“Mordidas de rato” em chips: descoberta falha atômica que torna os processadores mais lentos.

Pesquisadores da Universidade Cornell desenvolveram uma técnica de imagem de alta resolução que consegue identificar, pela primeira vez, defeitos em escala atômica dentro dos transistores de chips de computador modernos.

Utilizando microscopia eletrônica ptychográfica e um detector de última geração, a equipe mapeou a localização exata dos átomos nos canais dos transistores, descobrindo irregularidades estruturais apelidadas de "mordidas de rato" que podem comprometer o desempenho de dispositivos eletrônicos avançados.

Quando os defeitos se escondem entre os átomos

Construir um chip moderno significa orquestrar centenas, às vezes milhares, de etapas químicas: deposições, gravuras, tratamentos térmicos. Cada uma dessas intervenções deixa uma marca na estrutura final. Durante décadas, no entanto, os engenheiros só podiam observar esses efeitos por meio de imagens projetadas em duas dimensões, uma interpretação parcial que não permitia reconstruir a verdadeira distribuição tridimensional dos átomos.

O problema tornou-se cada vez mais urgente à medida que os transistores diminuíram de tamanho. Hoje, um canal de transistor pode ter apenas 15 a 18 átomos de largura , um tamanho tão pequeno que cada posição atômica é crucial para o funcionamento do dispositivo. Nessas escalas, até mesmo a menor irregularidade nas paredes internas pode retardar o fluxo de elétrons, degradando sutil, mas sistematicamente, o desempenho do chip.

É nesse contexto que a equipe de pesquisa liderada por David Muller , professor Samuel B. Eckert de Engenharia na Faculdade de Engenharia Duffield da Universidade Cornell, desenvolveu uma técnica capaz de visualizar diretamente essas imperfeições. O estudo, publicado em 23 de fevereiro na revista Nature Communications , foi conduzido em colaboração com a Taiwan Semiconductor Manufacturing Company (TSMC) e a Advanced Semiconductor Materials (ASM) . O estudante de doutorado Shake Karapetyan é o primeiro autor.

A estrutura interna de um transistor: o canal como uma válvula eletrônica

Para entender por que esses defeitos atômicos têm um impacto tangível no desempenho, é útil começar com a arquitetura básica de um transistor. Esse componente funciona como uma chave: ele abre e fecha a passagem de elétrons por um canal, regulando o fluxo de corrente que, em última análise, constitui a lógica computacional do chip.

"O transistor é como um pequeno tubo para elétrons em vez de água", explicou Muller. "Se as paredes do tubo forem muito ásperas, as coisas vão ficar mais lentas. Medir o quão ásperas são essas paredes, e quais são boas e quais são ruins, é agora ainda mais importante."

Essa analogia hidráulica é esclarecedora: a rugosidade interfacial não é um problema estético , mas uma variável física que altera a mobilidade dos elétrons por meio de mecanismos de dispersão. Quanto mais irregular a superfície, maiores as colisões sofridas pelos portadores de carga e maior a resistência efetiva do canal. Em chips convencionais, onde as dimensões eram mais generosas, essas irregularidades tinham efeitos negligenciáveis. Nos nós tecnológicos atuais, com canais de apenas alguns nanômetros de largura, o impacto se torna significativo.

Da arquitetura plana à estrutura tridimensional: a evolução dos chips

A história da miniaturização de transistores é também a história de uma revolução geométrica. Nas décadas centrais do século XX, os transistores eram dispostos em superfícies planas, estendendo-se horizontalmente pelo chip como casas suburbanas. Quando o espaço planar se esgotou, a única direção viável tornou-se a vertical.

Muller descreve essa transição com uma imagem poderosa: dos subúrbios aos arranha-céus. As estruturas 3D de hoje são menores que vírus ; na verdade, elas atingiram a escala molecular. Cada chip avançado pode conter bilhões de transistores, cada um com geometrias intrinsecamente tridimensionais que tornam a caracterização estrutural muito mais complexa do que no passado.

"Neste ponto, a localização de cada átomo é crucial, e caracterizá-los é realmente difícil", enfatizou Karapetyan. O desafio não é apenas tecnológico, mas conceitual: as ferramentas de análise tradicionais, otimizadas para estruturas planas e dimensões maiores, não foram projetadas para lidar com essa complexidade.

Pticografia eletrônica: do biplano ao jato

O núcleo da técnica desenvolvida pela equipe é a pticografia eletrônica , um método de imagem computacional que explora a correlação entre os padrões de dispersão gerados pelos elétrons ao atravessarem um material. O sistema é baseado no EMPAD (Electron Microscope Pixel Array Detector), um detector desenvolvido pelo grupo de Muller que registra com precisão esses padrões de dispersão ponto a ponto.

Ao comparar como os padrões mudam de uma posição de varredura para outra, o software de reconstrução consegue extrair informações tridimensionais sobre a estrutura atômica da amostra com uma resolução extraordinária. Este sistema produziu as imagens de alta resolução mais detalhadas já obtidas , um recorde certificado pelo Guinness World Records, permitindo a visualização de átomos individuais com uma clareza sem precedentes.

Muller recorda vividamente a evolução das ferramentas disponíveis para os cientistas: "Os artigos que publicamos sobre como usar microscópios eletrônicos para caracterizar esses materiais foram lidos com muita atenção por muitas pessoas na indústria de semicondutores. Quando voltamos a trabalhar neste projeto, ficou claro. E a microscopia percorreu um longo caminho. Naquela época, era como pilotar biplanos. Agora temos jatos."

O salto qualitativo diz respeito não apenas à resolução espacial, mas também à capacidade de obter informações volumétricas, e não mais projeções planas. Essa é a mudança fundamental que possibilitou a descoberta de defeitos atômicos tridimensionais em transistores reais.

A descoberta de “mordidas de rato”: defeitos decorrentes do processo de produção.

Ao aplicar a pticografia eletrônica a dispositivos reais fornecidos pela TSMC e a amostras preparadas no centro de pesquisa em nanoeletrônica do Imec, os pesquisadores conseguiram mapear, pela primeira vez, a distribuição atômica tridimensional dentro dos canais dos transistores. A análise revelou uma rugosidade interfacial sutil, porém sistemática, nas junções entre as diferentes camadas do dispositivo.

Karapetyan descreveu essas irregularidades com o termo " mordidas de rato", pequenas depressões no perfil regular das interfaces atômicas. O nome evoca visualmente a natureza desses defeitos: não grandes lacunas ou fraturas, mas pequenas interrupções na continuidade da estrutura, tão irregulares quanto potencialmente prejudiciais ao transporte eletrônico.

Esses defeitos se formam durante o processo de fabricação otimizado usado para construir as estruturas. "A fabricação de dispositivos modernos requer centenas, senão milhares, de etapas de corrosão química, deposição e aquecimento, e cada etapa afeta a estrutura", explicou Karapetyan. "Antes, você observava imagens projetadas para tentar entender o que realmente estava acontecendo. Agora você tem uma sonda direta para ver o resultado após cada etapa e entender melhor: 'Eu ajustei a temperatura para este nível e, então, é assim que fica'."

As camadas analisadas no estudo incluem silício, dióxido de silício e óxido de háfnio, os materiais que compõem a arquitetura interna de porta e canal dos transistores de última geração.

A história do óxido de háfnio: quando a pesquisa básica se torna padrão na indústria.

A colaboração entre Muller e Glen Wilk — atualmente vice-presidente de tecnologia da ASM — tem raízes profundas. Os dois trabalharam juntos entre 1997 e 2003 nos laboratórios de pesquisa e desenvolvimento da Bell Labs , onde os transistores foram inventados, estudando os limites físicos da miniaturização.

Na época, o dióxido de silício era o material dominante para os transistores. Mas, à medida que os dispositivos diminuíam de tamanho, o dióxido de silício começou a apresentar fuga de corrente por meio de tunelamento quântico, um fenômeno intrinsecamente quântico que tornou o material inadequado para as gerações subsequentes de chips. Muller e Wilk contribuíram para o desenvolvimento e a caracterização do óxido de háfnio (HfO₂) como um material substituto com alta permissividade dielétrica (material de alta constante dielétrica – high-k), capaz de reduzir as correntes de fuga, mantendo as capacitâncias de porta necessárias.

Desde meados dos anos 2000, o óxido de háfnio tornou-se o padrão da indústria em processadores de computador e dispositivos móveis , uma transição tecnológica que permitiu que a Lei de Moore continuasse por quase duas décadas adicionais. Hoje, os mesmos materiais caracterizados com as técnicas daquela época são o foco de novas investigações usando a pticografia eletrônica.

Implicações práticas: de smartphones e centros de dados a computadores quânticos

A capacidade de observar defeitos diretamente em escala atômica abre cenários de aplicação que se estendem a praticamente todos os setores da eletrônica avançada. Em curto prazo, a técnica representa uma ferramenta de depuração e detecção de falhas para a indústria de semicondutores, particularmente valiosa na fase de desenvolvimento de novos nós tecnológicos.

"Não existe outra maneira de visualizar a estrutura atômica desses defeitos, então essa será uma ferramenta de caracterização muito importante para depurar e solucionar problemas em chips de computador, especialmente na fase de desenvolvimento", disse Muller.

Todos os dispositivos que dependem de chips avançados — smartphones, laptops, servidores de data centers com IA — se beneficiariam diretamente de um controle mais preciso sobre a qualidade estrutural dos transistores. Mas as implicações mais interessantes podem estar relacionadas a tecnologias emergentes como a computação quântica , onde o controle sobre a estrutura atômica dos materiais é um pré-requisito para o funcionamento adequado de qubits e portas quânticas. A decoerência, principal inimiga da computação quântica, é frequentemente causada justamente por imperfeições estruturais em nível atômico nos materiais que hospedam os qubits.

“Acho que agora podemos fazer muito mais ciência e ter muito mais controle de engenharia, com essa ferramenta”, acrescentou Karapetyan.

O método como ferramenta universal para a nanociência

Além das aplicações imediatas na indústria de semicondutores, a pticografia eletrônica com EMPAD representa um avanço metodológico com implicações mais amplas para a ciência dos materiais e a nanociência em geral. A capacidade de reconstruir tridimensionalmente a distribuição atômica em estruturas reais produzidas por meio de processos industriais complexos é uma habilidade que transcende um único estudo de caso.

Muller codirige o Instituto Kavli de Ciência em Nanoescala da Universidade Cornell e o Centro de Pesquisa de Materiais da Universidade Cornell (CCMR) , ambos centros líderes em pesquisa de materiais em nanoescala. O suporte para as instalações de microscopia foi fornecido pelo CCMR e pelo PARADIM (Plataforma para a Realização, Análise e Descoberta Aceleradas de Materiais de Interface), financiado pela Fundação Nacional de Ciência (NSF). A pesquisa foi financiada diretamente pela TSMC.

Os coautores do estudo são Steven Zeltmann, cientista da PARADIM, juntamente com Ta-Kun Chen e Vincent Hou, da TSMC. A combinação de um grupo universitário de ponta, um fabricante de chips líder mundial e um fornecedor de materiais especializados indica a direção que a caracterização de semicondutores está tomando: uma colaboração cada vez mais estreita entre a pesquisa acadêmica e a indústria , onde as técnicas desenvolvidas em laboratório encontram aplicação direta nos processos de fabricação dos chips que impulsionam a economia digital global.

O artigo "Mouse Bites" em Chips: Defeitos Atômicos Descobertos em Processadores Lentos foi escrito em: Tech | CUENEWS .