Científicos revelan defectos atómicos ocultos en microchips por primera vez

Investigadores de la Universidad de Cornell lograron, por primera vez, identificar defectos a escala atómica dentro de microchips mediante una técnica de imagen de alta resolución en 3D. Estos pequeños defectos, apodados "mordeduras de ratón", pueden impactar significativamente el rendimiento de los chips, lo que representa una preocupación creciente en el ámbito de la electrónica moderna.

La técnica de imagen fue desarrollada en colaboración con la Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) y Advanced Semiconductor Materials (ASM). Dado que los microchips alimentan dispositivos que van desde teléfonos inteligentes y automóviles hasta centros de datos de inteligencia artificial y computadoras cuánticas, este descubrimiento podría tener un impacto en diversas áreas tecnológicas.

Los hallazgos fueron publicados el 23 de febrero en Nature Communications. El estudiante de doctorado Shake Karapetyan fue el autor principal del estudio. "Dado que realmente no hay otra forma de observar la estructura atómica de estos defectos, esta será una herramienta de caracterización muy importante para la depuración y la identificación de fallos en los microchips, especialmente en la etapa de desarrollo", afirmó David Muller, profesor de ingeniería en el Duffield College of Engineering de Cornell, quien lideró el proyecto.

La importancia de los pequeños defectos en los chips semiconductores

Los defectos estructurales extremadamente pequeños han representado un desafío para la industria de los semiconductores durante mucho tiempo. A medida que los chips se han vuelto más complejos y sus componentes se han reducido a la escala de átomos individuales, incluso las irregularidades menores pueden afectar el funcionamiento de los dispositivos. En el centro de cada microchip se encuentra el transistor, un componente diminuto que actúa como un interruptor que controla el movimiento de la corriente eléctrica. Cada transistor contiene un canal que se abre y se cierra para regular el flujo de electrones.

"El transistor es como un pequeño tubo para electrones en lugar de agua", explicó Muller. "Se puede imaginar que, si las paredes del tubo son muy ásperas, esto ralentizará el flujo. Por lo tanto, medir cuán ásperas son las paredes y cuáles son buenas y cuáles son malas es ahora aún más importante".

De los primeros transistores a las estructuras de chips 3D

Muller ha estudiado durante mucho tiempo los límites físicos de la tecnología de semiconductores. Entre 1997 y 2003, trabajó en la división de investigación y desarrollo de Bell Labs, donde se inventaron los transistores, investigando cuán pequeños podrían llegar a ser estos dispositivos. Cuando los transistores aparecieron por primera vez a mediados del siglo XX, se disponían en los chips en disposiciones planas que se expandían hacia afuera, similares a los suburbios que se expanden por el territorio. Con el tiempo, los ingenieros se quedaron sin superficie, lo que los llevó a comenzar a apilar transistores verticalmente, creando estructuras tridimensionales complejas que se asemejan a edificios de apartamentos de gran altura.

Hoy en día, un solo chip avanzado puede contener miles de millones de transistores. A medida que su tamaño ha seguido disminuyendo, diagnosticar problemas de rendimiento se ha vuelto mucho más difícil. "Hoy en día, un canal de transistor puede tener solo entre 15 y 18 átomos de ancho, lo que es extremadamente pequeño y muy intrincado", afirmó Karapetyan. "En este punto, importa dónde se encuentra cada átomo, y es realmente difícil caracterizarlo".

Avances en microscopía electrónica

En su carrera anterior en Bell Labs, Muller trabajó con el científico Glen Wilk, quien ahora es vicepresidente de tecnología en ASM. Juntos estudiaron formas de reemplazar el dióxido de silicio, el material de puerta dominante en ese momento, que filtraba demasiada corriente cuando los dispositivos se volvían muy pequeños. Su investigación ayudó a avanzar en el uso del óxido de hafnio, que se convirtió en el material estándar utilizado en procesadores de computadoras y dispositivos móviles a partir de mediados de los años 2000.

La técnica de imagen, conocida como ptychografía electrónica, se basa en un detector de matriz de píxeles de microscopio electrónico (EMPAD), una tecnología co-desarrollada por el grupo de investigación de Muller. Este detector registra patrones detallados creados a medida que los electrones pasan a través de las estructuras del transistor. Al comparar cómo estos patrones de dispersión cambian de un punto de escaneo a otro, los investigadores pueden reconstruir imágenes extremadamente detalladas.

El sistema es tan preciso que ha producido las imágenes de más alta resolución jamás capturadas, permitiendo a los científicos ver átomos individuales con una claridad extraordinaria, una capacidad reconocida por el Guinness World Records.

Descubriendo los defectos de "mordedura de ratón"

Más de 25 años después de su colaboración anterior, Muller y Wilk volvieron a trabajar juntos con el apoyo de TSMC y su grupo de laboratorios analíticos corporativos. Su objetivo fue aplicar la tecnología EMPAD a dispositivos semiconductores modernos. "Se puede pensar en esta técnica de imagen como resolver un enorme rompecabezas, tanto en términos de tomar los datos experimentales como de hacer la reconstrucción computacional", comentó Karapetyan.

Después de recolectar y reconstruir los datos de imagen, los investigadores rastrearon las posiciones de los átomos dentro de los canales del transistor. Este análisis reveló una sutil rugosidad en las interfaces de estos canales. Karapetyan describió estos patrones irregulares como "mordeduras de ratón". Los defectos se formaron durante el proceso de crecimiento optimizado utilizado para fabricar las estructuras. Los dispositivos de muestra creados en el centro de investigación de nanoelectrónica Imec proporcionaron una plataforma ideal para probar la técnica de imagen.

Implicaciones para futuros chips y computación cuántica

La capacidad de observar directamente los defectos a nivel atómico podría influir en casi todos los dispositivos que dependen de microchips avanzados, incluidos teléfonos inteligentes, computadoras portátiles y grandes centros de datos. También podría ayudar a los investigadores a desarrollar tecnologías emergentes como las computadoras cuánticas, que requieren un control extremadamente preciso sobre la estructura de los materiales.

El estudio tuvo como coautores a Steven Zeltmann, científico del Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials (PARADIM), junto con Ta-Kun Chen y Vincent Hou de TSMC. La investigación fue financiada por TSMC, y el apoyo para las instalaciones de microscopía fue proporcionado por CCMR y PARADIM, que están financiados por la National Science Foundation.

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