Впервые исследовательская группа Корнеллского университета в США непосредственно «увидела» структурные дефекты, скрытые внутри современных чипов на атомном уровне, и ярко назвала эти крошечные неправильные формы «мышиными укусами». Этот прорыв в области визуализации предоставляет новый инструмент для отладки и повышения производительности будущих высокопроизводительных чипов.

Эта новая технология основана на методе трехмерного электронного изображения высокого разрешения, разработанном Корнельским университетом в сотрудничестве с Тайваньской компанией по производству полупроводников (TSMC) и производителем полупроводникового оборудования ASM. Он может реконструировать внутреннюю структуру транзистора на нанометровом или даже атомном уровне и напрямую обнаруживать микроскопические дефекты, влияющие на производительность и надежность. Результаты исследования были опубликованы в журнале Nature Communications 23 февраля. Первым автором статьи является Шаке Карапетян, аспирант Корнелльского университета.

Дэвид Мюллер, руководитель проекта и профессор Сэмюэля Б. Эккерта в Корнеллской инженерной школе Даффилда, сказал, что практически невозможно напрямую увидеть атомную структуру этих дефектов с помощью существующих методов, и новый метод станет ключевым инструментом определения характеристик для «отладки» и «устранения неполадок» на этапе разработки чипа. Поскольку все, от смартфонов и автомобилей до центров обработки данных искусственного интеллекта и квантовых компьютеров, основано на передовых чипах, ожидается, что эта разработка окажет широкое влияние на всю цепочку информационной индустрии.

В современных полупроводниковых устройствах транзистор является основным устройством, управляющим переключением тока, а область его канала похожа на микротрубу, по которой электроны «ходят». Мюллер описал, что если внутренняя стенка этой «трубы» шероховатая, это будет препятствовать потоку электронов, поэтому точное измерение шероховатости стенки канала и определение того, какие области «хорошие», а какие «плохие», становится особенно важным на атомном уровне. Транзисторные каналы в современных высокопроизводительных чипах имеют ширину всего от 15 до 18 атомов, а их структура настолько сложна, что любое небольшое отклонение может вызвать измеримые различия в производительности. Карапетян прямо заявил, что при таких размерах «положение каждого атома имеет значение», и точная характеристика этих структур является проблемой.

Оглядываясь назад на первые дни развития полупроводниковой технологии, можно сказать, что большинство транзисторов располагались плоско и располагались по бокам поверхности чипа. Поскольку размеры продолжают приближаться к физическим пределам, отрасль обращается к трехмерным штабелируемым структурам, в которых устройства «стоят» вертикально, образуя все более сложные трехмерные архитектуры. Мюллер напомнил, что, работая в Bell Labs с 1997 по 2003 год, он изучал физические факторы, ограничивающие чрезмерную усадку транзисторов. Сегодня размеры элементов этих 3D-структур меньше, чем разрешающая способность многих традиционных методов определения характеристик, что делает диагностику проблем с производительностью все более сложной.

Развитие передовых технологий электронной микроскопии заложило основу для решения этой проблемы. Мюллер и нынешний вице-президент ASM по технологиям и выпускник Корнелла Глен Уилк во время своего пребывания в Bell Labs сотрудничали в исследованиях по использованию оксида гафния (HfO₂) с высокой диэлектрической постоянной в качестве материала затвора для замены диоксида кремния с серьезной утечкой в ​​небольших размерах. Эта работа позже способствовала популяризации оксида гафния в чипах компьютеров и мобильных телефонов. Опубликованная ими в том же году статья об использовании электронной микроскопии для характеристики родственных материалов получила широкое признание в полупроводниковой промышленности.

Сегодня «винтовой самолет», который называет Мюллер, модернизирован до «реактивного истребителя», воплощенного в технологии электрон-позитронной дифракции (электронной птихографии). Этот метод основан на электронно-микроскопическом пиксельном детекторе (EMPAD), разработанном его исследовательской группой. Он записывает картину рассеяния, возникающую при прохождении электронного луча через транзистор, а затем рассчитывает и реконструирует тонкие изменения в картине между соседними точками сканирования для получения изображений сверхвысокого разрешения. Точность EMPAD настолько высока, что она была признана Книгой рекордов Гиннеса как средство получения изображений на атомном уровне с самым высоким разрешением на сегодняшний день.

При поддержке TSMC и ее корпоративной аналитической лаборатории и исследовательского центра наноэлектроники Imec Мюллер и Уилк воссоединились спустя 25 лет, чтобы применить технологию EMPAD к современным полупроводниковым структурам. Карапетян сравнил этот процесс с решением «сверхбольшой головоломки», требующей сбора огромных экспериментальных данных и выполнения сложной вычислительной реконструкции.

Обрабатывая и анализируя данные, команда смогла отследить пространственное положение отдельных атомов и количественно оценить тонкие колебания на границе канала транзистора. В совокупности они назвали эти крошечные ямки и шероховатости дефектами «крысиного укуса». Дефекты образовались на этапах оптимизации роста материала во время изготовления устройств, а образцы, использованные для испытаний, были получены с технологических линий Imec. Карапетян отметил, что для изготовления современных устройств часто требуются сотни и даже тысячи этапов химического травления, осаждения и термообработки. Каждый шаг будет иметь влияние на окончательную структуру. Раньше можно было полагаться только на проекционные изображения, чтобы «угадать», что происходит внутри, но теперь можно напрямую «увидеть» структурные изменения после нескольких ключевых шагов. Это дает инженерам-технологам возможность более точно регулировать параметры процесса, такие как температура, и проверять структурные результаты в режиме реального времени.

Исследовательская группа считает, что эта способность напрямую визуализировать атомные дефекты окажет потенциальное влияние практически на все технологические формы, основанные на передовых чипах, включая традиционные приложения, такие как смартфоны, ноутбуки и крупные центры обработки данных, а также системы квантовых вычислений следующего поколения, которые требуют чрезвычайно высокой точности в структурах материалов. Карапетян отметил, что с таким набором инструментов в будущем появится больше возможностей как для фундаментальных научных исследований, так и для управления технологическими процессами.