Атомная трехмерная метрология релаксации напряжений и шероховатости в транзисторах Gate-All-Around методом электронного пиктографирования

Почему крошечным транзисторам нужна новая разновидность микроскопа

Каждое новое поколение компьютерных чипов упаковывает больше мощности в меньший объём, сводя ключевые компоненты к размерам всего в несколько миллиардных долей метра. На таких масштабах даже один смещённый атом или чуть шероховатая поверхность могут замедлить транзистор или вызвать его отказ. При этом большинство инструментов, которыми инженеры заглядывают внутрь чипов, либо не видят отдельные атомы, либо не показывают, что находится под поверхностью. В этом исследовании представлено мощное средство визуализации, которое позволяет картировать скрытые структуры внутри транзисторов следующего поколения в трёх измерениях, атом за атомом.

От плоских ключей к окружающим проводникам

Чтобы продолжать повышать скорость и энергоэффективность, производители чипов перешли от плоских «планарных» транзисторов к трёхмерным конструкциям Gate‑All‑Around (GAA). В GAA‑устройствах проводящий канал выполнен в виде ультратонкого кремниевого листа, а управляющий затвор полностью охватывает его через слои диэлектриков и материалов с высоким диэлектрическим проницаемостью. Такая геометрия обеспечивает превосходный контроль над потоком электронов, что важно при экстремальной миниатюризации. Но она также формирует скрытые интерфейсы и сложные стеки кристаллических и аморфных материалов всего в несколько атомных слоёв. Эти скрытые границы могут содержать шероховатости, пустоты и другие дефекты, сильно влияющие на рабочие параметры транзистора, и их очень трудно напрямую измерить в 3D существующими методами.

Ограничения современных методов визуализации

Традиционные электронные микроскопы формируют чрезвычайно резкие двухмерные изображения, но им трудно различить, что находится спереди, а что сзади в толстых образцах. По мере прохождения через множество атомных слоёв электроны отклоняются и рассеиваются сложным образом, что создаёт вводящую в заблуждение контрастность и размывает информацию о глубине. Другие методы, такие как рентгеновская томография или атомно‑пробная томография, дают трёхмерные представления, но либо лишены атомного разрешения, либо испытывают трудности с лёгкими элементами и реальной геометрией устройств. По мере того как длины затвора сокращаются ниже 10 нанометров, эти ограничения становятся критичными: одна крошечная пустота на границе между кремнием и оксидом или локальное поле напряжения, где атомы смещены из положения, может резко уменьшить подвижность электронов и сместить рабочее напряжение транзистора.

Новый способ заглянуть внутрь: электронное пиктографирование

Авторы демонстрируют вычислительный метод визуализации, называемый многослойным электронным пиктографированием (multislice electron ptychography), который преодолевает многие из этих препятствий. Вместо прямого формирования изображения микроскоп сканирует слегка расфокусированный, частично перекрывающийся зонд по тонкому срезу устройства, регистрируя при каждом положении полный дифракционный паттерн. Эти четырёхмерные данные кодируют, как волновой фронт электронов изменяется при прохождении через образец. С помощью продвинутых алгоритмов и реалистичной модели пошагового распространения электронов метод восстанавливает трёхмерный электростатический потенциал устройства с почти атомным поперечным разрешением и нанометровой глубинной точностью. Важно, что он надёжно фиксирует как лёгкие атомы, такие как кремний и кислород, так и более тяжёлые, например гафний, одновременно корректируя многократное рассеяние, которое осложняет обычные подходы.

Наблюдение интерфейсов, шероховатости и напряжений в 3D

Применённый к прототипам тестовых структур GAA, этот метод выявляет скрытые особенности, которые ранние методы либо размывали, либо совсем пропускали. В реконструкциях видны упаковочные дефекты (stacking faults) в кристаллическом кремниевом канале, микропоры, где гафний‑оксид проникает в канал, и ступенчатые кромки на границе кремний–оксид. Отслеживая тысячи отдельных атомов по глубине, авторы количественно оценивают, как кристаллическая решётка кремния постепенно релаксирует от напряжённого, искажённого состояния у интерфейса к более упорядоченной, объёмоподобной структуре в центре канала толщиной всего около 5 нанометров. Они обнаружили, что примерно 40 процентов кремния в этих узких каналах остаётся в напряжённом состоянии — существенная доля для транспорта электронов. Авторы также напрямую измеряют степень шероховатости скрытых интерфейсов и её корреляцию вдоль канала, выявляя явные различия между верхней и нижней поверхностями, отражающие историю роста каждого интерфейса.

Что это означает для более быстрых и надёжных чипов

Поскольку метод даёт истинные трёхмерные атомные измерения шероховатости и напряжений, он обеспечивает практическую информацию, необходимую разработчикам устройств для точного моделирования. По простым оценкам авторов, грубые и насыщенные дефектами интерфейсы в этих ранних GAA‑образцах могут уменьшать подвижность электронов в несколько и даже десятки раз по сравнению с более гладким эталоном. Не менее важно, что рабочий цикл — от подготовки образца до получения 3D‑реконструкции — может занимать несколько дней и использует стандартные электронные микроскопы с современными пиксельными детекторами. Это делает метод практичным инструментом обратной связи в процессе технологической разработки. Проще говоря, работа показывает, что инженеры теперь могут «увидеть» источники проблем у своих крошечных транзисторов глубоко внутри устройства ещё на ранних стадиях производства. Такая видимость должна помочь ускорить отладку рецептур изготовления, повысить выходы продвинутых логических чипов и даже направлять проектирование квантовых устройств, чувствительных к атомномасштабному беспорядку на скрытых интерфейсах.

Цитирование: Karapetyan, S., Zeltmann, S.E., Wilk, G. et al. 3D atomic-scale metrology of strain relaxation and roughness in Gate-All-Around transistors via electron ptychography. Nat Commun 17, 3561 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-69733-1

Ключевые слова: транзисторы gate-all-around, электронное пиктографирование, атомная визуализация, шероховатость интерфейса, метрология полупроводников