Учёные впервые обнаружили скрытые в компьютерных чипах атомные дефекты

Американские учёные впервые использовали 3D-изображение с высоким разрешением для выявления дефектов на атомном уровне внутри компьютерных чипов. Эти крошечные изъяны могут могут влиять на производительность чипа, что делает их серьёзной проблемой для современной электроники.

Поскольку компьютерные чипы используются в самых разных устройствах — от смартфонов и автомобилей до центров обработки данных с искусственным интеллектом и квантовых компьютеров, это открытие может повлиять на многие области технологий. Результаты проведённого исследования были опубликованы в журнале Nature Communications.

«Поскольку другого способа увидеть атомарную структуру этих дефектов практически не существует, это будет действительно важным инструментом для диагностики компьютерных чипов, особенно на стадии разработки», — говорит руководитель проекта профессор Давид Мюллер.

Почему микроскопические дефекты играют важную роль

Чрезвычайно мелкие структурные изъяны в чипах уже давно представляют большую проблему для полупроводниковой промышленности. По мере того, как чипы становились всё сложнее, а их компоненты уменьшались до масштаба отдельных атомов, даже незначительные отклонения начали влиять на работу устройств.

В основе любого компьютерного чипа лежит транзистор — крошечный элемент, выполняющий роль переключателя, управляющего потоком электрического тока. В каждом таком транзисторе есть канал, который открывается и закрывается, регулируя движение электронов.

«Транзистор аналогичен маленькой трубке, но только для электронов, а не для воды», — замечает Мюллер. «Можно представить, что если внутренние стенки трубки будут слишком неровными, то это замедлит поток. Поэтому измерение того, насколько эти стенки шероховаты и, как следствие, определение, какие из них «хорошие», а какие «плохие», сейчас является очень важной задачей».

От первых транзисторов к 3D-структурам на кристаллах

В середине 20-го века транзисторы размещались на микросхемах в виде плоских структур, по мере развития распространяющихся вширь, подобно пригородным зонам. Но со временем инженерам стало не хватать площади поверхности микросхемы, и они начали располагать транзисторы вертикально, создавая сложные трехмерные структуры, напоминающие многоэтажные здания.

Исследователи видят проблему в том, что эти трехмерные структуры приближаются по масштабу к молекуле в клетке. Сегодня один современный чип может содержать миллиарды транзисторов. Поскольку их размер продолжает уменьшаться, диагностировать проблемы становится все сложнее. Современный транзисторный канал может иметь ширину всего от 15 до 18 атомов, а сами структуры чрезвычайно сложны. Поэтому так важно определять, где находится каждый атом, а это действительно проблематично.

Новые достижения в области электронной микроскопии

Начиная с середины 80-х годов, оксид гафния заменил диоксид кремния и стал стандартным материалом, используемым в компьютерных процессорах и мобильных устройствах.

Многие специалисты по полупроводникам в то время начали использовать электронные микроскопы для изучения характеристик этих материалов.

С тех пор электронная микроскопия продвинулась очень далеко.

Сегодня пришло время так называемой «струйной» электронной птихографии. Этот метод компьютерной визуализации основан на использовании электронного микроскопа с пиксельным детектором EMPAD — технологии, разработанной при участии исследовательской группы Мюллера.

Этот детектор фиксирует сложные паттерны рассеяния электронов при прохождении через структуры транзисторов. Сравнивая изменения этих паттернов, исследователи могут реконструировать чрезвычайно детализированные изображения.

Точность метода настолько высока, что он позволил получить изображения с рекордным разрешением, позволяя различать отдельные атомы. Эт достижение получило признание даже в Книге рекордов Гиннесса.

Дефекты, именуемые «мышиные укусы»

После сбора и реконструкции данных визуализации исследователи проследили за положением атомов в каналах транзистора. Этот анализ выявил незначительные шероховатости на стыках этих каналов. Учёные нарекли эти нерегулярные паттерны «мышиными укусами».

Подобные дефекты возникают в процессе оптимизированного выращивания кристаллических структур при производстве. Образцы устройств, созданные в исследовательском центре наноэлектроники, стали идеальной платформой для тестирования нового метода.

Изготовление современных устройств требует сотен, если не тысяч этапов химического травления, осаждения и нагрева, и каждый из них влияет на структуру. Раньше, чтобы попытаться понять, что происходит на самом деле, изучались проекционные изображения. Теперь, благодаря датчику можно напрямую наблюдать, результат после каждого этапа.

Значение для будущих технологий

Возможность непосредственного обнаружения дефектов на атомарном уровне может повлиять практически на каждое устройство, основанное на современных компьютерных чипах, включая смартфоны, ноутбуки и крупные центры обработки данных. Это также поможет ускорить развитие новых технологий, таких как квантовые компьютеры, где требуется чрезвычайно точный контроль структуры материалов.

«Теперь мы сможем проводить гораздо больше научных исследований и лучше управлять инженерными процессами благодаря этому инструменту» — утверждают авторы исследования.

Источник: ScienceDaily

Изображение для иллюстрации. Источник: Freepik.com