1772758631
2026-03-06 00:44:00
Исследователи из Корнелльского университета впервые использовали 3D-изображения высокого разрешения для выявления дефектов атомного масштаба внутри компьютерных чипов. Эти крошечные недостатки могут повлиять на производительность чипа, что делает их серьезной проблемой для современной электроники.
Новая методика визуализации была разработана в сотрудничестве с Тайваньской компанией по производству полупроводников (TSMC) и Advanced Semiconductor Materials (ASM). Поскольку компьютерные чипы используются в самых разных устройствах — от смартфонов и автомобилей до центров обработки данных искусственного интеллекта и квантовых компьютеров, это открытие может повлиять на многие области технологий.
Результаты были опубликованы 23 февраля в журнале Природные коммуникации. Ведущим автором исследования была докторантка Шаке Карапетян.
«Поскольку другого способа увидеть атомную структуру этих дефектов действительно нет, это станет действительно важным инструментом определения характеристик для отладки и поиска неисправностей в компьютерных чипах, особенно на стадии разработки», — сказал Дэвид Мюллер, профессор инженерных наук Сэмюэля Б. Экерта в Инженерном колледже Корнелл-Даффилд, который руководил проектом.
Почему крошечные дефекты имеют значение в полупроводниковых чипах
Чрезвычайно малые структурные дефекты уже давно стали проблемой для полупроводниковой промышленности. Поскольку чипы стали более сложными, а их компоненты уменьшились до размеров отдельных атомов, даже незначительные нарушения могут повлиять на работу устройств.
В центре каждого компьютерного чипа находится транзистор. Этот крошечный компонент действует как переключатель, управляющий движением электрического тока. Каждый транзистор содержит канал, который открывается и закрывается для регулирования потока электронов.
«Транзистор похож на маленькую трубку для электронов, а не для воды», — сказал Мюллер. «Вы можете себе представить, что если стенки трубы очень грубые, это замедлит процесс. И поэтому измерение того, насколько шероховатые стены, какие стены хорошие, а какие плохие, теперь еще важнее».
От ранних транзисторов к 3D-структурам микросхем
Мюллер уже давно изучает физические ограничения полупроводниковой технологии. С 1997 по 2003 год он работал в отделе исследований и разработок Bell Labs, где были изобретены транзисторы, исследуя, насколько маленькими в конечном итоге могут стать эти устройства.
Когда в середине 20-го века впервые появились транзисторы, они располагались на микросхемах плоской компоновкой, расширяющейся наружу, подобно пригородам, расширяющимся по земле. Со временем у инженеров закончилась площадь поверхности, и они начали размещать транзисторы вертикально, создавая сложные трехмерные конструкции, напоминающие высотные жилые дома.
«Проблема в том, что эти трехмерные структуры меньше размера вируса. А в наши дни они намного меньше. Это больше похоже на масштаб молекулы в клетке», — сказал Мюллер.
Сегодня один современный чип может содержать миллиарды транзисторов. Поскольку их размер продолжает сокращаться, диагностировать проблемы с производительностью стало гораздо сложнее.
«В наши дни транзисторный канал может иметь ширину всего от 15 до 18 атомов, что очень, супер крошечно, и они чрезвычайно сложны», — сказал Карапетян. «На данный момент важно, где находится каждый атом, и его действительно сложно охарактеризовать».
Достижения электронной микроскопии
Ранее в своей карьере в Bell Labs Мюллер работал с коллегой-ученым Гленом Уилком ’90, который сейчас является вице-президентом по технологиям в ASM. Пара изучала способы замены диоксида кремния, преобладающего в то время материала затворов, который пропускал слишком большой ток, когда устройства становились очень маленькими. Их исследования помогли продвинуть использование оксида гафния, который позже стал стандартным материалом, используемым в компьютерных процессорах и мобильных устройствах, начиная с середины нулевых.
«Документы, которые мы опубликовали о том, как использовать электронные микроскопы для характеристики этих материалов, я могу вам сказать, многие специалисты по полупроводникам читали их очень, очень внимательно», — сказал Мюллер, который является соруководителем Института Кавли в Корнелле по наномасштабным наукам и Корнельского центра исследования материалов (CCMR). «Когда мы вернулись к этому проекту, это было очень ясно. И микроскопия прошла очень длинный путь. Тогда это было похоже на полеты на бипланах. А теперь у вас есть реактивные самолеты».
«Джет», о котором говорит Мюллер, — это электронная птихография. Этот метод компьютерной визуализации основан на пиксельно-матрице электронного микроскопа (EMPAD), технологии, разработанной совместно исследовательской группой Мюллера. Детектор записывает подробные закономерности, возникающие при прохождении электронов через транзисторные структуры.
Сравнивая, как эти картины рассеяния смещаются от одной точки сканирования к другой, исследователи могут реконструировать чрезвычайно подробные изображения. Система настолько точна, что позволяет создавать изображения с самым высоким разрешением, которое когда-либо было получено, что позволяет ученым видеть отдельные атомы с необычайной четкостью — возможность, признанная Книгой рекордов Гиннеса.
Обнаружение дефектов «мышиного укуса»
Спустя более чем 25 лет после предыдущего сотрудничества Мюллер и Уилк снова работали вместе при поддержке TSMC и ее группы корпоративных аналитических лабораторий. Их целью было применить технологию EMPAD к современным полупроводниковым устройствам.
«Вы можете думать об этом методе визуализации как о решении огромной головоломки, как с точки зрения сбора экспериментальных данных, так и с точки зрения компьютерной реконструкции», — сказал Карапетян.
Собрав и реконструировав данные изображения, исследователи отследили положения атомов внутри каналов транзистора. Этот анализ выявил небольшие неровности на границах этих каналов. Карапетян назвал эти нерегулярные движения «мышиными укусами».
Дефекты, образовавшиеся в ходе оптимизированного процесса роста, используются для изготовления конструкций. Образцы устройств, созданные в исследовательском центре наноэлектроники Imec, стали идеальной платформой для тестирования метода визуализации.
«Изготовление современных устройств требует сотен, если не тысяч этапов химического травления, осаждения и нагрева, а затем каждый отдельный шаг что-то меняет в вашей структуре», — сказал Карапетян. «Раньше вы смотрели на проекционные изображения, чтобы попытаться выяснить, что происходит на самом деле. Теперь у вас есть прямой зонд, позволяющий видеть каждый шаг и лучше понимать: ох, я поставил такую высокую температуру, и вот как это выглядит».
Последствия для будущих чипов и квантовых вычислений
Возможность непосредственно наблюдать дефекты на атомном уровне может повлиять практически на каждое устройство, основанное на современных компьютерных чипах, включая смартфоны, ноутбуки и крупные центры обработки данных. Это также может помочь исследователям в разработке новых технологий, таких как квантовые компьютеры, которые требуют чрезвычайно точного контроля над структурой материалов.
«Я думаю, что теперь, имея этот инструмент, мы можем сделать гораздо больше научных исследований и гораздо больше инженерного контроля», — сказал Карапетян.
Соавторами исследования являются Стивен Зельтманн, научный сотрудник Платформы ускоренной реализации, анализа и открытия интерфейсных материалов (PARADIM), а также Та-Кун Чен и Винсент Хоу из TSMC.
Исследование финансировалось TSMC. Поддержку установкам микроскопии оказали CCMR и PARADIM, которые финансируются Национальным научным фондом.
#Ученые #наконецто #увидели #атомные #дефекты #скрывающиеся #внутри #компьютерных #чипов
Читайте также
