologie la Advanced Semiconductor Materials (ASM), au studiat în trecut modalități de înlocuire a dioxidului de siliciu cu hafniu oxid, un material care a devenit standard în procesoare și dispozitive mobile la mijlocul anilor 2000, pentru a reduce scurgerile de curent la dimensiuni foarte mici.

Microscopia a evoluat radical: echipa folosește electron ptychography, o tehnică computațională de imagistică bazată pe detectarea modelelor detaliate generate de electronii care traversează structurile tranzistorilor. Aceste modele sunt înregistrate cu ajutorul unui detector de tip electron microscope pixel array detector (EMPAD), o tehnologie co-dezvoltată de grupul de cercetare al lui Muller.

Prin compararea modului în care aceste modele de împrăștiere se modifică între punctele de scanare, cercetătorii pot reconstrui imagini extrem de detaliate. Sistemul a produs astfel imagini cu cea mai înaltă rezoluție înregistrată, permițând vizualizarea atomilor individuali cu o claritate remarcabilă — realizare recunoscută de Guinness World Records.

Detectarea imperfecțiunilor: „mușcăturile de șoarece”

După colectarea și reconstrucția datelor de imagistică, cercetătorii au urmărit pozițiile atomilor în interiorul canalelor tranzistorilor. Analiza a scos la iveală o ușoară asprime la interfețele canalelor, patternuri subtile pe care Karapetyan le-a descris ca „mușcături de șoarece”.

Aceste defecte se formează în timpul procesului optimizat de creștere folosit la fabricarea structurilor. Dispozitivele model folosite pentru testare au fost produse la centrul de cercetare în nanoelectronică Imec, oferind un mediu adecvat pentru evaluarea tehnicii de imagistică.

«Fabricarea dispozitivelor moderne implică sute, dacă nu mii, de pași de etch-ere chimice, depuneri și încălzire, iar fiecare pas influențează structura», a explicat Karapetyan. «Înainte, te bazai pe imagini proiective pentru a încerca să înțelegi ce se întâmplă. Acum ai o sondă directă pentru a vedea după fiecare pas și pentru a înțelege mai bine, de exemplu, dacă am pus temperatura atât de mare, atunci așa arată rezultatul.»

Implicarea industriei și potențialul impact

Metoda a fost dezvoltată în colaborare cu Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) și Advanced Semiconductor Materials (ASM), iar TSMC a susținut financiar cercetarea. Capabilitatea de a observa direct defectele la nivel atomic poate avea implicații majore pentru toate dispozitivele care se bazează pe cipuri avansate — de la smartphone-uri și laptopuri până la centre de date pentru inteligență artificială și, posibil, la tehnologiile viitoare de calcul cuantic, care necesită o controlare extrem de precisă a structurii materialelor.

«Cred că acum putem face multă știință și putem obține mult mai mult control inginereasc, având acest instrument», a spus Karapetyan, subliniind potențialul pentru dezvoltări atât în cercetare, cât și în producție.

Echipă, finanțare și recunoaștere științifică

Pe lângă autorul principal, Shake Karapetyan, co-autorii studiului includ pe Steven Zeltmann, cercetător la Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM), precum și Ta-Kun Chen și Vincent Hou de la TSMC. Glen Wilk este menționat pentru colaborarea sa anterioară și pentru legătura continuă între echipele academice și cele din industrie.

Studiul a fost finanțat de TSMC, iar facilitățile de microscopie au primit sprijin din partea Cornell Center for Materials Research (CCMR) și PARADIM, ambele finanțate de National Science Foundation.

Lucrarea științifică care documentează tehnica și rezultatele se intitulează: „3D atomic-scale metrology of strain relaxation and roughness in Gate-All-Around transistors via electron ptychography” și poate fi găsită în Nature Communications. Referința DOI este 10.1038/s41467-026-69733-1.

Ce urmează și cum poate fi folosit instrumentul

Disponibilitatea unei sonde directe pentru observarea structurii atomice după fiecare pas de fabricație oferă inginerilor și oamenilor de știință o cheie nouă pentru optimizarea proceselor. În loc să deducă efectele unor etape individuale din imagini proiective sau prin teste ulterioare, specialiștii pot acum să identifice modificările exacte apărute în structură ca urmare a parametrilor de procesare, cum ar fi temperatura sau compoziția chimică aplicată.

Această capacitate de „debugging” la nivel atomic devine tot mai relevantă pe măsură ce dimensiunile componentelor se apropie de scară atomică, când fiecare atom poate influența comportamentul unui tranzistor. Astfel, instrumentul ar putea fi folosit atât în faza de dezvoltare pentru optimizarea proceselor, cât și în cercetarea orientată spre noile generații de dispozitive cu cerințe foarte stricte de performanță și fiabilitate.

Descoperirea evidențiază o punte între cercetarea academică în microscopie și nevoile practice ale industriei semiconductorilor, demonstrând cum colaborările între universități, centre de cercetare și companii pot genera instrumente capabile să răspundă provocărilor tehnologice la cele mai mici scări posibile.

Mai multe detalii despre articolul publicat pot fi consultate la reportarea originală a știrii: ScienceDaily — Scientists finally see the atomic flaws hiding inside computer chips.