康奈尔大学联手台积电与ASM首次实现芯片原子级“鼠咬”缺陷3D成像

近日，美国康奈尔大学（Cornell University）研究团队联合台积电（TSMC）及先进半导体材料公司（ASM）共同宣布，在半导体成像领域取得里程碑式重大突破，三方通过协同研发的高分辨率3D成像技术，首次在原子尺度上清晰观测到芯片内部的“鼠咬”（mouse bite）缺陷。这一成果不仅填补了原子级芯片缺陷直接观测的技术空白，更将推动芯片研发从“盲猜试错”迈入“精准可视”的全新阶段，为先进制程良率提升、量子计算等前沿领域发展提供核心支撑，相关研究成果已于2月23日发表在《自然·通讯》（Nature Communications）期刊上。



此次突破依托的核心技术的是电子叠影成像（electron ptychography）技术，这是一种先进的计算成像方法，借助康奈尔大学研究团队联合研发的电子显微镜像素阵列探测器（EMPAD），捕捉电子束穿过晶体管后形成的细微散射图案，再通过对比不同扫描位置的图案变化，重构出超高分辨率的3D原子结构图像。该探测器的精度已被吉尼斯世界纪录认定为全球最高，能够以前所未有的细节呈现芯片内部的原子排布，彻底打破了传统成像技术无法穿透芯片表层、难以捕捉深埋缺陷的局限，就像将“显微镜”直接伸入芯片内部，让原子级缺陷无所遁形。

所谓“鼠咬”缺陷，是研究团队对芯片晶体管沟道界面细微粗糙缺陷的形象命名，这类缺陷类似微小凹坑或缺口，形成于芯片制造的材料生长环节，在数百道化学刻蚀、沉积与热处理工序中随机产生。当前高性能芯片的晶体管沟道宽度仅为15至18个原子，任何微小的结构偏差都可能阻碍电子流动，导致芯片性能下降、功耗升高，甚至引发故障，但在此次技术突破前，行业内尚无有效手段直接观测这类原子级缺陷，研发人员只能通过成品性能反推缺陷存在，调试工艺如同“拆盲盒”，效率极低。

三方的合作实现了技术、资源与经验的完美协同，为此次突破奠定了坚实基础。康奈尔大学研究团队在高分辨率成像技术与电子显微镜研发领域拥有深厚积累，项目负责人、该校杜菲尔德工程学院Samuel B. Eckert讲席教授David Muller，曾在晶体管的诞生地贝尔实验室工作，早年与现任ASM技术副总裁的Glen Wilk合作，推动氧化铪替代二氧化硅成为芯片栅极主流材料，其团队发表的半导体材料表征论文被行业广泛研读。台积电作为全球先进制程的领军企业，提供了前沿的芯片样品与制程工艺支持，助力技术在实际芯片场景中完成验证；ASM则凭借在半导体材料与设备领域的积累，为成像技术的产业化落地提供了工程化支撑，三方的协同发力让这项突破性技术实现了从实验室到产业应用的无缝衔接。

David Muller教授表示，由于此前没有任何方法能直接观测这类缺陷的原子结构，这项新的成像技术将成为芯片研发阶段至关重要的表征工具，用于芯片的调试与故障排查，尤其对3nm及以下先进制程的研发意义重大。他形象地比喻，过去的半导体成像技术就像“双翼机”，而如今的电子叠影成像技术则升级为“喷气式战机”，分辨率与成像效率实现了质的飞跃，能够清晰呈现晶体管这个“电子微型管道”的内壁状态，帮助研发人员精准判断缺陷位置与影响。

论文第一作者、康奈尔大学博士生Shake Karapetyan补充道，现代芯片制造工序多达上千道，每一步参数的细微调整都会影响微观结构，以往只能依靠投影图像猜测内部情况，而这项技术让研发人员能在关键工序后直接“看见”结构变化，进而精准调节工艺参数，从根源上减少缺陷产生。此次测试所使用的芯片样品来自比利时微电子研究中心（Imec）的工艺线，测试结果充分验证了技术的可靠性与实用性，为后续产业化应用提供了有力支撑。

行业分析指出，随着芯片制程不断逼近物理极限，3nm、2nm乃至更先进制程的研发，对原子级结构控制的要求越来越高，缺陷观测能力已成为制约制程突破与良率提升的核心瓶颈。此次康奈尔大学、台积电与ASM的联合突破，不仅为芯片缺陷检测提供了全新工具，更将重构芯片研发范式，让制程调试从“经验试错”转向“精准优化”——对芯片厂商而言，良率每提升1%，旗舰芯片的年利润就能增加数十亿，这项技术有望激活良率提升的巨大潜在空间。