يطور NIST تقنية جديدة للكشف الترانزستور عيوب

الباحثون في المعهد الوطني للمعايير و تكنولوجيا (NIST) ابتكرت واختبرت طريقة جديدة حساسة للغاية لكشف وحساب العيوب في الترانزستورات.

يمكن أن تحد العيوب الترانزستور و الدارة الكهربائية الأداء ويمكن أن تؤثر على موثوقية المنتج وتأتي هذه العملية الجديدة في وقت حرج بالنسبة لـ أشباه الموصلات حيث تتطلع إلى تطوير مواد جديدة لأجهزة الجيل التالي.

يعتمد أداء الترانزستور بشكل حاسم على مدى موثوقية تدفق كمية معينة من التيار. تؤدي العيوب في مادة الترانزستور ، مثل مناطق "الشوائب" غير المرغوب فيها أو الروابط الكيميائية المكسورة ، إلى مقاطعة التدفق وعدم استقراره ويمكن أن تتجلى هذه العيوب على الفور أو على مدى فترة من الزمن.

على مدى سنوات عديدة، وجد العلماء طرقًا عديدة لتصنيف هذه التأثيرات وتقليلها، ولكن أصبح من الصعب تحديد العيوب حيث أصبحت أبعاد الترانزستور أصغر وتسارع سرعات التبديل. لبعض الواعدة أشباه الموصلات المواد قيد التطوير - مثل كربيد السيليكون (SiC) بدلاً من السيليكون (Si) وحده للأجهزة الجديدة ذات الطاقة العالية والحرارة العالية - لم تكن هناك طريقة بسيطة ومباشرة لتوصيف العيوب بالتفصيل.

قال جيمس أشتون من NIST ، الذي أجرى البحث مع الزملاء في NIST وجامعة ولاية بنسلفانيا. يركز البحث على التفاعلات بين نوعي حاملات الشحنة الكهربائية في الترانزستور: الإلكترونات سالبة الشحنة و "الثقوب" الموجبة الشحنة ، وهي مسافات ينقص فيها الإلكترون من التركيب الذري المحلي.

عندما يعمل الترانزستور بشكل صحيح ، يتدفق تيار إلكترون معين على طول المسار المطلوب. إذا واجه التيار عيبًا ، فإن الإلكترونات محاصرة أو مزاحة ، ويمكن بعد ذلك أن تتحد مع الثقوب لتشكيل منطقة محايدة كهربائيًا في عملية تعرف باسم إعادة التركيب.

كل عملية إعادة تركيب تزيل إلكترونًا من التيار. تؤدي العيوب المتعددة إلى خسائر حالية تؤدي إلى حدوث خلل. الهدف هو تحديد مكان العيوب وعددها.

قال جيسون رايان من NIST: "أردنا تزويد المصنّعين بطريقة لتحديد العيوب وقياسها كمّيًا أثناء اختبارهم لمواد جديدة مختلفة". "لقد فعلنا ذلك من خلال إنشاء نموذج فيزيائي لتقنية اكتشاف العيوب التي تم استخدامها على نطاق واسع ولكن لم يتم فهمها بشكل جيد حتى الآن. ثم أجرينا تجارب إثبات المبدأ التي أكدت نموذجنا ".

في تصميم شبه موصل بأكسيد معدني كلاسيكي ، يوضع قطب كهربائي يسمى البوابة فوق طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون العازل. أسفل تلك الواجهة يوجد الجزء الأكبر من جسم أشباه الموصلات.

على جانب واحد من البوابة يوجد طرف إدخال يسمى المصدر ؛ من ناحية أخرى هو الإخراج (استنزاف). يبحث العلماء في ديناميكيات تدفق التيار عن طريق تغيير الفولتية "المنحازة" المطبقة على البوابة والمصدر والصرف ، وكلها تؤثر على كيفية تحرك التيار.

ركز باحثو المعهد القومي للمعايير والتكنولوجيا (NIST) وولاية بنسلفانيا (Penn State) على منطقة معينة لا يزيد سمكها عن 1 مليار من المتر وطول جزء من المليون من المتر: الحدود أو القناة بين طبقة الأكسيد الرقيقة وجسم أشباه الموصلات.

"هذه الطبقة مهمة للغاية لأن تأثير a الجهد االكهربى على السطح المعدني لأكسيد الترانزستور يعمل على تغيير عدد الإلكترونات الموجودة داخل منطقة القناة تحت الأكسيد ؛ وقال أشتون إن هذه المنطقة تتحكم في مقاومة الجهاز من المصدر إلى التصريف. يعتمد أداء هذه الطبقة على عدد العيوب الموجودة. كانت طريقة الاكتشاف التي بحثناها سابقًا غير قادرة على تحديد عدد العيوب الموجودة داخل هذه الطبقة ".

يُطلق على إحدى الطرق الحساسة للكشف عن العيوب في القناة اسم الرنين المغناطيسي المكتشف كهربائيًا (EDMR) ، والذي يشبه من حيث المبدأ التصوير بالرنين المغناطيسي الطبي. تمتلك الجسيمات مثل البروتونات والإلكترونات خاصية كمية تسمى الدوران ، مما يجعلها تعمل مثل مغناطيس قضيب صغير مع قطبين مغناطيسيين متقابلين. في EDMR ، يتم تشعيع الترانزستور بأفران ميكروويف بتردد أعلى بأربع مرات من فرن الميكروويف. يطبق المجربون مجالًا مغناطيسيًا على الجهاز ويغيرون قوته تدريجيًا أثناء قياس تيار الخرج.

في التركيبة الصحيحة تمامًا من التردد وقوة المجال ، "تنقلب" الإلكترونات عند العيوب ، أي تعكس أقطابها. يؤدي هذا إلى فقد البعض طاقة كافية بحيث يعيدون تجميع الثقوب عند وجود عيوب في القناة ، مما يقلل من التيار. قد يكون من الصعب قياس نشاط القناة ، مع ذلك ، بسبب الحجم الكبير "للضوضاء" من إعادة التركيب في الجزء الأكبر من أشباه الموصلات.

للتركيز حصريًا على النشاط في القناة ، يستخدم الباحثون تقنية تسمى تأثير التضخيم ثنائي القطب (BAE) ، والتي يتم تحقيقها من خلال ترتيب جهد التحيز المطبق على المصدر والبوابة والصرف في تكوين معين (انظر الشكل). قال أشتون: "لذلك بسبب التحيز الذي نستخدمه في BAE ولأننا نقيس المستويات الحالية عند الصرف ، يمكننا القضاء على التداخل من الأشياء الأخرى التي تحدث في الترانزستور. يمكننا تحديد العيوب التي نهتم بها داخل القناة فقط ".

لم تكن الآلية الدقيقة التي تعمل بها شركة BAE معروفة حتى طور الفريق نموذجها. قال باتريك ليناهان ، الأستاذ المتميز لعلوم الهندسة والميكانيكا في ولاية بنسلفانيا: "كانت نتائج القياس الوحيدة نوعية ، أي أنها يمكن أن تخبر أنواع العيوب في القناة ولكن ليس العدد".

قبل نموذج BAE ، تم استخدام المخطط بشكل صارم كمورد لتطبيق الفولتية والتحكم في التيارات لقياسات EDMR ، وهو أمر مفيد لتحديد عيب نوعي أكثر. يمكّن النموذج الجديد BAE كأداة لقياس عدد العيوب والقيام بذلك باستخدام التيارات والفولتية فقط. المعلمة ذات الأهمية هي كثافة عيب الواجهة ، وهو رقم يصف عدد العيوب الموجودة داخل منطقة ما من واجهة أكسيد أشباه الموصلات. يعطي نموذج BAE الباحثين وصفًا رياضيًا لكيفية ارتباط تيار BAE بكثافة الخلل.

هذا النموذج ، الذي اختبره الباحثون في مجموعة من تجارب إثبات المفهوم على ترانزستورات أشباه الموصلات ذات أكسيد الفلز ، يجعل القياسات الكمية ممكنة. قال أشتون: "يمكننا الآن حساب التباين في توزيع الناقل المسؤول في جميع أنحاء منطقة القناة". "هذا يفتح إمكانيات ما يمكن قياسه بقياس كهربائي بسيط."

قال ماركوس كوهن ، الذي كان يعمل سابقًا في شركة Intel وهو الآن مدير أول لمقاييس أشباه الموصلات وزميل في Rigaku ، والذي لم يشارك في البحث. "مع هذه المعرفة ، ستكون هناك فرصة أكبر للتحكم فيها وتقليلها من أجل تحسين أداء وموثوقية الترانزستور. ستكون هذه فرصة لزيادة تحسين تصميم دوائر الرقاقة وأداء الجهاز مما يؤدي إلى منتجات ذات أداء أفضل ".

• تم نشر نتائج هذا البحث في الأصل في 6 أكتوبر في مجلة الفيزياء التطبيقية.