原子級別的成像技術(shù)揭示計(jì)算機(jī)芯片內(nèi)部存在"鼠咬"缺陷

美國康奈爾大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)首次在原子尺度上直接“看見”了隱藏在先進(jìn)芯片內(nèi)部的結(jié)構(gòu)缺陷，并將這些微小的不規(guī)則形態(tài)形象地稱為“鼠咬”（mouse bites），這一成像突破為未來高端芯片的調(diào)試和良率提升提供了全新工具。

這項(xiàng)新技術(shù)依托一種高分辨率三維電子成像方法，由康奈爾大學(xué)與臺(tái)積電（TSMC）及半導(dǎo)體設(shè)備廠商 ASM 合作開發(fā)，能夠在納米乃至原子尺度上重建晶體管內(nèi)部結(jié)構(gòu)，直接定位影響性能和可靠性的微觀缺陷。 研究成果已于 2 月 23 日發(fā)表在《自然·通訊》（Nature Communications）期刊上，論文第一作者為康奈爾大學(xué)博士生 Shake Karapetyan。

項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、康奈爾 Duffield 工程學(xué)院 Samuel B. Eckert 講席教授 David Muller 表示，在現(xiàn)有手段中幾乎不可能直接看到這些缺陷的原子結(jié)構(gòu)，而新方法將成為芯片開發(fā)階段進(jìn)行“調(diào)試”和“故障排查”的關(guān)鍵表征工具。 由于從智能手機(jī)、汽車到人工智能數(shù)據(jù)中心和量子計(jì)算機(jī)都依賴先進(jìn)芯片，這一進(jìn)展有望在整個(gè)信息產(chǎn)業(yè)鏈條產(chǎn)生廣泛影響。

在現(xiàn)代半導(dǎo)體器件中，晶體管是控制電流開關(guān)的核心單元，其溝道區(qū)域就像一根給電子“走路”的微型管道。 Muller 形容，如果這根“管道”的內(nèi)壁很粗糙，就會(huì)阻礙電子流動(dòng)，因此精確測量溝道壁的粗糙程度、分辨哪些區(qū)域“好”、哪些“壞”，在原子尺度下變得尤為關(guān)鍵。 如今高性能芯片里的晶體管溝道寬度只有大約 15 至 18 個(gè)原子，結(jié)構(gòu)極其復(fù)雜，任何一點(diǎn)微小偏差都可能造成可測的性能差異。 Karapetyan 直言，在這樣的尺寸下幾乎“每一個(gè)原子的位置都很要緊”，而準(zhǔn)確刻畫這些結(jié)構(gòu)一直是難題。

回顧半導(dǎo)體技術(shù)發(fā)展早期，晶體管大多以平面方式布局，在芯片表面橫向展開。 隨著尺寸不斷逼近物理極限，業(yè)界轉(zhuǎn)向三維堆疊結(jié)構(gòu)，將器件垂直“豎起來”，形成日益復(fù)雜的 3D 架構(gòu)。 Muller 回憶，自己在 1997 至 2003 年在貝爾實(shí)驗(yàn)室工作期間，就曾研究限定晶體管極限縮小尺寸的物理因素。 如今，這些 3D 結(jié)構(gòu)的特征尺寸已經(jīng)小于許多傳統(tǒng)表征手段的分辨能力，診斷性能問題愈發(fā)困難。

先進(jìn)電子顯微技術(shù)的演進(jìn)，為破解這一難題奠定了基礎(chǔ)。 Muller 與現(xiàn)任 ASM 技術(shù)副總裁、康奈爾校友 Glen Wilk 在貝爾實(shí)驗(yàn)室期間，曾合作研究以高介電常數(shù)的氧化鉿（HfO?）替代在小尺寸下漏電嚴(yán)重的二氧化硅，作為柵極材料，這一工作后來推動(dòng)了氧化鉿在電腦和手機(jī)芯片中的普及應(yīng)用。 當(dāng)年他們發(fā)表的利用電子顯微鏡表征相關(guān)材料的論文，曾被半導(dǎo)體業(yè)內(nèi)廣泛研讀。

如今，Muller 口中的“螺旋槳飛機(jī)”已經(jīng)升級為“噴氣式戰(zhàn)機(jī)”，具體體現(xiàn)便是電子正電子衍射成像（electron ptychography）技術(shù)。 該方法依賴一種由其課題組參與開發(fā)的電子顯微像素陣列探測器（EMPAD），通過記錄電子束穿過晶體管時(shí)產(chǎn)生的散射圖樣，再對相鄰掃描點(diǎn)間圖樣的細(xì)微變化進(jìn)行計(jì)算重構(gòu)，從而獲得超高分辨率圖像。 EMPAD 的精度之高，曾被吉尼斯世界紀(jì)錄認(rèn)定為實(shí)現(xiàn)了迄今分辨率最高的原子級成像。

在臺(tái)積電及其企業(yè)分析實(shí)驗(yàn)室、納米電子研究中心 Imec 的支持下，Muller 與 Wilk 在 25 年后再度聯(lián)手，將 EMPAD 技術(shù)應(yīng)用到當(dāng)代前沿半導(dǎo)體結(jié)構(gòu)上。 Karapetyan 將這一過程比喻為解一道“超大拼圖”，既要采集海量實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，又要完成復(fù)雜的計(jì)算重建。

通過對數(shù)據(jù)的處理與分析，團(tuán)隊(duì)得以追蹤單個(gè)原子的空間位置，并量化晶體管溝道界面的細(xì)微起伏，他們將這些微小的凹坑和粗糙統(tǒng)稱為“鼠咬”缺陷。 這些缺陷形成于器件制備過程中經(jīng)過優(yōu)化的材料生長步驟之中，而用于測試的樣品則來自 Imec 的工藝線。 Karapetyan 指出，現(xiàn)代器件的制備往往要經(jīng)歷數(shù)百甚至上千道化學(xué)刻蝕、沉積與熱處理步驟，每一步都會(huì)對最終結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響，以往只能依靠投影成像“猜測”內(nèi)部發(fā)生了什么，而現(xiàn)在則可在若干關(guān)鍵步驟后直接“看”到結(jié)構(gòu)變化。 這使得工藝工程師有機(jī)會(huì)更精細(xì)地調(diào)節(jié)溫度等工藝參數(shù)并實(shí)時(shí)驗(yàn)證其結(jié)構(gòu)結(jié)果。

研究團(tuán)隊(duì)認(rèn)為，這種直接可視化原子缺陷的能力，將對依賴先進(jìn)芯片的幾乎所有技術(shù)形態(tài)產(chǎn)生潛在影響，包括智能手機(jī)、筆記本電腦、大型數(shù)據(jù)中心等常規(guī)應(yīng)用，以及對材料結(jié)構(gòu)精度要求極高的下一代量子計(jì)算系統(tǒng)。 Karapetyan 表示，有了這樣一套工具，未來無論在基礎(chǔ)科學(xué)研究還是工藝工程控制上，都將有更大的發(fā)揮空間。