과학자들은 마침내 컴퓨터 칩 안에 숨어 있는 원자 결함을 발견했습니다.

새로운 이미징 기술은 TSMC(Taiwan Semiconductor Manufacturing Company) 및 ASM(Advanced Semiconductor Materials)과의 협력을 통해 개발되었습니다. 컴퓨터 칩은 스마트폰, 자동차부터 AI 데이터센터, 양자 컴퓨터에 이르는 장치에 전력을 공급하기 때문에 이번 발견은 기술의 여러 분야에 영향을 미칠 수 있습니다.

연구 결과는 2월 23일에 발표되었습니다. 네이처커뮤니케이션즈. 박사과정 학생 Shake Karapetyan이 연구의 주요 저자로 활동했습니다.

“이러한 결함의 원자 구조를 볼 수 있는 다른 방법은 실제로 없기 때문에 이것은 특히 개발 단계에서 컴퓨터 칩의 디버깅 및 결함 발견을 위한 매우 중요한 특성화 도구가 될 것입니다”라고 프로젝트를 주도한 코넬 더필드 공과대학의 Samuel B. Eckert 공학 교수인 David Muller는 말했습니다.

반도체 칩에서 작은 결함이 중요한 이유

아주 작은 구조적 결함은 오랫동안 반도체 산업에 어려움을 가져왔습니다. 칩이 더욱 복잡해지고 구성 요소가 개별 원자 규모로 축소됨에 따라 사소한 불규칙성이라도 장치 작동 방식에 영향을 미칠 수 있습니다.

모든 컴퓨터 칩의 중심에는 트랜지스터가 있습니다. 이 작은 구성 요소는 전류의 이동을 제어하는 ​​스위치 역할을 합니다. 각 트랜지스터에는 전자의 흐름을 조절하기 위해 열리고 닫히는 채널이 포함되어 있습니다.

“트랜지스터는 물 대신에 전자를 위한 작은 파이프와 같습니다.”라고 Muller는 말했습니다. “파이프 벽이 매우 거칠면 작업 속도가 느려질 것이라고 상상할 수 있습니다. 따라서 벽이 얼마나 거친지, 어떤 벽이 좋고 어떤 벽이 나쁜지를 측정하는 것이 이제 훨씬 더 중요합니다.”

초기 트랜지스터부터 3D 칩 구조까지

Muller는 오랫동안 반도체 기술의 물리적 한계를 연구해 왔습니다. 1997년부터 2003년까지 그는 트랜지스터가 발명된 Bell Labs의 연구 개발 부서에서 일하면서 이러한 장치가 궁극적으로 얼마나 작아질 수 있는지 조사했습니다.

트랜지스터가 20세기 중반에 처음 등장했을 때 트랜지스터는 교외가 땅을 가로질러 확장되는 것과 유사하게 바깥쪽으로 퍼지는 평평한 레이아웃으로 칩을 가로질러 배열되었습니다. 시간이 지나면서 엔지니어들은 표면적이 부족해져서 트랜지스터를 수직으로 쌓아 고층 아파트 건물과 유사한 복잡한 3차원 구조를 만들기 시작했습니다.

“문제는 이러한 3D 구조가 바이러스 크기보다 작다는 것입니다. 그리고 요즘에는 훨씬 더 작습니다. 이는 세포 내 분자 종류의 규모와 비슷합니다”라고 Muller는 말했습니다.

오늘날 단일 고급 칩에는 수십억 개의 트랜지스터가 포함될 수 있습니다. 크기가 계속 줄어들면서 성능 문제를 진단하는 것이 훨씬 더 어려워졌습니다.

Karapetyan은 “요즘 트랜지스터 채널의 너비는 원자 15~18개 정도에 불과하며, 이는 매우 작고 매우 복잡합니다.”라고 말했습니다. “이 시점에서는 모든 원자가 어디에 있는지가 중요하며 특성화하기가 정말 어렵습니다.”

전자현미경의 발전

Bell Labs에서의 경력 초기에 Muller는 현재 ASM의 기술 담당 부사장인 동료 과학자 Glen Wilk ’90과 함께 일했습니다. 두 사람은 당시 주요 게이트 재료였던 이산화규소를 대체하는 방법을 연구했는데, 이는 장치가 매우 작아질 때 너무 많은 전류가 누출되었습니다. 그들의 연구는 나중에 중반부터 컴퓨터 프로세서와 모바일 장치에 사용되는 표준 재료가 된 산화 하프늄의 사용을 발전시키는 데 도움이 되었습니다.

“전자현미경을 사용하여 이러한 물질을 특성화하는 방법에 대해 우리가 발표한 논문을 보면 많은 반도체 전문가들이 이를 매우 주의 깊게 읽었습니다.”라고 코넬 나노규모 과학의 Kavli 연구소와 코넬 재료 연구 센터(CCMR)를 공동 지휘하는 Muller는 말했습니다. “우리가 이 프로젝트에 다시 참여했을 때 그것은 매우 분명했습니다. 그리고 현미경은 아주 먼 길을 걸어왔습니다. 그 당시에는 마치 복엽기가 날아다니는 것과 같았습니다. 이제는 제트기가 있습니다.”

Muller가 언급하는 “제트”는 전자 인쇄술입니다. 이 컴퓨터 이미징 기술은 Muller 연구 그룹이 공동 개발한 기술인 전자현미경 픽셀 어레이 검출기(EMPAD)를 사용합니다. 검출기는 전자가 트랜지스터 구조를 통과할 때 생성되는 상세한 패턴을 기록합니다.

연구원들은 이러한 산란 패턴이 한 스캔 지점에서 다른 스캔 지점으로 어떻게 이동하는지 비교함으로써 매우 상세한 이미지를 재구성할 수 있습니다. 이 시스템은 매우 정밀하여 지금까지 촬영된 것 중 가장 높은 해상도의 이미지를 생성했으며, 이를 통해 과학자들은 개별 원자를 매우 명확하게 볼 수 있으며, 이는 기네스 세계 기록에서 인정받은 기능입니다.

“마우스 바이트” 결함 발견

이전 협력 이후 25년이 넘게 Muller와 Wilk는 TSMC와 Corporate Analytical Laboratories 그룹의 지원을 받아 다시 협력했습니다. 그들의 목표는 EMPAD 기술을 최신 반도체 장치에 적용하는 것이었습니다.

Karapetyan은 “이 이미징 기술은 실험 데이터를 수집하고 계산 재구성을 수행하는 측면에서 거대한 퍼즐을 푸는 것과 같다고 생각할 수 있습니다.”라고 말했습니다.

연구진은 이미징 데이터를 수집하고 재구성한 후 트랜지스터 채널 내의 원자 위치를 추적했습니다. 이 분석을 통해 이러한 채널의 인터페이스에서 미묘한 거칠기가 드러났습니다. Karapetyan은 이러한 불규칙한 패턴을 “마우스 물기”라고 설명했습니다.

구조를 제조하는 데 사용되는 최적화된 성장 프로세스 중에 형성된 결함입니다. 나노전자공학 연구 센터 Imec에서 제작된 샘플 장치는 이미징 기술을 테스트하기 위한 이상적인 플랫폼을 제공했습니다.

Karapetyan은 “현대 장치를 제작하려면 수천 단계는 아니더라도 수백 단계의 화학적 에칭, 증착 및 가열 단계가 필요하며 모든 단계가 구조에 영향을 미칩니다.”라고 말했습니다. “예전에는 실제로 무슨 일이 일어나고 있는지 알아내기 위해 투사 이미지를 보곤 했습니다. 이제는 매 단계마다 실제로 볼 수 있는 직접적인 프로브가 있고, ‘아, 온도를 이렇게 높게 설정했더니 이게 어떻게 생겼는지’를 더 잘 이해할 수 있게 되었습니다.”

미래 칩과 양자 컴퓨팅에 대한 시사점

원자 수준 결함을 직접 관찰할 수 있는 능력은 스마트폰, 노트북, 대규모 데이터 센터 등 고급 컴퓨터 칩을 사용하는 거의 모든 장치에 영향을 미칠 수 있습니다. 이는 또한 연구자들이 재료 구조에 대한 극도로 정밀한 제어가 필요한 양자 컴퓨터와 같은 새로운 기술을 개발하는 데 도움이 될 수 있습니다.

Karapetyan은 “이 도구를 사용하면 이제 우리가 할 수 있는 과학과 엔지니어링 제어가 훨씬 더 많아진다고 생각합니다.”라고 말했습니다.

이 연구의 공동 저자로는 PARADIM(Platform for the Accelerated Realization, Analysis and Discovery of Interface Materials)의 직원 과학자인 Steven Zeltmann과 TSMC의 Ta-Kun Chen 및 Vincent Hou가 있습니다.

이 연구는 TSMC의 자금 지원을 받았습니다. 현미경 시설에 대한 지원은 국립과학재단(National Science Foundation)의 자금 지원을 받는 CCMR 및 PARADIM에서 제공되었습니다.