Técnica localiza simultáneamente múltiples defectos en circuitos de microchip

Los chips de computadora defectuosos son la ruina de la industria de los semiconductores. Incluso una falla aparentemente menor en un chip repleto de miles de millones de conexiones eléctricas puede causar que falle una operación crítica en una computadora u otro dispositivo electrónico sensible.

Al modificar una técnica existente para identificar defectos, los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han desarrollado un método que puede localizar simultáneamente fallas eléctricas individuales en múltiples microcircuitos en el mismo chip. Debido a que la técnica se basa en una herramienta de imagen relativamente económica y común, un microscopio de fuerza atómica (AFM), puede proporcionar una nueva forma de probar el cableado interconectado de los chips de computadora en la fábrica.

Un AFM presenta una punta ultra afilada unida a un pequeño voladizo que vibra como un trampolín. En el modo de operación estándar, los científicos aplican un voltaje de CA (corriente alterna) a la punta mientras escanea los cables individuales enterrados en paralelo varios micrómetros (millonésimas de metro) debajo de la superficie de un chip de silicio. La diferencia de voltaje entre la punta y cada cable genera una fuerza eléctrica que se revela como cambios en la frecuencia o amplitud (altura) de la punta vibratoria. Una rotura o defecto en un cable se manifestará como un cambio abrupto en la vibración de la punta.

Sin embargo, ese método de búsqueda de defectos con un AFM, conocido como microscopía de fuerza electrostática (EFM), tiene un inconveniente. La vibración de la punta se ve afectada no solo por el campo eléctrico estático del cable en estudio, sino también por los voltajes de todos los cables vecinos. Esas señales extrañas interfieren con la capacidad de visualizar claramente los defectos en el cable que se está escaneando.

Los científicos del NIST Joseph Kopanski, Evgheni Strelcov y Lin You resolvieron el problema aplicando voltajes de CA específicos, suministrados por un generador externo, a cables vecinos individuales en lugar de a la punta. Un voltaje de CA alterna entre valores positivos y negativos; rastreado en el tiempo, el voltaje se asemeja a una onda con picos y valles. En un solo ciclo, el voltaje alcanza su voltaje positivo máximo (el pico) y luego cae a su voltaje negativo más bajo (el valle).

Aprovechando esta naturaleza cíclica, los investigadores aplicaron el mismo voltaje de CA a los cables vecinos que al cable que se estaba escaneando, con una diferencia importante: los voltajes a los vecinos estaban exactamente desfasados. Cada vez que el voltaje del cable de interés alcanzaba su valor más alto, los voltajes de los cables vecinos estaban en su nivel más bajo.

Los voltajes fuera de fase ejercieron fuerzas electrostáticas en la punta del AFM que se opusieron a la fuerza ejercida por el cable escaneado. Esas fuerzas dirigidas de manera opuesta se tradujeron en regiones de alto contraste en una imagen AFM, lo que facilita distinguir la señal del cable de interés.

Usando un chip de prueba con cuatro pares de cables enterrados 4 micrómetros debajo de la superficie, los científicos demostraron que su técnica producía imágenes claras y precisas de los defectos. Y al adaptar los voltajes de CA aplicados a cada cable para que tengan diferentes frecuencias, los investigadores demostraron que podían visualizar defectos en varios cables adyacentes al mismo tiempo.

Debido a que la técnica depende de un voltaje de CA aplicado de forma remota, a los cables en lugar del AFM, los investigadores han denominado a la técnica microscopía de fuerza electrostática inducida por polarización remota.

«Aplicar un voltaje a los cables en lugar de la punta del AFM puede parecer una pequeña innovación, pero marca una gran diferencia», dijo Kopanski. «El método no requiere un nuevo instrumento y la industria de los semiconductores podría implementarlo fácilmente», agregó.

Otras técnicas utilizadas para detectar defectos, que incluyen rayos X o campos magnéticos, también son muy precisas pero requieren equipos más costosos, señaló Strelcov.

Los investigadores presentaron su trabajo el 3 de noviembre en la 48º Simposio Internacional de Pruebas y Análisis de Fallas en Pasadena, California.