NIST desarrolla una nueva técnica para detectar Transistor defectos

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) han ideado y probado un método nuevo y altamente sensible para detectar y contar defectos en transistores.

Los defectos pueden limitar Transistor y circuito rendimiento y puede afectar la confiabilidad del producto y este nuevo proceso llega en un momento crucial para el Semiconductores industria, ya que busca desarrollar nuevos materiales para dispositivos de próxima generación.

El rendimiento del transistor depende fundamentalmente de la fiabilidad con la que fluirá una cantidad designada de corriente. Los defectos en el material del transistor, como regiones de “impurezas” no deseadas o enlaces químicos rotos, interrumpen y desestabilizan el flujo y estos defectos pueden manifestarse inmediatamente o durante un período de tiempo.

A lo largo de muchos años, los científicos han encontrado numerosas formas de clasificar y minimizar esos efectos, pero los defectos son cada vez más difíciles de identificar a medida que las dimensiones de los transistores se vuelven más pequeñas y las velocidades de conmutación se aceleran. Para algunos prometedores semiconductor Para los materiales en desarrollo, como el carburo de silicio (SiC) en lugar de silicio (Si) solo para nuevos dispositivos de alta energía y alta temperatura, no ha habido una forma sencilla y directa de caracterizar los defectos en detalle.

“El método que desarrollamos funciona con Si y SiC tradicionales, lo que nos permite por primera vez identificar no solo el tipo de defecto, sino también el número de ellos en un espacio dado con una simple medición de CC”, dijo James Ashton de NIST, quien realizó la investigación con colegas del NIST y la Universidad Estatal de Pensilvania. La investigación se centra en las interacciones entre los dos tipos de portadores de carga eléctrica en un transistor: electrones cargados negativamente y "huecos" cargados positivamente, que son espacios donde falta un electrón en la estructura atómica local.

Cuando un transistor funciona correctamente, una corriente de electrones específica fluye a lo largo de la ruta deseada. Si la corriente encuentra un defecto, los electrones quedan atrapados o desplazados, y luego pueden combinarse con agujeros para formar un área eléctricamente neutra en un proceso conocido como recombinación.

Cada recombinación elimina un electrón de la corriente. Múltiples defectos causan pérdidas de corriente que conducen a un mal funcionamiento. El objetivo es determinar dónde están los defectos y su número.

“Queríamos proporcionar a los fabricantes una forma de identificar y cuantificar los defectos a medida que prueban diferentes materiales nuevos”, dijo Jason Ryan de NIST. “Lo hicimos mediante la creación de un modelo físico de una técnica de detección de defectos que ha sido ampliamente utilizada pero poco comprendida hasta ahora. Luego, realizamos experimentos de prueba de principio que confirmaron nuestro modelo ".

En un diseño clásico de semiconductor de óxido de metal, se coloca un electrodo de metal llamado puerta sobre una fina capa aislante de dióxido de silicio. Debajo de esa interfaz se encuentra el cuerpo principal del semiconductor.

En un lado de la puerta hay una terminal de entrada, llamada fuente; en el otro hay una salida (drenaje). Los científicos investigan la dinámica del flujo de corriente cambiando los voltajes de "polarización" aplicados a la puerta, la fuente y el drenaje, todo lo cual afecta la forma en que se mueve la corriente.

Los investigadores de NIST y Penn State se concentraron en una región en particular que generalmente tiene solo una milmillonésima parte de un metro de espesor y una millonésima de metro de largo: el límite, o canal, entre la capa delgada de óxido y el cuerpo semiconductor a granel.

"Esta capa es muy importante porque el efecto de una voltaje en la parte superior de metal del óxido del transistor actúa para cambiar cuántos electrones hay dentro de la región del canal debajo del óxido; esta región controla la resistencia del dispositivo desde la fuente hasta el drenaje ”, dijo Ashton. “El rendimiento de esta capa depende de cuántos defectos existan. El método de detección que investigamos anteriormente no podía determinar cuántos defectos había dentro de esta capa ".

Un método sensible para detectar defectos en el canal se llama resonancia magnética detectada eléctricamente (EDMR), que es similar en principio a la resonancia magnética médica. Las partículas como los protones y los electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín, que las hace actuar como pequeños imanes de barra con dos polos magnéticos opuestos. En EDMR, el transistor se irradia con microondas a una frecuencia aproximadamente cuatro veces mayor que la de un horno microondas. Los experimentadores aplican un campo magnético al dispositivo y varían gradualmente su fuerza mientras miden la corriente de salida.

Con exactamente la combinación correcta de frecuencia y fuerza de campo, los electrones en los defectos se “voltean”, es decir, invierten sus polos. Esto hace que algunos pierdan suficiente energía que se recombinan con agujeros en los defectos del canal, reduciendo la corriente. Sin embargo, la actividad del canal puede ser difícil de medir debido al alto volumen de "ruido" de la recombinación en la mayor parte del semiconductor.

Para centrarse exclusivamente en la actividad en el canal, los investigadores utilizan una técnica llamada efecto de amplificación bipolar (BAE), que se logra al disponer los voltajes de polarización aplicados a la fuente, la puerta y el drenaje en una configuración particular (ver figura). “Entonces, debido a la polarización que usamos en BAE y porque medimos los niveles de corriente en el drenaje”, dijo Ashton, “podemos eliminar la interferencia de otras cosas que suceden en el transistor. Podemos seleccionar solo los defectos que nos importan dentro del canal ".

El mecanismo exacto por el que opera BAE no se conocía hasta que el equipo desarrolló su modelo. “Los únicos resultados de la medición fueron cualitativos, es decir, podían indicar los tipos de defectos en el canal, pero no el número”, dijo Patrick Lenahan, un distinguido profesor de ingeniería y mecánica en Penn State.

Antes del modelo de BAE, el esquema se usaba estrictamente como un recurso para aplicar voltajes y controlar corrientes para las mediciones de EDMR, lo cual es útil para una identificación de defectos más cualitativa. El nuevo modelo habilita BAE como herramienta para medir cuantitativamente el número de defectos y hacerlo solo con corrientes y voltajes. El parámetro de importancia es la densidad de defectos de la interfaz, que es un número que describe cuántos defectos hay dentro de un área de la interfaz semiconductor-óxido. El modelo BAE ofrece a los investigadores una descripción matemática de cómo la corriente BAE está relacionada con la densidad del defecto.

El modelo, que los investigadores probaron en una serie de experimentos de prueba de concepto en transistores semiconductores de óxido metálico, hace posibles las mediciones cuantitativas. "Ahora podemos dar cuenta de la variación en la distribución del portador de carga en toda la región del canal", dijo Ashton. "Esto abre las posibilidades de lo que se puede medir con una simple medición eléctrica".

"Esta técnica puede proporcionar una visión única de la presencia de estos defectos de transistores desestabilizadores y un camino hacia la comprensión mecanicista de su formación", dijo Markus Kuhn, anteriormente en Intel y ahora director senior de metrología de semiconductores y miembro de Rigaku, que no participó en la investigación. “Con tal conocimiento, habría una mayor oportunidad de controlarlos y reducirlos con el fin de mejorar el rendimiento y la confiabilidad de los transistores. Esta sería una oportunidad para mejorar aún más el diseño de los circuitos del chip y el rendimiento del dispositivo, lo que conduciría a productos de mejor rendimiento ".

• Los resultados de esta investigación se publicaron originalmente el 6 de octubre en el Revista de Física Aplicada.