康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次借助高分辨率 3D 成像技術(shù)觀測到芯片中原子級(jí)缺陷，此類缺陷會(huì)影響芯片性能

該成像技術(shù)由康奈爾大學(xué)與臺(tái)灣積體電路制造股份有限公司（臺(tái)積電）、先進(jìn)半導(dǎo)體材料公司（ASM）聯(lián)合研發(fā)，未來或可應(yīng)用于各類現(xiàn)代電子設(shè)備，涵蓋手機(jī)、汽車，乃至人工智能數(shù)據(jù)中心與量子計(jì)算設(shè)備。

相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然?通訊》期刊，博士研究生沙克?卡拉佩強(qiáng)為論文第一作者。

該研究項(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??？颂毓こ虒W(xué)教授戴維?馬勒表示：“目前尚無其他方法能觀測到這類缺陷的原子結(jié)構(gòu)，因此這項(xiàng)技術(shù)將成為計(jì)算機(jī)芯片調(diào)試與故障檢測的重要表征工具，在芯片研發(fā)階段的作用尤為關(guān)鍵。”

微小缺陷一直是半導(dǎo)體行業(yè)的長期難題，尤其是當(dāng)下，半導(dǎo)體技術(shù)復(fù)雜度不斷提升，而元器件尺寸已縮小至原子級(jí)別，這一問題愈發(fā)突出。

（配圖說明：平面晶體硅 / 非晶硅二氧化硅界面的 3D 電勢重構(gòu)圖。a：多層電子疊層相位成像技術(shù)重構(gòu)的靜電勢，以深度為變量呈現(xiàn)；b：與 a 為同一圖像，疊加了追蹤到的原子位置，并從界面開始按雙層結(jié)構(gòu)分組。圖片來源：《自然?通訊》2026 年，數(shù)字對(duì)象標(biāo)識(shí)符：10.1038/s41467-026-69733-1）

本次研究的核心對(duì)象，也是計(jì)算機(jī)芯片的核心部件 —— 晶體管，這一微型開關(guān)通過柵極控制溝道的通斷，實(shí)現(xiàn)電流的傳導(dǎo)。

馬勒解釋道：“晶體管就像一根輸送電子而非水的細(xì)管?？梢韵胂?，若管道內(nèi)壁十分粗糙，電子的傳輸速度就會(huì)變慢。因此，檢測晶體管溝道‘內(nèi)壁’的粗糙程度，判斷不同溝道的優(yōu)劣，如今變得尤為重要?！?/p>

成像技術(shù)的飛躍：從 “雙翼機(jī)” 到 “噴氣式飛機(jī)”

馬勒對(duì)半導(dǎo)體設(shè)計(jì)有著獨(dú)到的見解。1997 年至 2003 年，他曾任職于晶體管的誕生地 —— 貝爾實(shí)驗(yàn)室研發(fā)部門，研究探索晶體管微型化的物理極限。

馬勒表示，20 世紀(jì)中期晶體管問世后，最初的制造形式如同郊區(qū)的布局，呈平面狀向四周延展。隨著芯片的平面空間逐漸耗盡，設(shè)計(jì)者開始采用三維堆疊的方式打造晶體管，如同建造高層公寓樓。

“問題在于，這些 3D 結(jié)構(gòu)的尺寸比病毒還小，如今更是微乎其微，堪比細(xì)胞內(nèi)分子的尺度?！?馬勒說。

如今，一枚高性能芯片可集成數(shù)十億個(gè)晶體管，但隨著晶體管尺寸不斷縮小，相關(guān)技術(shù)的故障排查難度也大幅增加。

卡拉佩強(qiáng)稱：“如今，晶體管的溝道寬度僅約 15 至 18 個(gè)原子，極其微小且結(jié)構(gòu)復(fù)雜。在這一尺度下，每個(gè)原子的位置都至關(guān)重要，而對(duì)其進(jìn)行表征分析的難度極大?！?/p>

在貝爾實(shí)驗(yàn)室期間，馬勒與現(xiàn)擔(dān)任 ASM 公司技術(shù)副總裁的校友格倫?威爾克（1990 屆）曾嘗試用氧化鉿替代二氧化硅作為柵極材料 —— 二氧化硅在小尺度下存在嚴(yán)重的漏電流問題。數(shù)年后，兩人離開貝爾實(shí)驗(yàn)室，但他們的研究成果仍被半導(dǎo)體企業(yè)廣泛借鑒，21 世紀(jì)初，氧化鉿迅速成為計(jì)算機(jī)和手機(jī)領(lǐng)域的主流柵極材料。

馬勒同時(shí)擔(dān)任康奈爾大學(xué)卡夫利納米科學(xué)研究所與康奈爾材料研究中心聯(lián)合主任，他說：“我可以肯定，我們發(fā)表的關(guān)于利用電子顯微鏡表征這類材料的論文，被眾多半導(dǎo)體行業(yè)從業(yè)者仔細(xì)研讀。當(dāng)我們重啟這一研究項(xiàng)目時(shí)，這一點(diǎn)體現(xiàn)得尤為明顯。而且電子顯微鏡技術(shù)也取得了長足的進(jìn)步，過去的技術(shù)就像雙翼機(jī)，如今已然升級(jí)成了噴氣式飛機(jī)?！?/p>

這里的 “噴氣式飛機(jī)”，指的是電子疊層相位成像技術(shù)。這是一種計(jì)算成像方法，借助馬勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)聯(lián)合研發(fā)的電子顯微鏡像素陣列探測器（EMPAD），收集電子穿過晶體管后形成的詳細(xì)散射圖案?？茖W(xué)家通過對(duì)比不同掃描位置的散射圖案變化，能重構(gòu)出清晰度極高的圖像。該探測器的精度創(chuàng)下吉尼斯世界紀(jì)錄，可捕捉到世界上分辨率最高的圖像，以前所未有的細(xì)節(jié)呈現(xiàn)原子結(jié)構(gòu)。

半導(dǎo)體中的 “鼠咬狀 (Mouse bites)” 缺陷

在兩人上一次合作研究的 25 年后，臺(tái)積電及其企業(yè)分析實(shí)驗(yàn)室的支持下，馬勒?qǐng)F(tuán)隊(duì)與威爾克再度聯(lián)手，利用電子顯微鏡像素陣列探測器對(duì)現(xiàn)代半導(dǎo)體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)展開觀測。

卡拉佩強(qiáng)表示：“這項(xiàng)成像技術(shù)的研發(fā)與應(yīng)用，無論是收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，還是進(jìn)行計(jì)算重構(gòu)，都如同破解一個(gè)巨型拼圖。”

研究團(tuán)隊(duì)完成所有數(shù)據(jù)的收集、重構(gòu)與原子位置追蹤后，成功檢測到了晶體管溝道的界面粗糙度，卡拉佩強(qiáng)將這類缺陷形象地命名為 “鼠咬狀” 缺陷。該類粗糙度由半導(dǎo)體優(yōu)化生長過程中產(chǎn)生的缺陷所致。此次研究采用了比利時(shí)微電子研究中心制備的樣品結(jié)構(gòu)，為該成像技術(shù)的測試提供了理想條件。

卡拉佩強(qiáng)說：“現(xiàn)代半導(dǎo)體器件的制造流程包含數(shù)百甚至數(shù)千道工序，涉及化學(xué)刻蝕、薄膜沉積、加熱等操作，每一道工序都會(huì)對(duì)器件結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響。此前，研究人員只能通過投影圖像推測器件內(nèi)部的實(shí)際情況；如今，借助這一技術(shù)，我們能在每道工序后直接觀測器件結(jié)構(gòu)，更清晰地掌握工藝參數(shù)帶來的影響，比如設(shè)定該溫度后，器件結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生怎樣的變化?！?/p>

這項(xiàng)全新的成像技術(shù)未來或可應(yīng)用于所有搭載現(xiàn)代計(jì)算機(jī)芯片的設(shè)備，從手機(jī)、筆記本電腦到數(shù)據(jù)中心均能覆蓋，同時(shí)也將為量子計(jì)算機(jī)等下一代技術(shù)的調(diào)試帶來助力 —— 量子計(jì)算對(duì)材料的結(jié)構(gòu)控制要求極高，而目前相關(guān)的控制技術(shù)尚未完全成熟。

卡拉佩強(qiáng)表示：“有了這一工具，我們未來能開展更多相關(guān)的科學(xué)研究，也能實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)的工程工藝控制?！?/p>