Атом под микроскопом: новый метод поиска дефектов перевернёт контроль качества чипов

Производство современных чипов — это тысячи технологических этапов, на каждом из которых что-то может пойти не так. До недавнего времени обнаружить конкретную причину брака на атомарном уровне было почти невозможно. Группа исследователей из Корнеллского университета при участии ASM и TSMC изменила это.

Задача, которую не могли решить

Транзисторы типа GAA, основа современных чипов поколения 2 нм, устроены как нанопровода с затвором по всему периметру. Поперечник такого провода не превышает 18 атомов. Малейшие отклонения в структуре стенок — неоднородности материала, точечные повреждения, нарушения на границах слоёв — ухудшают работу транзистора. Но добраться до этих дефектов после завершения техпроцесса традиционными методами не получалось: их масштаб сопоставим с размерами вирусов.

Электроны вместо рентгена

Исследователи адаптировали под задачу метод многоплоскостной электронной птихографии. В основе — сканирующий просвечивающий электронный микроскоп с детектором EMPAD, который регистрирует не просто изображение, а характер рассеяния электронов в четырёх измерениях. Из этого массива данных алгоритм фазовой реконструкции восстанавливает трёхмерную атомарную картину образца.

Что принципиально отличает метод от предшественников:

• полный объём структуры восстанавливается из одного набора измерений — без многократного сканирования;
• разрешение достигает субангстремного уровня — точнее десятимиллиардной доли метра;
• метод даёт прямые количественные оценки дефектов, а не косвенные предположения по электрическим параметрам.

Визуализация слоёв кремния, диоксида кремния и оксида гафния внутри канала транзистора. Источник изображения: Cornell

Что это меняет для производства

Раньше инженеры могли судить о дефектах лишь по поведению готового чипа, то есть уже после того, как брак накоплен. Новый инструмент позволяет отслеживать качество на каждом из тысяч промежуточных этапов техпроцесса и корректировать его до того, как проблема распространится. Образцы для исследования предоставил бельгийский центр Imec, один из ключевых партнёров мировой полупроводниковой индустрии.

Участие TSMC в проекте — не случайность. Крупнейший в мире контрактный производитель чипов заинтересован в таком инструменте напрямую: при переходе к нормам 2 нм и менее цена каждого атомарного дефекта в буквальном смысле растёт.