世界紀(jì)錄誕生！人類首次拍到芯片內(nèi)部原子級(jí) “鼠咬” 缺陷!

康奈爾大學(xué)的研究人員利用高分辨率三維成像技術(shù)，首次在原子尺度上探測(cè)到了計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部會(huì)損害性能的缺陷。

這項(xiàng)成像技術(shù)由康奈爾大學(xué)與臺(tái)積電（TSMC）和先進(jìn)半導(dǎo)體材料公司（ASM）合作研發(fā)，幾乎可以應(yīng)用于所有現(xiàn)代電子設(shè)備，從手機(jī)、汽車，到人工智能數(shù)據(jù)中心和量子計(jì)算。

這張圖像展示了晶體管溝道內(nèi)部的硅、二氧化硅與氧化鉿層結(jié)構(gòu)。

該研究成果于 2 月 23 日發(fā)表在《自然?通訊》（Nature Communications）上，第一作者為博士生沙基?卡拉佩特?fù)P（Shake Karapetyan）。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、康奈爾大學(xué)達(dá)菲爾德工程學(xué)院塞繆爾?B?埃克特工程學(xué)講席教授戴維?穆勒（David Muller）表示：“目前幾乎沒有其他方法能觀察到這類缺陷的原子結(jié)構(gòu)，因此這項(xiàng)技術(shù)將成為芯片調(diào)試與故障定位中極為重要的表征工具，尤其在研發(fā)階段。”

微小缺陷一直是半導(dǎo)體行業(yè)的長(zhǎng)期難題，尤其是在技術(shù)復(fù)雜度不斷提升、元器件尺寸縮小到原子級(jí)別的今天。

這項(xiàng)研究的核心對(duì)象，也是計(jì)算機(jī)芯片的核心 ——晶體管：它是一個(gè)微小的開關(guān)，電流通過由電控柵極開啟和關(guān)閉的溝道流動(dòng)。

“晶體管就像一根輸送電子而非水的小管子，” 穆勒說，“你可以想象，如果管壁非常粗糙，電流就會(huì)變慢。如今，測(cè)量管壁的粗糙程度、區(qū)分哪些結(jié)構(gòu)良好、哪些存在缺陷，變得尤為重要。”

“從前像開雙翼飛機(jī)，現(xiàn)在就像開噴氣式戰(zhàn)機(jī)”

穆勒對(duì)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)有著獨(dú)特的深刻理解。1997 年至 2003 年，他在晶體管的誕生地 —— 貝爾實(shí)驗(yàn)室的研發(fā)部門工作，探索決定晶體管最小物理極限的底層規(guī)律。

據(jù)穆勒介紹，晶體管自 20 世紀(jì)中期問世以來，最初像郊區(qū)建筑一樣平面化、向外擴(kuò)展。隨著芯片在水平方向上空間耗盡，設(shè)計(jì)人員開始將晶體管垂直堆疊，如同建造公寓樓。

“問題在于，這些三維結(jié)構(gòu)比病毒還要小，如今甚至更小，已經(jīng)接近細(xì)胞內(nèi)分子的尺度。” 穆勒說。

如今，一塊高性能芯片可以集成數(shù)十億個(gè)晶體管。但隨著尺寸不斷縮小，技術(shù)故障排查也變得越發(fā)困難。

“如今，晶體管溝道的寬度可能只有15～18 個(gè)原子，極其微小，結(jié)構(gòu)也異常復(fù)雜，” 卡拉佩特?fù)P說，“在這個(gè)尺度下，每一個(gè)原子的位置都至關(guān)重要，但傳統(tǒng)手段很難表征。”

在貝爾實(shí)驗(yàn)室期間，穆勒與現(xiàn)任 ASM 技術(shù)副總裁格倫?威爾克（Glen Wilk）曾嘗試用氧化鉿替代當(dāng)時(shí)主流的柵極材料二氧化硅 —— 后者在微小尺寸下漏電流過大。幾年后，兩人離開貝爾實(shí)驗(yàn)室，但他們的工作持續(xù)影響著半導(dǎo)體行業(yè)，氧化鉿也在 2000 年代中期成為計(jì)算機(jī)與手機(jī)芯片的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)材料。

“我們當(dāng)年發(fā)表的關(guān)于如何用電子顯微鏡表征這些材料的論文，我可以肯定，很多半導(dǎo)體行業(yè)人士都仔細(xì)研讀過。” 穆勒說。他目前共同主持康奈爾大學(xué)卡弗里納米科學(xué)研究所與康奈爾材料研究中心（CCMR）。“當(dāng)我們重新啟動(dòng)這個(gè)項(xiàng)目時(shí)，這一點(diǎn)體現(xiàn)得非常明顯。而且顯微成像技術(shù)已經(jīng)取得了巨大進(jìn)步 ——從前像開雙翼飛機(jī)，現(xiàn)在就像開噴氣式戰(zhàn)機(jī)。”

這里的 “噴氣式戰(zhàn)機(jī)”，指的是電子疊層成像技術(shù)（electron ptychography）。這是一種計(jì)算成像方法，使用穆勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)聯(lián)合開發(fā)的電子顯微鏡像素陣列探測(cè)器（EMPAD），收集電子穿過晶體管后的精細(xì)散射圖樣。通過對(duì)比不同掃描位置的圖樣變化，科研人員可以重建出清晰度極高的圖像。該探測(cè)器精度極高，已獲得吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)證，能夠呈現(xiàn)全球最高分辨率、前所未有的原子細(xì)節(jié)。

“鼠咬” 缺陷

時(shí)隔 25 年，在臺(tái)積電及其公司分析實(shí)驗(yàn)室團(tuán)隊(duì)的支持下，穆勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)與威爾克再次合作，利用 EMPAD 窺探現(xiàn)代半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。

“你可以把這種成像技術(shù)想象成解開一個(gè)巨型拼圖，既包括實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，也包括計(jì)算重建。” 卡拉佩特?fù)P說。

在完成所有數(shù)據(jù)采集、重建并追蹤原子位置后，研究人員成功探測(cè)到晶體管溝道的界面粗糙度，并揭示了卡拉佩特?fù)P所稱的 **“鼠咬”（mouse bites）** 缺陷。這類粗糙度源于芯片在優(yōu)化生長(zhǎng)過程中形成的結(jié)構(gòu)缺陷。由微電子研究中心 Imec 制備的樣品結(jié)構(gòu)，成為測(cè)試該成像技術(shù)的理想載體。

“現(xiàn)代器件的制造需要成百上千步化學(xué)刻蝕、沉積與加熱工藝，每一步都會(huì)對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，” 卡拉佩特?fù)P說，“以前我們只能通過投影圖像推測(cè)內(nèi)部發(fā)生了什么，而現(xiàn)在，我們可以在每一步工藝后直接觀測(cè)，更清晰地掌握：我把溫度設(shè)到這么高，結(jié)果就會(huì)是這樣。”

這項(xiàng)全新的成像能力幾乎可以影響所有搭載現(xiàn)代芯片的設(shè)備，從手機(jī)、筆記本電腦到數(shù)據(jù)中心，也將為下一代技術(shù)（如量子計(jì)算機(jī)）的調(diào)試提供巨大幫助 —— 量子計(jì)算對(duì)材料結(jié)構(gòu)有著極高的控制要求，而這一點(diǎn)目前尚未被完全理解。

“有了這項(xiàng)工具，我們現(xiàn)在能開展更多科學(xué)研究，也能實(shí)現(xiàn)更精細(xì)的工程控制。” 卡拉佩特?fù)P說。

該研究的共同作者包括：材料界面加速實(shí)現(xiàn)、分析與發(fā)現(xiàn)平臺(tái)（PARADIM）的科學(xué)家史蒂文?澤爾特曼（Steven Zeltmann），以及臺(tái)積電的陳德焜、侯文彬。

本研究由臺(tái)積電資助。顯微鏡平臺(tái)的支持來自康奈爾材料研究中心（CCMR）與 PARADIM，二者均獲得美國(guó)國(guó)家科學(xué)基金會(huì)資助。

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