Cornell detecta defectos atómicos tipo “mordida de ratón” en chips avanzados

Martes 03 - 13:35

Un equipo de Cornell, en colaboración con Taiwan Semiconductor Manufacturing Company y Advanced Semiconductor Materials, ha logrado observar por primera vez defectos a escala atómica dentro de chips de última generación mediante una técnica de microscopía electrónica 3D de alta resolución. Estos defectos, denominados “mordidas de ratón” por el investigador principal Shake Karapetyan, aparecen como irregularidades en las interfaces de los canales de los transistores y pueden degradar el rendimiento cuando las dimensiones se reducen a unos pocos nanómetros.

Los transistores estudiados utilizan arquitecturas de tipo gate all around, en las que un óxido de compuerta tridimensional envuelve un canal de silicio de solo unos átomos de grosor, lo que vuelve crítica la posición de cada átomo para la conducción de corriente. Para analizar estas estructuras enterradas, el grupo empleó un detector matricial de píxeles para microscopio electrónico con rango dinámico extremo, capaz de registrar patrones de dispersión con una resolución récord reconocida por Guinness. A partir de esos datos aplicaron ptychografía electrónica multi slice, una técnica computacional que reconstruye el volumen completo del dispositivo con resolución sub angstrom en el plano y resolución nanométrica en profundidad.

David Muller, profesor de ingeniería y responsable del proyecto, subrayó que ninguna otra herramienta ofrece hoy esta visión directa de los defectos atómicos en dispositivos reales, lo que convierte al método en un recurso clave para el diagnóstico y la optimización de chips en fase de desarrollo. Recordó que ya a finales de los años noventa, trabajando en Bell Labs junto con Glen Wilk, contribuyó a introducir el óxido de hafnio como material de compuerta, una innovación que poco después adoptaron los principales fabricantes de semiconductores. Ahora, con el apoyo del laboratorio de análisis corporativo de TSMC y muestras fabricadas en centros punteros como imec, el equipo ha llevado la ptychografía electrónica al interior de dispositivos comerciales de tipo gate all around.

El análisis detallado de los datos mostró que las interfaces superior e inferior del canal presentan rugosidades distintas, reflejo de las diferencias entre las etapas de procesado aplicadas durante la fabricación. Las reconstrucciones también indican que solo alrededor del sesenta por ciento de los átomos del canal de silicio ultrafino mantiene una configuración similar al material masivo, ya que el cristal se relaja al alejarse de las interfaces irregulares. Según los autores, disponer de valores experimentales directos de rugosidad, esfuerzo mecánico y defectos enterrados en tres dimensiones permite alimentar con más realismo los modelos de simulación y ajustar con mayor precisión condiciones como temperatura, grabado químico o deposición de capas en las cientos de etapas que implica fabricar un chip avanzado.

Los investigadores prevén que esta técnica se extienda más allá de los procesadores y memorias de alta gama y se aplique a todo tipo de dispositivos que dependen de un control estructural extremo, desde la electrónica de consumo y los sistemas del automóvil hasta los centros de datos para inteligencia artificial y los futuros ordenadores cuánticos.