Cientistas finalmente revelam as imperfeições atômicas presentes nos microprocessadores

A nova técnica de imagem foi desenvolvida em colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM). Como 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 outra maneira de ver a estrutura atômica desses defeitos, isso se tornará uma ferramenta de caracterização realmente importante para depuração e detecção 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 Pequenos Defeitos Importam em Chips Semicondutores

Falhas estruturais extremamente pequenas têm desafiado a indústria de semicondutores há muito tempo. À medida que os chips se tornam mais complexos e seus componentes encolhemar para a escala de átomos individuais, até mesmo pequenas irregularidades podem afetar o funcionamento dos dispositivos.

No centro de cada chip de computador está o transistor. Este componente minúsculo atua como um interruptor que controla o movimento da corrente elétrica. Cada transistor contém um canal que se abre e se fecha para regular o fluxo de elétrons.

“O transistor é como um pequeno tubo para elétrons, ao invés de água,” disse Muller. “Você pode imaginar que, se as paredes do tubo forem muito ásperas, isso vai desacelerar as coisas. Portanto, medir o quão ásperas são as paredes e quais paredes são boas e quais são ruins agora é ainda mais importante.”

Das Transistores Iniciais às Estruturas em 3D dos Chips

Muller estuda há muito tempo os limites físicos da tecnologia de semicondutores. De 1997 a 2003, trabalhou na divisão de pesquisa e desenvolvimento da Bell Labs – onde os transistores foram inventados – investigando até que ponto esses dispositivos poderiam encolher.

Quando os transistores surgiram em meados do século 20, eles eram dispostos em chips em layouts planos que se espalhavam para fora, semelhantes a subúrbios se expandindo em terra. Com o tempo, os engenheiros esgotaram a área de superfície, levando-os a empilhar transistores verticalmente, criando estruturas tridimensionais complexas que se assemelham a prédios de apartamentos de vários andares.

“O problema é que essas estruturas 3D são menores que o tamanho de um vírus. E hoje em dia, é ainda menor. É mais como uma escala de molécula dentro de uma célula,” afirmou Muller.

Hoje, um único chip avançado pode conter bilhões de transistores. À medida que seu tamanho continua a encolher, diagnosticar problemas de desempenho tornou-se muito mais difícil.

“Atualmente, um canal de transistor pode ter apenas cerca de 15 a 18 átomos de largura, o que é extremamente pequeno, e eles são extremamente intrincados,” disse Karapetyan. “Neste ponto, importa onde cada átomo está, e é realmente difícil caracterizar.”

Avanços na Microscopia Eletrônica

No início de sua carreira na Bell Labs, Muller trabalhou com o colega cientista Glen Wilk ’90, que agora é vice-presidente de tecnologia da ASM. A dupla estudou maneiras de substituir o dióxido de silício, o material de porta dominante na época, que vazava corrente demais quando os dispositivos se tornaram muito pequenos. Sua pesquisa ajudou a avançar o uso do óxido de hafnio, que mais tarde se tornou o material padrão usado em processadores de computador e dispositivos móveis a partir de meados dos anos 2000.

“Os artigos que publicamos sobre como usar microscópios eletrônicos para caracterizar esses materiais, posso dizer que muitos na indústria de semicondutores leram muito, muito atentamente,” disse Muller, que co-dirige o Instituto Kavli da Cornell para Ciências Nanoscale e o Cornell Center for Materials Research (CCMR). “Quando voltamos a 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. Esta técnica de imagem computacional depende de um detector de matriz de pixels 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 de transistor.

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 cientistas vissem átomos individuais com clareza extraordinária, uma capacidade reconhecida pelo Guinness World Records.

Descobrindo Defeitos de “Mordida de Rato”

Mais de 25 anos depois de sua colaboração anterior, Muller e Wilk trabalharam juntos novamente com o apoio da TSMC e de seu grupo de Laboratórios Analíticos Corporativos. O objetivo era aplicar a tecnologia EMPAD a dispositivos semicondutores modernos.

“Você pode pensar nessa técnica de imagem como resolver um enorme quebra-cabeça, tanto em termos de coleta de dados experimentais quanto na reconstrução computacional,” disse Karapetyan.

Depois de coletar e reconstruir os dados de imagem, os pesquisadores rastrearam as posições dos átomos dentro dos canais de transistor. Esta análise revelou uma sutil aspereza nas interfaces desses canais. Karapetyan descreveu esses padrões irregulares como “mordidas de rato.”

Os defeitos se formaram durante o processo de crescimento otimizado usado para fabricar as estruturas. Dispositivos amostrais criados no centro de pesquisa de nanoeletrônica Imec forneceram uma plataforma ideal para testar a técnica de imagem.

“A fabricação de dispositivos modernos passa por centenas, se não milhares, de etapas de gravura química, deposição e aquecimento, e cada passo faz algo à sua estrutura,” disse Karapetyan. “Antes, você costumava olhar para imagens projetivas para tentar entender o que estava realmente acontecendo. Agora, você tem uma sonda direta para realmente ver após cada etapa e ter uma melhor compreensão do que, oh, eu coloquei a temperatura tão alta, e então isso é o que parece.”

Implicações para Chips Futuros e Computação Quântica

A capacidade de observar diretamente defeitos em nível atômico pode influenciar quase todos os dispositivos que dependem 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 essa ferramenta,” disse Karapetyan.

Os co-autores do estudo incluem Steven Zeltmann, cientista de equipe no Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM), além de 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 pelo PARADIM, que são financiados pela National Science Foundation.