Zum ersten Mal „sah“ ein Forschungsteam der Cornell University in den Vereinigten Staaten direkt die strukturellen Defekte, die in fortschrittlichen Chips auf atomarer Ebene verborgen sind, und nannte diese winzigen unregelmäßigen Formen anschaulich „Mäusebisse“. Dieser Durchbruch bei der Bildgebung stellt ein neues Werkzeug für das Debugging und die Ertragsverbesserung zukünftiger High-End-Chips bereit.
Diese neue Technologie basiert auf einer hochauflösenden dreidimensionalen elektronischen Bildgebungsmethode, die von der Cornell University in Zusammenarbeit mit der Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) und dem Halbleiterausrüstungshersteller ASM entwickelt wurde. Es kann die innere Struktur des Transistors im Nanometer- oder sogar atomaren Maßstab rekonstruieren und mikroskopische Defekte, die sich auf Leistung und Zuverlässigkeit auswirken, direkt lokalisieren. Die Forschungsergebnisse wurden am 23. Februar in der Zeitschrift Nature Communications veröffentlicht. Der Erstautor der Arbeit ist Shake Karapetyan, ein Doktorand an der Cornell University.
David Muller, Projektleiter und Samuel B. Eckert-Professor an der Duffield School of Engineering in Cornell, sagte, dass es mit bestehenden Methoden fast unmöglich sei, die atomare Struktur dieser Defekte direkt zu erkennen, und dass die neue Methode zu einem wichtigen Charakterisierungswerkzeug für „Debugging“ und „Fehlersuche“ während der Chip-Entwicklungsphase werden werde. Da von Smartphones und Autos bis hin zu Rechenzentren für künstliche Intelligenz und Quantencomputern alles auf fortschrittlichen Chips basiert, wird erwartet, dass diese Entwicklung weitreichende Auswirkungen auf die gesamte Kette der Informationsindustrie haben wird.
In modernen Halbleiterbauelementen ist der Transistor die Kerneinheit, die das Schalten des Stroms steuert, und sein Kanalbereich ist wie eine Mikroröhre, durch die Elektronen „laufen“ können. Muller beschrieb, dass eine raue Innenwand dieses „Rohrs“ den Elektronenfluss behindern wird. Daher ist es auf atomarer Ebene besonders wichtig, die Rauheit der Kanalwand genau zu messen und zu unterscheiden, welche Bereiche „gut“ und welche „schlecht“ sind. Die Transistorkanäle in heutigen Hochleistungschips sind nur etwa 15 bis 18 Atome breit und ihre Strukturen sind so komplex, dass jede geringfügige Abweichung zu messbaren Leistungsunterschieden führen kann. Karapetyan erklärte unverblümt, dass bei einer solchen Größe fast „die Position jedes Atoms von Bedeutung“ sei und die genaue Charakterisierung dieser Strukturen ein Problem darstelle.
Rückblickend auf die Anfänge der Entwicklung der Halbleitertechnologie waren die meisten Transistoren planar angeordnet und seitlich auf der Oberfläche des Chips verteilt. Da die Größen zunehmend an physikalische Grenzen stoßen, wendet sich die Branche dreidimensionalen Stapelstrukturen zu, bei denen Geräte vertikal „aufrecht stehen“, um immer komplexere 3D-Architekturen zu bilden. Muller erinnerte sich, dass er während seiner Arbeit bei Bell Labs von 1997 bis 2003 die physikalischen Faktoren untersuchte, die die extreme Schrumpfung von Transistoren begrenzten. Heutzutage sind die Strukturgrößen dieser 3D-Strukturen kleiner als das Auflösungsvermögen vieler herkömmlicher Charakterisierungsmethoden, was die Diagnose von Leistungsproblemen zunehmend erschwert.
Die Entwicklung der fortschrittlichen Elektronenmikroskopie-Technologie hat den Grundstein für die Lösung dieses Problems gelegt. Während ihrer Zeit bei Bell Labs arbeiteten Muller und der aktuelle ASM-Vizepräsident für Technologie und Cornell-Alumnus Glen Wilk an der Forschung zur Verwendung von Hafniumoxid (HfO₂) mit hoher Dielektrizitätskonstante als Gate-Material, um Siliziumdioxid mit starker Leckage in kleinen Größen zu ersetzen. Diese Arbeit förderte später die Popularisierung von Hafniumoxid in Computer- und Mobiltelefonchips. Der in diesem Jahr veröffentlichte Artikel über den Einsatz der Elektronenmikroskopie zur Charakterisierung verwandter Materialien fand in der Halbleiterindustrie viel Beachtung.
Heute wurde das „Propellerflugzeug“, das Muller nennt, zu einem „Düsenjäger“ aufgerüstet, der auf der Technologie der Elektronen-Positronen-Beugungsbildgebung (Elektronen-Ptychographie) basiert. Diese Methode basiert auf einem von seiner Forschungsgruppe entwickelten elektronenmikroskopischen Pixel-Array-Detektor (EMPAD). Es zeichnet das Streumuster auf, das entsteht, wenn der Elektronenstrahl den Transistor passiert, und berechnet und rekonstruiert dann die subtilen Änderungen im Muster zwischen benachbarten Scanpunkten, um ultrahochauflösende Bilder zu erhalten. Die Präzision von EMPAD ist so hoch, dass es im Guinness-Buch der Rekorde als Gerät mit der bislang höchsten Auflösung auf atomarer Ebene anerkannt wurde.
Mit der Unterstützung von TSMC und seinem unternehmenseigenen Analyselabor und Nanoelektronik-Forschungszentrum Imec haben sich Muller und Wilk nach 25 Jahren wieder zusammengefunden, um die EMPAD-Technologie auf moderne, hochmoderne Halbleiterstrukturen anzuwenden. Karapetyan verglich diesen Prozess mit der Lösung eines „supergroßen Rätsels“, das das Sammeln umfangreicher experimenteller Daten und die Durchführung komplexer rechnerischer Rekonstruktionen erfordert.
Durch die Verarbeitung und Analyse der Daten konnte das Team die räumliche Position einzelner Atome verfolgen und die subtilen Wellen an der Schnittstelle des Transistorkanals quantifizieren. Sie bezeichneten diese winzigen Grübchen und Unebenheiten gemeinsam als „Rattenbiss“-Defekte. Die Defekte entstanden während optimierter Materialwachstumsschritte während der Geräteherstellung, und die für die Tests verwendeten Proben stammten aus den Prozesslinien von Imec. Karapetyan wies darauf hin, dass die Herstellung moderner Geräte häufig Hunderte oder sogar Tausende chemischer Ätz-, Abscheidungs- und Wärmebehandlungsschritte erfordert. Jeder Schritt hat Auswirkungen auf die endgültige Struktur. Konnte man in der Vergangenheit nur auf Projektionsbilder zurückgreifen, um zu „erraten“, was im Inneren vor sich geht, so kann man heute strukturelle Veränderungen nach mehreren Schlüsselschritten direkt „sehen“. Dies gibt Verfahrensingenieuren die Möglichkeit, Prozessparameter wie die Temperatur genauer anzupassen und ihre strukturellen Ergebnisse in Echtzeit zu überprüfen.
Das Forschungsteam geht davon aus, dass diese Fähigkeit zur direkten Visualisierung atomarer Defekte potenzielle Auswirkungen auf fast alle technologischen Formen haben wird, die auf fortschrittlichen Chips basieren, einschließlich konventioneller Anwendungen wie Smartphones, Laptops und großer Rechenzentren sowie Quantencomputersystemen der nächsten Generation, die eine extrem hohe Präzision der Materialstrukturen erfordern. Karapetyan sagte, dass es mit einem solchen Werkzeugsatz künftig mehr Leistungsspielraum sowohl in der wissenschaftlichen Grundlagenforschung als auch in der verfahrenstechnischen Steuerung geben werde.