美國康奈爾大學(xué)科研團(tuán)隊(duì)近日宣布，通過與臺積電、ASM半導(dǎo)體材料公司合作，開發(fā)出一種高分辨率三維成像技術(shù)，首次捕捉到計(jì)算機(jī)芯片中可能引發(fā)性能波動(dòng)的原子級缺陷——“鼠咬”。這一發(fā)現(xiàn)為半導(dǎo)體行業(yè)提供了全新的故障診斷工具，相關(guān)研究成果已發(fā)表于《自然·通訊》期刊。

研究聚焦于芯片核心組件——晶體管。作為電流的開關(guān)裝置，晶體管通過電門控制通道啟閉，其性能直接取決于通道內(nèi)壁的平滑程度。項(xiàng)目負(fù)責(zé)人、康奈爾大學(xué)工程學(xué)教授David Muller比喻道：“晶體管如同電子管道，若管壁粗糙，電子流動(dòng)速度將顯著降低。隨著晶體管尺寸縮小至原子級，這種微觀缺陷的影響愈發(fā)關(guān)鍵。”

傳統(tǒng)檢測手段依賴投影圖像推斷芯片內(nèi)部結(jié)構(gòu)，而新研發(fā)的三維成像技術(shù)可直接觀察原子排列。研究團(tuán)隊(duì)在芯片界面處發(fā)現(xiàn)異常粗糙區(qū)域，這些由優(yōu)化生長過程中形成的缺陷被形象地稱為“鼠咬”。第一作者Shake Karapetyan指出：“現(xiàn)代芯片制造涉及數(shù)百道化學(xué)工藝，每一步都可能改變材料結(jié)構(gòu)。新成像技術(shù)讓我們能實(shí)時(shí)觀察工藝效果，例如調(diào)整溫度后立即看到材料變化。”

當(dāng)前高性能芯片集成數(shù)十億個(gè)晶體管，尺寸微縮導(dǎo)致故障排查難度呈指數(shù)級增長。Muller教授強(qiáng)調(diào)，由于原子級缺陷的不可見性，該技術(shù)將成為芯片開發(fā)階段的重要調(diào)試工具。例如在量子計(jì)算機(jī)領(lǐng)域，材料結(jié)構(gòu)控制要求達(dá)到前所未有的精度，而“鼠咬”缺陷的識別為優(yōu)化工藝提供了關(guān)鍵依據(jù)。

這項(xiàng)突破不僅影響手機(jī)、汽車等消費(fèi)電子產(chǎn)品，更將推動(dòng)人工智能數(shù)據(jù)中心、量子計(jì)算等前沿領(lǐng)域的發(fā)展。隨著半導(dǎo)體制造進(jìn)入埃米時(shí)代，原子級缺陷檢測技術(shù)的普及或?qū)⒅厮苷麄€(gè)行業(yè)的質(zhì)量管控標(biāo)準(zhǔn)。