Учёные впервые увидели атомные дефекты внутри компьютерных чипов

Исследователи из Корнеллского университета впервые использовали высокоразрешающую 3D-визуализацию для выявления дефектов атомного масштаба внутри компьютерных чипов. Эти крошечные несовершенства могут влиять на производительность чипов, что является серьёзной проблемой для современной электроники.

Новая методика визуализации была разработана совместно с компаниями Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) и Advanced Semiconductor Materials (ASM). Поскольку компьютерные чипы используются в устройствах от смартфонов и автомобилей до центров обработки данных для ИИ и квантовых компьютеров, открытие может повлиять на многие области технологий.

Результаты были опубликованы 23 февраля в журнале Nature Communications. Ведущим автором исследования выступил аспирант Шейк Карапетян.

«Поскольку нет другого способа увидеть атомную структуру этих дефектов, это станет очень важным инструментом для отладки и поиска неисправностей в компьютерных чипах, особенно на стадии разработки», — сказал Дэвид Мюллер, профессор инженерии Корнеллского университета, руководивший проектом.

Крайне малые структурные дефекты давно бросают вызов полупроводниковой промышленности. По мере усложнения чипов и уменьшения их компонентов до масштаба отдельных атомов даже незначительные отклонения могут влиять на работу устройств.

В центре каждого чипа находится транзистор — крошечный компонент, действующий как переключатель, контролирующий движение электрического тока. Каждый транзистор содержит канал, который открывается и закрывается, регулируя поток электронов.

«Транзистор похож на маленькую трубу для электронов вместо воды, — сказал Мюллер. — Можно представить, что если стенки трубы очень шероховатые, это будет замедлять движение. Поэтому измерение того, насколько шероховаты стенки и какие из них хорошие, а какие плохие, теперь стало ещё важнее».

Сегодня один передовой чип может содержать миллиарды транзисторов. По мере их уменьшения диагностика проблем с производительностью стала гораздо сложнее.

«Сейчас ширина канала транзистора может составлять всего около 15–18 атомов, что невероятно мало, и они чрезвычайно сложны, — сказал Карапетян. — На этом этапе важно, где находится каждый атом, и это действительно сложно охарактеризовать».

«Реактивным самолётом» Мюллер называет электронную птохографию. Эта вычислительная методика визуализации использует детектор на основе массива пикселей для электронного микроскопа (EMPAD), технологию, созданную при участии исследовательской группы Мюллера. Детектор записывает детальные паттерны, создаваемые при прохождении электронов через структуры транзистора.

Сравнивая, как эти картины рассеяния смещаются от одной точки сканирования к другой, исследователи могут воссоздавать чрезвычайно детальные изображения. Система настолько точна, что позволяет видеть отдельные атомы с необычайной чёткостью.

После сбора и реконструкции данных исследователи отследили положение атомов внутри каналов транзисторов. Этот анализ выявил небольшую шероховатость на границах этих каналов. Карапетян описал эти нерегулярные паттерны как «следы от мышиных укусов».

«Изготовление современных устройств включает сотни, если не тысячи этапов химического травления, осаждения и нагрева, и каждый отдельный шаг что-то делает с вашей структурой, — сказал Карапетян. — Раньше вы смотрели на проекционные изображения, чтобы понять, что на самом деле происходит. Теперь у вас есть прямой инструмент, чтобы видеть после каждого шага и лучше понимать: о, я установил такую-то температуру, и вот как это выглядит».

Способность непосредственно наблюдать дефекты атомного уровня может повлиять почти на каждое устройство, использующее передовые компьютерные чипы, включая смартфоны, ноутбуки и крупные центры обработки данных. Это также может помочь исследователям в разработке новых технологий, таких как квантовые компьютеры, требующие чрезвычайно точного контроля над структурой материалов.