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2026-03-06 00:44:00
コーネル大学の研究者らは、高解像度の 3D イメージングを使用して、コンピューター チップ内の原子スケールの欠陥を初めて特定しました。これらの小さな欠陥はチップのパフォーマンスに干渉する可能性があり、現代のエレクトロニクスにとって大きな懸念事項となっています。
この新しいイメージング技術は、台湾積体電路製造会社 (TSMC) およびアドバンスト セミコンダクター マテリアルズ (ASM) との協力を通じて開発されました。コンピューターチップはスマートフォンや自動車からAIデータセンターや量子コンピューターに至るまでのデバイスに搭載されているため、今回の発見は技術の多くの分野に影響を与える可能性がある。
この調査結果は2月23日付けで発表された。 ネイチャーコミュニケーションズ。博士課程の学生、シェイク・カラペティアン氏がこの研究の筆頭著者を務めた。
このプロジェクトを主導したコーネル・ダフィールド工科大学のサミュエル・B・エッカート工学教授デビッド・ミュラー氏は、「これらの欠陥の原子構造を確認する方法は他にないため、これは特に開発段階において、コンピュータチップのデバッグや故障発見にとって非常に重要な特性評価ツールとなるだろう」と述べた。
半導体チップではなぜ小さな欠陥が重要なのか
非常に小さな構造上の欠陥が、長年にわたり半導体業界の課題となってきました。チップがより複雑になり、そのコンポーネントが個々の原子のスケールまで縮小するにつれて、たとえ小さな不規則性であってもデバイスの動作に影響を与える可能性があります。
すべてのコンピューターチップの中心にはトランジスタがあります。この小さな部品は、電流の動きを制御するスイッチとして機能します。各トランジスタには、電子の流れを調節するために開閉するチャネルが含まれています。
「トランジスタは水の代わりに電子を通す小さなパイプのようなものです」とミュラー氏は語った。 「想像できると思いますが、パイプの壁が非常に粗い場合、作業が遅くなります。したがって、壁がどの程度粗いのか、どの壁が良好でどの壁が悪いのかを測定することが、ますます重要になっています。」
初期のトランジスタから 3D チップ構造まで
ミュラー氏は長年、半導体技術の物理的限界を研究してきました。 1997 年から 2003 年まで、彼はトランジスタが発明されたベル研究所の研究開発部門で働き、これらのデバイスが最終的にどれだけ小さくなるかを研究しました。
20 世紀半ばにトランジスタが初めて登場したとき、トランジスタは、陸地全体に広がる郊外のように、外側に広がるフラットなレイアウトでチップ全体に配置されていました。時間が経つにつれて、エンジニアは表面積が足りなくなり、トランジスタを垂直に積層し、高層マンションに似た複雑な三次元構造を作成するようになりました。
「問題は、これらの3D構造がウイルスのサイズよりも小さいことです。そして最近では、それははるかに小さくなっています。むしろ細胞内の分子のようなスケールです」とミュラー氏は述べた。
今日、単一の高度なチップには数十億個のトランジスタが含まれることがあります。サイズが縮小し続けるにつれて、パフォーマンスの問題を診断することははるかに困難になっています。
「最近では、トランジスタのチャネルの幅は原子 15 ～ 18 個程度しかありません。これは非常に非常に小さく、非常に複雑です」とカラペティアン氏は言う。 「現時点では、すべての原子がどこにあるかが重要であり、特徴づけるのは非常に困難です。」
電子顕微鏡法の進歩
ミュラー氏は、ベル研究所でのキャリアの初期に、現在 ASM の技術担当副社長を務める科学者仲間のグレン ウィルク ’90 と協力していました。二人は、当時主流のゲート材料であった二酸化シリコンを置き換える方法を研究しました。二酸化シリコンは、デバイスが非常に小さくなるとリーク電流が多すぎたものでした。彼らの研究は酸化ハフニウムの使用を促進するのに役立ち、その後、酸化ハフニウムは 20 年代半ばからコンピューター プロセッサーやモバイル デバイスで使用される標準材料になりました。
「電子顕微鏡を使用してこれらの材料を特徴付ける方法について私たちが発表した論文は、多くの半導体関係者が非常に注意深く読んでいたと言えるでしょう」とコーネル大学カブリナノスケール科学研究所とコーネル材料研究センター（CCMR）の共同所長であるミュラー氏は述べた。 「私たちがこのプロジェクトに戻ったとき、それは非常に明確でした。そして顕微鏡検査は非常に大きな進歩を遂げました。当時は複葉機が飛んでいるようなものでした。そして今ではジェット機が登場しました。」
ミュラーが言う「ジェット」とは、電子タイコグラフィーのことである。この計算によるイメージング技術は、Muller の研究グループが共同開発した技術である電子顕微鏡ピクセル アレイ検出器 (EMPAD) に依存しています。検出器は、電子がトランジスタ構造を通過するときに作成される詳細なパターンを記録します。
これらの散乱パターンがあるスキャン ポイントから別のスキャン ポイントにどのように変化するかを比較することで、研究者は非常に詳細な画像を再構成できます。このシステムは非常に正確であるため、これまでに撮影された中で最高解像度の画像が生成され、科学者は個々の原子を非常に鮮明に見ることができ、この能力はギネス世界記録に認定されています。
「マウスバイト」欠陥の発見
以前のコラボレーションから 25 年以上が経過し、ミュラーとウィルクは TSMC とその企業分析研究所グループの支援を受けて再び協力しました。彼らの目標は、EMPAD テクノロジーを最新の半導体デバイスに適用することでした。
「このイメージング技術は、実験データの取得と計算による再構成の両方の点で、巨大なパズルを解くようなものだと考えることができます」とカラペティアン氏は言う。
画像データを収集して再構成した後、研究者らはトランジスタのチャネル内の原子の位置を追跡しました。この分析により、これらのチャネルの境界面に微妙な粗さが明らかになりました。カラペティアン氏は、こうした不規則なパターンを「ネズミの咬傷」と表現しました。
構造の製造に使用される最適化された成長プロセス中に形成された欠陥。ナノエレクトロニクス研究センター Imec で作成されたサンプル デバイスは、イメージング技術をテストするための理想的なプラットフォームを提供しました。
「最新のデバイスの製造には、化学エッチング、蒸着、加熱という数百、あるいは数百のステップが必要であり、そのすべてのステップが構造に何らかの影響を及ぼします」とカラペティアン氏は述べた。 「以前は、実際に何が起こっているのかを理解するために投影画像を調べていました。今では、すべてのステップの後に直接プローブを実際に見ることができ、ああ、温度をこれくらい高くすると、こうなった、ということをよりよく把握できるようになりました。」
将来のチップと量子コンピューティングへの影響
原子レベルの欠陥を直接観察できるようになれば、スマートフォン、ラップトップ、大規模データセンターなど、高度なコンピューターチップを利用するほぼすべてのデバイスに影響を与える可能性があります。また、研究者が材料の構造を非常に正確に制御する必要がある量子コンピューターなどの新興技術の開発にも役立つ可能性があります。
「このツールのおかげで、科学的にできることはさらに多くなり、工学的な制御もさらにできるようになったと思います」とカラペティアン氏は語った。
この研究の共著者には、界面材料の加速実現、分析、発見プラットフォーム (PARADIM) のスタッフサイエンティストである Steven Zeltmann 氏、TSMC の Ta-Kun Chen 氏および Vincent Hou 氏が含まれています。
この研究はTSMCから資金提供を受けました。顕微鏡施設の支援は、国立科学財団から資金提供を受けている CCMR と PARADIM によって提供されました。
#科学者たちはコンピューターチップの中に隠れている原子の欠陥をついに発見