מדידה תלת־ממדית בקנה מידה אטומי של הרפיית מתחים וחספוס במעבדים Gate-All-Around באמצעות פטיוכוגרפיית אלקטרונים

מדוע טרנזיסטורים זעירים זקוקים לסוג חדש של מיקרוסקופ

כל דור חדש של שבבים דוחס יותר עוצמה בתוך שטח קטן יותר, ומכווץ רכיבים מרכזיים לממדים של כמה מיליארדיות של המטר. בקנה מידה כזה, אפילו אטום אחד שמונח במקום הלא נכון או משטח מעט מחוספס יכולים להאט או להכשיל טרנזיסטור. עם זאת, רוב הכלים שבהם מהנדסים משתמשים כדי לבחון שבבים אינם מסוגלים לראות אטומים בודדים או לחשוף מה נמצא מתחת לפני השטח. המחקר הזה מציג גישת דימות חזקה שמאפשרת למפתחים למפות מבנים קבורים בתוך טרנזיסטורים מהדור הבא בתלת־ממד, אטום אחר אטום.

ממתגים שטוחים לחיבורים העוטפים מכל הצדדים

כדי לשפר במהירות וביעילות אנרגטית, יצרני השבבים עברו מטרנזיסטורים שטוחים "פלנריים" לעיצובים תלת־ממדיים מסוג gate-all-around (GAA). במכשירי GAA, ערוץ ההולכה מעוצב כגיליון סיליקון דק במיוחד, והשער השולט עוטף אותו מכל הכיוונים דרך שכבות של תחמוצות מבודדות וחומרים בעלי קבוע דיאלקטרי גבוה. גיאומטריה זו מספקת שליטה מצוינת על זרימת האלקטרונים, דבר קריטי בקמצוץ הקיצוני. אך היא גם יוצרת ממשקים קבורים ומערמות מורכבות של חומרים גבישיים וזכוכיתיים בעובי של כמה אטומים בלבד. גבולות חבויים אלה עשויים להכיל חספוס, חללים ופגמים אחרים שמשפיעים חזק על ביצועי הטרנזיסטור, ואולם קשה מאוד למדוד אותם ישירות בתלת־ממד עם שיטות קיימות.

מגבלות הכלים הדימותיים של היום

מיקרוסקופים אלקטרוניים מסורתיים יכולים ליצור תמונות חדות ומרשימות בשתי־ממד, אך הם מתקשים להבחין מה נמצא מקדימה ומה נמצא מאחורה בדגימות עבות. כאשר אלקטרונים עוברים דרך שכבות אטומיות רבות, מסלולי הם מתעקמים ומתפזרים באופן מסובך, דבר שיוצר ניגוד מטעה וטשטוש בעומק. כלים אחרים, כמו טומוגרפיית קרני־X או אטום־פרוב טומוגרפיה, מציעים תצפיות תלת־ממדיות אך חסרים רזולוציה אטומית או מתקשים עם יסודות קלים וגיאומטריות מכשירים מציאותיות. כאשר אורכי השער מתקצרים מתחת ל־10 ננומטר, המגבלות הללו הופכות קריטיות: חלל זעיר אחד בממשק בין סיליקון לתחמוצתו, או כתם מקומי של מתח שבו אטומים נמשכים ממקומם, יכולים להפחית מאוד את ניידות האלקטרונים ולהזיז את מתח ההפעלה של הטרנזיסטור.

דרך חדשה לראות מבפנים: פטיוכוגרפיית אלקטרונים

המחברים מציגים שיטת דימות חישובית הנקראת פטיוכוגרפיה אלקטרונית רב־פרוסות (multislice electron ptychography) שמתגברת על רוב המכשולים האלה. במקום ליצור תמונה ישירה, המיקרוסקופ סורק חבטה מעט מחוספסת ומחפפת על פני חתך דק של המכשיר בעודו רושם דפוס הקרנה מלא בכל מיקום. הנתונים התלת־ממדיים האלה מקודדים כיצד חזית גל האלקטרון משתנה בזמן המעבר בדגימה. באמצעות אלגוריתמים מתקדמים ומודל ריאלי של התפשטות האלקטרונים פרוסה אחר פרוסה, השיטה משחזרת את הפוטנציאל האלקטרוסטטי התלת־ממדי של המכשיר ברזולוציית רוחב כמעט־אטומית וברזולוציית עומק בסדר הננומטר. באופן מכריע, היא מתעדת נאמנה גם אטומים קלים כמו סיליקון וחמצן וגם אטומים כבדים יותר כמו האבניום (הפניום), תוך תיקון פיזור מרובה המכשיל גישות מסורתיות.

צפייה בממשקים, חספוס ומתחים בתלת־ממד

כאשר הוחלה על מבני מבחן GAA פרוטוטיפיים, הטכניקה חושפת תכונות קבורות ששיטות קודמות טישטשו או פספסו לחלוטין. השחזורים מראים פגמי ערימה בערוץ הסיליקון הגבישי, נקבות שבהן תחמוצת ההפניום חודרת לערוץ, וקצוות מדורגים בממשק סיליקון–תחמוצת. במעקב אחרי אלפי אטומים בודדים בעומק, המחברים כמותיים כיצד הסריג הסיליקוני מרפה בהדרגה מאירגון מעוות וממוצמד סמוך לממשק לעבר מבנה סדור יותר הדומה למצב הגוש במרכז ערוץ בעובי כ־5 ננומטר בלבד. הם מגלים שכ־40 אחוז מהסיליקון בערוצים הצרים הללו נשאר במצב מתוח — חלק משמעותי לניידות האלקטרונים. הם גם מודדים ישירות עד כמה הממשקים הקבורים מחוספסים וכיצד חספוס זה מתואם לאורך הערוץ, וחושפים הבדלים ברורים בין המשטחים העליונים והתחתונים המשתקפים בהיסטוריית הגידול של כל ממשק.

מה המשמעות עבור שבבים מהירים ואמינים יותר

מכיוון שהשיטה מספקת מדידות תלת־ממדיות אמיתיות בקנה מידה אטומי של חספוס ומתחים, היא מספקת את הנתוני השדה האמיתי שמעצבי המכשירים צריכים לסימולציות מדויקות. באמצעות מודלים פשוטים, המחברים מעריכים שהממשקים המחוספסים ועשירים בפגמים במכשירי המבחן GAA המוקדמים האלה עלולים להפחית את ניידות האלקטרונים בגורמים ממספרים בודדים ועד לעשרות בהשוואה לממשק ייצוגי חלק יותר. במידה חשובה לא פחות, זרימת העבודה — מהכנת הדגימה ועד קבלת השחזור התלת־ממדי — יכולה להיכנס לכמה ימים ולנצל מיקרוסקופים אלקטרוניים סטנדרטיים המצוידים בגלאים פיקסליים מודרניים. זה הופך אותה לפרקטית ככלי משוב במהלך פיתוח תהליכים. במילים פשוטות, עבודה זו מראה שהמהנדסים יכולים כעת "לראות" היכן הטרנזיסטורים הזעירים שלהם טועים, עמוק בתוך המכשיר, מוקדם בזרימת הייצור. יכולת ראות זו אמורה לסייע בהאצת כוונון מתכוני הייצור, לשפר תוצריות בשבבי לוגיקה מתקדמים ואף להנחות את עיצובן של מכשירי קוונטים הרגישים מאוד לאי־סדר בקנה מידה אטומי בממשקים קבורים.

ציטוט: Karapetyan, S., Zeltmann, S.E., Wilk, G. et al. 3D atomic-scale metrology of strain relaxation and roughness in Gate-All-Around transistors via electron ptychography. Nat Commun 17, 3561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69733-1

מילות מפתח: טרנזיסטורים gate-all-around, פטיוכוגרפיית אלקטרונים, דימות בקנה מידה אטומי, חספוס ממשקי, מטלורגיה של מוליכים למחצה