Le NIST développe une nouvelle technique de détection Transistor défauts

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technologie (NIST) ont conçu et testé une nouvelle méthode très sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors.

Les défauts peuvent limiter Transistor ainsi que circuit performance et peut affecter la fiabilité du produit et ce nouveau processus arrive à un moment crucial pour le Semi-conducteurs l'industrie qui cherche à développer de nouveaux matériaux pour les appareils de la prochaine génération.

Les performances du transistor dépendent de manière critique de la fiabilité avec laquelle une quantité de courant désignée circulera. Des défauts dans le matériau du transistor, tels que des régions « d'impuretés » indésirables ou des liaisons chimiques rompues, interrompent et déstabilisent le flux et ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou sur une période de temps.

Au fil des années, les scientifiques ont trouvé de nombreuses façons de classer et de minimiser ces effets, mais les défauts deviennent de plus en plus difficiles à identifier à mesure que les dimensions des transistors diminuent et que les vitesses de commutation s'accélèrent. Pour certains prometteurs semi-conducteur Dans les matériaux en cours de développement – ​​tels que le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour de nouveaux dispositifs à haute énergie et haute température – il n'existe aucun moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

« La méthode que nous avons développée fonctionne à la fois avec le Si traditionnel et le SiC, nous permettant pour la première fois d'identifier non seulement le type de défaut, mais aussi leur nombre dans un espace donné avec une simple mesure DC », a déclaré James Ashton du NIST, qui a mené la recherche avec des collègues du NIST et de la Pennsylvania State University. La recherche se concentre sur les interactions entre les deux types de porteurs de charge électrique dans un transistor : les électrons chargés négativement et les « trous » chargés positivement, qui sont des espaces où un électron manque dans la structure atomique locale.

Lorsqu'un transistor fonctionne correctement, un courant d'électrons spécifique circule le long du chemin souhaité. Si le courant rencontre un défaut, les électrons sont piégés ou déplacés, et peuvent alors se combiner avec des trous pour former une zone électriquement neutre dans un processus appelé recombinaison.

Chaque recombinaison retire un électron du courant. Des défauts multiples provoquent des pertes de courant qui conduisent à un dysfonctionnement. Le but est de déterminer où sont les défauts et leur nombre.

« Nous voulions fournir aux fabricants un moyen d'identifier et de quantifier les défauts lorsqu'ils testent différents nouveaux matériaux », a déclaré Jason Ryan du NIST. « Nous l'avons fait en créant un modèle physique d'une technique de détection de défauts qui a été largement utilisée mais mal comprise jusqu'à présent. Nous avons ensuite mené des expériences de preuve de principe qui ont confirmé notre modèle.

Dans une conception classique de semi-conducteur à oxyde métallique, une électrode métallique appelée grille est placée au sommet d'une fine couche isolante de dioxyde de silicium. Au-dessous de cette interface se trouve le corps principal du semi-conducteur.

D'un côté de la porte se trouve une borne d'entrée, appelée la source ; de l'autre une sortie (drain). Les scientifiques étudient la dynamique du flux de courant en modifiant les tensions de « polarisation » appliquées à la grille, à la source et au drain, qui affectent toutes la façon dont le courant se déplace.

Les chercheurs du NIST et de Penn State se sont concentrés sur une région particulière qui n'a généralement qu'environ 1 milliardième de mètre d'épaisseur et un millionième de mètre de long : la frontière, ou canal, entre la fine couche d'oxyde et le corps semi-conducteur massif.

« Cette couche est extrêmement importante parce que l'effet d'un Tension sur le métal au-dessus de l'oxyde du transistor agit pour changer le nombre d'électrons dans la région du canal sous l'oxyde ; cette région contrôle la résistance de l'appareil de la source au drain », a déclaré Ashton. « Les performances de cette couche dépendent du nombre de défauts existants. La méthode de détection que nous avons étudiée était auparavant incapable de déterminer combien de défauts se trouvaient dans cette couche. »

Une méthode sensible pour détecter les défauts dans le canal est appelée résonance magnétique détectée électriquement (EDMR), qui est similaire en principe à l'IRM médicale. Les particules telles que les protons et les électrons ont une propriété quantique appelée spin, qui les fait agir comme de minuscules barres magnétiques avec deux pôles magnétiques opposés. En EDMR, le transistor est irradié avec des micro-ondes à une fréquence environ quatre fois supérieure à celle d'un four à micro-ondes. Les expérimentateurs appliquent un champ magnétique à l'appareil et varient progressivement sa force tout en mesurant le courant de sortie.

À exactement la bonne combinaison de fréquence et d'intensité de champ, les électrons des défauts « basculent », c'est-à-dire inversent leurs pôles. Cela fait que certains perdent suffisamment d'énergie pour se recombiner avec des trous au niveau des défauts du canal, réduisant ainsi le courant. L'activité du canal peut être difficile à mesurer, cependant, en raison du volume élevé de « bruit » provenant de la recombinaison dans la majeure partie du semi-conducteur.

Pour se concentrer exclusivement sur l'activité dans le canal, les chercheurs utilisent une technique appelée effet d'amplification bipolaire (BAE), qui est obtenue en disposant les tensions de polarisation appliquées à la source, à la grille et au drain dans une configuration particulière (voir figure). "Donc, en raison de la polarisation que nous utilisons dans BAE et parce que nous mesurons les niveaux de courant au niveau du drain", a déclaré Ashton, "nous pouvons éliminer les interférences provenant d'autres choses qui se passent dans le transistor. Nous pouvons sélectionner uniquement les défauts qui nous tiennent à cœur au sein du canal.

Le mécanisme exact par lequel BAE fonctionne n'était pas connu jusqu'à ce que l'équipe développe son modèle. "Les seuls résultats de mesure étaient qualitatifs, c'est-à-dire qu'ils pouvaient indiquer les types de défauts dans le canal mais pas le nombre", a déclaré Patrick Lenahan, éminent professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique à Penn State.

Avant le modèle de BAE, le schéma était utilisé strictement comme ressource pour appliquer des tensions et contrôler des courants pour les mesures EDMR, ce qui est utile pour une identification plus qualitative des défauts. Le nouveau modèle permet à BAE en tant qu'outil de mesurer quantitativement le nombre de défauts et de le faire avec uniquement des courants et des tensions. Le paramètre d'importance est la densité de défauts d'interface, qui est un nombre qui décrit le nombre de défauts dans une zone de l'interface semi-conducteur-oxyde. Le modèle BAE donne aux chercheurs une description mathématique de la relation entre le courant BAE et la densité de défauts.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans une série d'expériences de validation de principe sur des transistors à semi-conducteurs à oxyde métallique, permet des mesures quantitatives. "Maintenant, nous pouvons tenir compte de la variation de la distribution des porteurs de charge dans toute la région du canal", a déclaré Ashton. "Cela ouvre les possibilités de ce qui peut être mesuré avec une simple mesure électrique."

"Cette technique peut fournir un aperçu unique de la présence de ces défauts de transistors déstabilisants et une voie vers une compréhension mécaniste de leur formation", a déclaré Markus Kuhn, anciennement chez Intel et maintenant directeur principal de la métrologie des semi-conducteurs et membre de Rigaku, qui n'était pas impliqué dans la recherche. « Avec de telles connaissances, il y aurait une plus grande opportunité de les contrôler et de les réduire afin d'améliorer les performances et la fiabilité des transistors. Ce serait l'occasion d'améliorer encore la conception des circuits de la puce et les performances de l'appareil, conduisant à des produits plus performants. »

• Les résultats de cette recherche ont été initialement publiés le 6 octobre dans le Journal de physique appliquée.