NIST entwickelt neue Technik zum Nachweis von Transistor Defekte

Forscher am National Institute of Standards and Technologie (NIST) haben eine neue, hochempfindliche Methode zur Erkennung und Zählung von Defekten in Transistoren entwickelt und getestet.

Mängel können einschränken Transistor und Schaltung Leistung und kann die Produktzuverlässigkeit beeinträchtigen, und dieses neue Verfahren kommt zu einem entscheidenden Zeitpunkt für die Halbleiter Industrie bei der Entwicklung neuer Materialien für Geräte der nächsten Generation.

Die Transistorleistung hängt entscheidend davon ab, wie zuverlässig eine bestimmte Strommenge fließt. Defekte im Transistormaterial, wie ungewollte „Fremdstoff“-Bereiche oder gebrochene chemische Bindungen, unterbrechen und destabilisieren den Fluss und diese Defekte können sich sofort oder über einen längeren Zeitraum manifestieren.

Im Laufe vieler Jahre haben Wissenschaftler zahlreiche Möglichkeiten gefunden, diese Auswirkungen zu klassifizieren und zu minimieren. Allerdings werden Defekte immer schwieriger zu identifizieren, da die Transistorabmessungen kleiner werden und die Schaltgeschwindigkeiten steigen. Für einige vielversprechend Halbleiter In der Entwicklung befindlicher Materialien – etwa Siliziumkarbid (SiC) anstelle von Silizium (Si) allein für neuartige Hochenergie- und Hochtemperaturgeräte – gab es keine einfache und unkomplizierte Möglichkeit, Defekte im Detail zu charakterisieren.

„Die von uns entwickelte Methode funktioniert sowohl mit traditionellem Si als auch mit SiC, sodass wir zum ersten Mal nicht nur die Art des Defekts, sondern auch deren Anzahl in einem bestimmten Raum mit einer einfachen DC-Messung identifizieren können“, sagte James Ashton vom NIST, der die Forschung mit Kollegen am NIST und der Pennsylvania State University. Die Forschung konzentriert sich auf Wechselwirkungen zwischen den beiden Arten von elektrischen Ladungsträgern in einem Transistor: negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen „Löchern“, also Räumen, in denen ein Elektron in der lokalen Atomstruktur fehlt.

Bei korrekter Funktion eines Transistors fließt ein bestimmter Elektronenstrom entlang des gewünschten Pfades. Trifft der Strom auf einen Defekt, werden Elektronen eingefangen oder verdrängt und können sich dann mit Löchern verbinden, um in einem als Rekombination bekannten Prozess einen elektrisch neutralen Bereich zu bilden.

Jede Rekombination entfernt ein Elektron aus dem Strom. Mehrere Defekte verursachen Stromverluste, die zu Fehlfunktionen führen. Ziel ist es, die Fehlerstellen und deren Anzahl zu ermitteln.

„Wir wollten Herstellern eine Möglichkeit bieten, Fehler zu identifizieren und zu quantifizieren, während sie verschiedene neue Materialien testen“, sagte Jason Ryan von NIST. „Wir haben dies erreicht, indem wir ein physikalisches Modell einer Fehlererkennungstechnik erstellt haben, die weit verbreitet, aber bisher kaum verstanden wurde. Anschließend führten wir Proof-of-Principle-Experimente durch, die unser Modell bestätigten.“

Bei einem klassischen Metalloxid-Halbleiterdesign wird eine Metallelektrode, die als Gate bezeichnet wird, auf einer dünnen isolierenden Siliziumdioxidschicht platziert. Unterhalb dieser Grenzfläche befindet sich der Hauptkörper des Halbleiters.

Auf einer Seite des Gates befindet sich ein Eingangsanschluss, der als Source bezeichnet wird; auf der anderen ist ein Ausgang (Drain). Wissenschaftler untersuchen die Dynamik des Stromflusses, indem sie die an Gate, Source und Drain angelegten „Bias“-Spannungen ändern, die sich alle auf die Strombewegung auswirken.

Die Forscher von NIST und Penn State konzentrierten sich auf eine bestimmte Region, die typischerweise nur etwa 1 Milliardstel Meter dick und ein Millionstel Meter lang ist: die Grenze oder der Kanal zwischen der dünnen Oxidschicht und dem massiven Halbleiterkörper.

„Diese Schicht ist enorm wichtig, weil die Wirkung von a Spannung auf der Metalloberseite des Oxids des Transistors wirkt, um zu ändern, wie viele Elektronen sich innerhalb des Kanalbereichs unter dem Oxid befinden; Dieser Bereich steuert den Widerstand des Geräts von Source zu Drain“, sagte Ashton. „Die Leistung dieser Schicht hängt davon ab, wie viele Defekte vorhanden sind. Die von uns untersuchte Detektionsmethode konnte bisher nicht feststellen, wie viele Defekte sich in dieser Schicht befanden.“

Eine empfindliche Methode, um Defekte im Kanal zu erkennen, wird als elektrisch detektierte Magnetresonanz (EDMR) bezeichnet, die im Prinzip der medizinischen MRT ähnelt. Teilchen wie Protonen und Elektronen haben eine Quanteneigenschaft namens Spin, die sie wie winzige Stabmagnete mit zwei entgegengesetzten Magnetpolen wirken lässt. Beim EDMR wird der Transistor mit Mikrowellen mit einer Frequenz bestrahlt, die etwa viermal höher ist als die eines Mikrowellenofens. Experimentatoren legen ein Magnetfeld an das Gerät an und variieren seine Stärke allmählich, während sie den Ausgangsstrom messen.

Bei genau der richtigen Kombination von Frequenz und Feldstärke „kippen“ Elektronen an Defekten, d. h. polieren sich um. Dies führt dazu, dass einige so viel Energie verlieren, dass sie sich mit Löchern an Defekten im Kanal rekombinieren, wodurch der Strom reduziert wird. Die Kanalaktivität kann jedoch aufgrund des hohen Volumens an „Rauschen“ aus der Rekombination in der Masse des Halbleiters schwer zu messen sein.

Um sich ausschließlich auf die Aktivität im Kanal zu konzentrieren, verwenden die Forscher eine Technik namens Bipolarer Verstärkungseffekt (BAE), die erreicht wird, indem die an Source, Gate und Drain angelegten Vorspannungen in einer bestimmten Konfiguration angeordnet werden (siehe Abbildung). „Aufgrund der Vorspannung, die wir in BAE verwenden, und weil wir die Strompegel am Drain messen“, sagte Ashton, „können wir Störungen durch andere Vorgänge im Transistor eliminieren. Wir können innerhalb des Kanals nur Fehler auswählen, die uns wichtig sind.“

Der genaue Mechanismus, nach dem BAE arbeitet, war nicht bekannt, bis das Team sein Modell entwickelte. „Die einzigen Messergebnisse waren qualitativ, das heißt, sie konnten die Art der Defekte im Kanal erkennen, aber nicht die Anzahl“, sagte Patrick Lenahan, ein angesehener Professor für Ingenieurwissenschaften und Mechanik an der Penn State.

Vor dem BAE-Modell wurde das Schema ausschließlich als Ressource zum Anlegen von Spannungen und Steuern von Strömen für EDMR-Messungen verwendet, was für eine qualitativere Fehlererkennung nützlich ist. Das neue Modell ermöglicht es BAE als Werkzeug, die Anzahl der Defekte quantitativ zu messen und dies nur mit Strömen und Spannungen. Der wichtige Parameter ist die Grenzflächendefektdichte, die eine Zahl ist, die beschreibt, wie viele Defekte sich innerhalb eines Bereichs der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche befinden. Das BAE-Modell gibt Forschern eine mathematische Beschreibung, wie der BAE-Strom mit der Defektdichte zusammenhängt.

Das Modell, das die Forscher in einer Reihe von Proof-of-Concept-Experimenten an Metalloxid-Halbleitertransistoren getestet haben, ermöglicht quantitative Messungen. „Jetzt können wir die Variation der Ladungsträgerverteilung in der Kanalregion berücksichtigen“, sagte Ashton. „Das eröffnet die Möglichkeiten dessen, was mit einer einfachen elektrischen Messung gemessen werden kann.“

„Diese Technik kann einzigartige Einblicke in das Vorhandensein dieser destabilisierenden Transistordefekte und einen Weg zu einem mechanistischen Verständnis ihrer Entstehung liefern“, sagte Markus Kuhn, früher bei Intel und jetzt Senior Director of Semiconductor Metrology und Fellow bei Rigaku, der nicht an die Forschung. „Mit einem solchen Wissen gäbe es bessere Möglichkeiten, sie zu kontrollieren und zu reduzieren, um die Transistorleistung und -zuverlässigkeit zu verbessern. Dies wäre eine Gelegenheit, das Design der Chip-Schaltkreise und die Geräteleistung weiter zu verbessern, was zu leistungsfähigeren Produkten führt.“

• Die Ergebnisse dieser Forschung wurden ursprünglich am 6. Oktober in der veröffentlicht Zeitschrift für Angewandte Physik.