近日,美國康奈爾大學聯合臺積電(TSMC)與先進半導體材料公司(ASM)的研究團隊近日取得重大突破,首次在原子尺度上"拍攝"到計算機芯片內部的"鼠咬"(mouse bites)缺陷。
這項成果于2月23日發表在《自然·通訊》期刊,由康奈爾大學博士生沙基·卡拉佩特揚(Shake Karapetyan)擔任第一作者。
項目負責人戴維·穆勒(David Muller)教授指出,"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。"這一突破標志著人類對芯片微觀世界的觀測邁入全新階段,為半導體行業提供了前所未有的原子級缺陷分析能力。
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圖為晶體管溝道內部的硅、二氧化硅與氧化鉿層結構
01、什么是"鼠咬"缺陷
"鼠咬"缺陷并非物理意義上的破損,而是晶體管界面原子級的微小缺口,形似被老鼠啃咬過的邊緣,布滿細小凸起與凹陷。
穆勒教授用形象的比喻,"晶體管就像電子的'微型管道',內壁越粗糙,電子流動就越慢。"隨著芯片工藝向3nm及以下制程邁進,晶體管溝道寬度已縮至15-18個原子,相當于人類頭發絲直徑的萬分之一。
在這個尺度下,任何微小的結構偏差都可能導致性能明顯損耗甚至晶體管失效。此前,半導體行業對這類缺陷只能通過投影圖像間接推測,無法精準定位,工程師只能依靠"反復試錯"來優化工藝。
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02、電子疊層成像技術
這項技術突破的核心是電子疊層成像技術(electron ptychography),由穆勒團隊聯合開發的電子顯微鏡像素陣列探測器(EMPAD)實現。
EMPAD已獲吉尼斯世界紀錄認證,能呈現全球最高分辨率的原子細節,穆勒教授將這項技術比作"從前像開雙翼飛機,現在就像開噴氣式戰機"。
該技術通過電子束掃描晶體管,收集散射信號,再借助算法重構出3D原子級圖像,精度達到原子晶格振動的極限。卡拉佩特揚解釋道:"現代設備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。以前我們只能通過投影圖像推測內部發生了什么,現在可以直接觀測,更清晰地掌握:我把溫度設到這么高,結果就會是這樣。"
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03、半導體行業的影響
臺積電已表示將逐步將該技術融入3nm及以下制程的量產中,有望大幅提升芯片良率和性能,對于AI數據中心和量子計算等對芯片性能要求極高的領域,這項技術將提供關鍵支持。
此外,量子計算對材料結構有著極高的控制要求,而此前行業對原子級缺陷的認知近乎空白,穆勒團隊的發現將為這些前沿技術提供精準的材料結構分析工具,加速量子處理器的開發進程。
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隨著半導體技術逼近物理極限,原子級表征已成為行業生死線,這項研究不僅是對"鼠咬"缺陷的首次直接觀測,更重塑了芯片設計范式。
卡拉佩特揚展望道:"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。"康奈爾大學與臺積電、ASM的產學研合作模式,為全球半導體行業提供了重要參考。
在2026年3月的行業峰會上,臺積電技術副總裁格倫·威爾克(Glen Wilk)重提與穆勒25年前在貝爾實驗室的開創性合作,感慨道:"從氧化鉿替代二氧化硅的提案,到如今的原子級成像,我們正站在芯片革命的起點。"
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