世界紀錄誕生！人類首次拍到芯片內部原子級 “鼠咬” 缺陷!

康奈爾大學的研究人員利用高分辨率三維成像技術，首次在原子尺度上探測到了計算機芯片內部會損害性能的缺陷。

這項成像技術由康奈爾大學與臺積電（TSMC）和先進半導體材料公司（ASM）合作研發，幾乎可以應用于所有現代電子設備，從手機、汽車，到人工智能數據中心和量子計算。

這張圖像展示了晶體管溝道內部的硅、二氧化硅與氧化鉿層結構。

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

項目負責人、康奈爾大學達菲爾德工程學院塞繆爾?B?埃克特工程學講席教授戴維?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構，因此這項技術將成為芯片調試與故障定位中極為重要的表征工具，尤其在研發階段。”

微小缺陷一直是半導體行業的長期難題，尤其是在技術復雜度不斷提升、元器件尺寸縮小到原子級別的今天。

這項研究的核心對象，也是計算機芯片的核心 ——晶體管：它是一個微小的開關，電流通過由電控柵極開啟和關閉的溝道流動。

“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，電流就會變慢。如今，測量管壁的粗糙程度、區分哪些結構良好、哪些存在缺陷，變得尤為重要。”

“從前像開雙翼飛機，現在就像開噴氣式戰機”

穆勒對半導體設計有著獨特的深刻理解。1997 年至 2003 年，他在晶體管的誕生地 —— 貝爾實驗室的研發部門工作，探索決定晶體管最小物理極限的底層規律。

據穆勒介紹，晶體管自 20 世紀中期問世以來，最初像郊區建筑一樣平面化、向外擴展。隨著芯片在水平方向上空間耗盡，設計人員開始將晶體管垂直堆疊，如同建造公寓樓。

“問題在于，這些三維結構比病毒還要小，如今甚至更小，已經接近細胞內分子的尺度。” 穆勒說。

如今，一塊高性能芯片可以集成數十億個晶體管。但隨著尺寸不斷縮小，技術故障排查也變得越發困難。

“如今，晶體管溝道的寬度可能只有15～18 個原子，極其微小，結構也異常復雜，” 卡拉佩特揚說，“在這個尺度下，每一個原子的位置都至關重要，但傳統手段很難表征。”

在貝爾實驗室期間，穆勒與現任 ASM 技術副總裁格倫?威爾克（Glen Wilk）曾嘗試用氧化鉿替代當時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，兩人離開貝爾實驗室，但他們的工作持續影響著半導體行業，氧化鉿也在 2000 年代中期成為計算機與手機芯片的行業標準材料。

“我們當年發表的關于如何用電子顯微鏡表征這些材料的論文，我可以肯定，很多半導體行業人士都仔細研讀過。” 穆勒說。他目前共同主持康奈爾大學卡弗里納米科學研究所與康奈爾材料研究中心（CCMR）。“當我們重新啟動這個項目時，這一點體現得非常明顯。而且顯微成像技術已經取得了巨大進步 ——從前像開雙翼飛機，現在就像開噴氣式戰機。”

這里的 “噴氣式戰機”，指的是電子疊層成像技術（electron ptychography）。這是一種計算成像方法，使用穆勒團隊聯合開發的電子顯微鏡像素陣列探測器（EMPAD），收集電子穿過晶體管后的精細散射圖樣。通過對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。該探測器精度極高，已獲得吉尼斯世界紀錄認證，能夠呈現全球最高分辨率、前所未有的原子細節。

“鼠咬” 缺陷

時隔 25 年，在臺積電及其公司分析實驗室團隊的支持下，穆勒團隊與威爾克再次合作，利用 EMPAD 窺探現代半導體的內部結構。

“你可以把這種成像技術想象成解開一個巨型拼圖，既包括實驗數據采集，也包括計算重建。” 卡拉佩特揚說。

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

“現代器件的制造需要成百上千步化學刻蝕、沉積與加熱工藝，每一步都會對結構產生影響，” 卡拉佩特揚說，“以前我們只能通過投影圖像推測內部發生了什么，而現在，我們可以在每一步工藝后直接觀測，更清晰地掌握：我把溫度設到這么高，結果就會是這樣。”

這項全新的成像能力幾乎可以影響所有搭載現代芯片的設備，從手機、筆記本電腦到數據中心，也將為下一代技術（如量子計算機）的調試提供巨大幫助 —— 量子計算對材料結構有著極高的控制要求，而這一點目前尚未被完全理解。

“有了這項工具，我們現在能開展更多科學研究，也能實現更精細的工程控制。” 卡拉佩特揚說。

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

本研究由臺積電資助。顯微鏡平臺的支持來自康奈爾材料研究中心（CCMR）與 PARADIM，二者均獲得美國國家科學基金會資助。

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