科學家終於發現了隱藏在電腦晶片內部的原子缺陷

新的成像技術是與台積電 (TSMC) 和先進半導體材料 (ASM) 合作開發的。由於電腦晶片為從智慧型手機和汽車到人工智慧資料中心和量子電腦等設備提供動力，這項發現可能會影響許多技術領域。

結果於2月23日公佈 自然通訊。博士生 Shaak Karapetyan 是這項研究的主要作者。

「由於沒有其他方法可以看到這些缺陷的原子結構，因此這將是一個非常重要的表徵工具，用於調試和檢測電腦晶片中的錯誤，特別是在開發階段，」領導該計畫的康奈爾大學杜菲爾德工程學院工程學教授戴維·穆勒(David Mueller)說。

為什麼半導體晶片中的小缺陷很重要？

非常小的結構缺陷長期以來一直是半導體產業面臨的挑戰。隨著晶片變得越來越複雜，其組件縮小到單個原子的大小，即使是微小的不規則性也會影響設備的工作方式。

每個電腦晶片的核心都是電晶體。這個小部件可作為控制電流運動的開關。每個電晶體都包含一個打開和關閉以調節電子流動的通道。

「晶體管就像一個小電子管而不是水，」穆勒說。 “你可以想像，如果管壁太粗糙，速度就會變慢。因此，測量管壁的粗糙程度以及哪些管壁好、哪些管壁不好現在變得更加重要。”

從早期電晶體到 3D 晶片結構

穆勒長期研究半導體技術的物理極限。從 1997 年到 2003 年，他在發明電晶體的貝爾實驗室從事研發工作，研究這類設備最終可以變得多小。

當電晶體在 20 世紀中葉首次出現時，它們以向外擴散的平面佈局排列在晶片上，類似於橫跨地球的郊區。隨著時間的推移，工程師耗盡了表面空間，促使他們開始垂直堆疊晶體管，創造類似於高層公寓大樓的複雜 3D 結構。

「問題在於這些 3D 結構比病毒的大小還要小。如今，它們要小得多。它們更像是細胞內分子的大小，」Mueller 說。

如今，單一先進晶片可以包含數十億個電晶體。隨著它們的尺寸不斷縮小，診斷效能問題變得更加困難。

「如今，晶體管通道只能有大約 15 到 18 個原子寬，這是非常小的，而且非常複雜，」卡拉佩蒂安說。 “在這一點上，每個原子的位置很重要，而且很難描述。”

電子顯微鏡的進展

在貝爾實驗室的職業生涯早期，穆勒曾與 90 年代的科學家格倫·威爾克 (Glenn Wilke) 共事，後者現在擔任 ASM 的技術副總裁。兩人研究了替代當時主要閘極材料二氧化矽的方法，當裝置變得非常小時，二氧化矽會洩漏太多電流。他們的研究幫助推進了氧化鉿的使用，氧化鉿後來從 2000 年代中期開始成為電腦處理器和行動裝置中使用的標準材料。

「我可以告訴你，我們發表的關於如何使用電子顯微鏡來表徵這些材料的論文，很多半導體專家都非常仔細地閱讀過它們，」康奈爾大學卡夫利奈米科學研究所和康奈爾材料研究中心 (CCMR) 的聯合主任穆勒說。 「當我們回到這個計畫時，情況非常清楚。顯微鏡已經取得了很大的進步。當時，它就像飛行雙翼飛機。現在你有了噴射機。”

穆勒所說的「平面」是控制論技術。這種計算成像技術基於電子顯微鏡像素陣列檢測（EMPAD），這是一種與 Müller 研究小組共同開發的技術。探測器記錄電子通過電晶體結構時所產生的詳細圖案。

透過比較這些散射圖案如何從一個掃描點轉移到另一個掃描點，研究人員可以重建高度詳細的影像。該系統非常精確，能夠生成有史以來最高分辨率的圖像，使科學家能夠以非凡的清晰度看到單個原子，這一能力已獲得吉尼斯世界紀錄的認可。

檢測「老鼠咬傷」缺陷。

繼上次合作超過 25 年後，Müller 和 Wilke 在台積電及其分析實驗室小組的支持下再次合作。他們的目標是將 EMPAD 技術應用於現代半導體裝置。

「你可以把這種成像技術想像成解決一個巨大的難題，無論是在獲取實驗數據還是在計算重建方面，」卡拉佩蒂安說。

在收集和重建成像數據後，研究人員追蹤了晶體管通道內原子的位置。此分析揭示了這些通道界面處的精細粗糙度。卡拉佩蒂安將這些不規則的圖案描述為「老鼠咬傷」。

在結構製造中使用的最佳生長過程中形成的缺陷。 Imec 奈米電子研究中心創建的設備原型為測試成像技術提供了理想的平台。

「製造現代設備需要數百甚至數千個化學蝕刻、沉積和加熱步驟，然後每個步驟都會對你的結構產生影響，」卡拉佩蒂安說。 「以前，你會通過觀看投影圖像來試圖弄清楚實際發生了什麼。現在你有了一個實時探測器，可以在每一步之後實際觀察並更好地理解，哦，你已經將溫度提高到這個程度，然後這就是它的樣子。”

對未來晶片和量子運算的影響

直接監測原子級缺陷的能力可能會影響幾乎所有依賴先進電腦晶片的設備，包括智慧型手機、筆記型電腦和大型資料中心。它還可能幫助研究人員開發量子電腦等新興技術，這些技術需要對材料結構進行極其精確的控制。

「我認為，利用這個工具，我們現在可以做更多的科學工作，以及更多的工程控制，」卡拉佩蒂安說。

研究的共同作者包括介面材料快速實施、分析和發現平台 (PARADIM) 的科學家 Steven Zeltman，以及台積電的 Ta-Kun Chen 和 Vincent Ho。

該研究由台積電資助。 CCMR 和 PARADIM 為顯微鏡設施提供了支持，並由美國國家科學基金會資助。