NIST mengembangkan teknik baru untuk mendeteksi Transistor cacat

Para peneliti di Institut Standar Nasional dan Teknologi (NIST) telah merancang dan menguji metode baru yang sangat sensitif untuk mendeteksi dan menghitung cacat pada transistor.

Cacat dapat membatasi Transistor dan sirkit kinerja dan dapat mempengaruhi keandalan produk dan proses baru ini datang pada saat yang penting untuk Semikonduktor industri seperti yang terlihat untuk mengembangkan bahan baru untuk perangkat generasi berikutnya.

Kinerja transistor sangat tergantung pada seberapa andal jumlah arus yang ditentukan akan mengalir. Cacat pada bahan transistor, seperti daerah "pengotor" yang tidak diinginkan atau ikatan kimia yang rusak, mengganggu dan mengacaukan aliran dan cacat ini dapat muncul dengan sendirinya atau selama periode waktu tertentu.

Selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menemukan banyak cara untuk mengklasifikasikan dan meminimalkan efek-efek tersebut, namun cacat menjadi lebih sulit untuk diidentifikasi karena dimensi transistor menjadi lebih kecil dan kecepatan peralihan semakin cepat. Bagi sebagian orang menjanjikan semikonduktor bahan yang sedang dikembangkan – seperti silikon karbida (SiC) dan bukan silikon (Si) saja untuk perangkat baru berenergi tinggi dan bersuhu tinggi – belum ada cara yang sederhana dan mudah untuk mengkarakterisasi cacat secara detail.

“Metode yang kami kembangkan bekerja dengan Si dan SiC tradisional, memungkinkan kami untuk pertama kalinya mengidentifikasi tidak hanya jenis cacat tetapi juga jumlah cacat tersebut dalam ruang tertentu dengan pengukuran DC sederhana,” kata James Ashton dari NIST, yang melakukan penelitian dengan rekan-rekan di NIST dan Pennsylvania State University. Penelitian ini berfokus pada interaksi antara dua jenis pembawa muatan listrik dalam transistor: elektron bermuatan negatif dan “lubang” bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom lokal.

Ketika transistor berfungsi dengan benar, arus elektron tertentu mengalir di sepanjang jalur yang diinginkan. Jika arus menemui cacat, elektron terperangkap atau dipindahkan, dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk area netral secara elektrik dalam proses yang dikenal sebagai rekombinasi.

Setiap rekombinasi menghilangkan elektron dari arus. Beberapa cacat menyebabkan kerugian saat ini yang menyebabkan kegagalan fungsi. Tujuannya adalah untuk menentukan di mana cacat dan jumlahnya.

“Kami ingin memberi produsen cara untuk mengidentifikasi dan mengukur cacat saat mereka menguji bahan baru yang berbeda,” kata Jason Ryan dari NIST. “Kami melakukannya dengan membuat model fisika dari teknik deteksi cacat yang telah banyak digunakan tetapi kurang dipahami sampai sekarang. Kami kemudian melakukan eksperimen pembuktian prinsip yang mengkonfirmasi model kami.”

Dalam desain semikonduktor oksida logam klasik, elektroda logam yang disebut gerbang ditempatkan di atas lapisan silikon dioksida isolasi tipis. Di bawah antarmuka itu adalah tubuh sebagian besar semikonduktor.

Di satu sisi gerbang adalah terminal input, yang disebut sumber; di sisi lain adalah output (menguras). Para ilmuwan menyelidiki dinamika aliran arus dengan mengubah tegangan “bias” yang diterapkan pada gerbang, sumber dan saluran pembuangan, yang semuanya mempengaruhi bagaimana arus bergerak.

Peneliti NIST dan Penn State berkonsentrasi pada satu wilayah tertentu yang biasanya hanya sekitar 1 miliar meter tebal dan sepersejuta meter panjang: batas, atau saluran, antara lapisan oksida tipis dan tubuh semikonduktor massal.

“Lapisan ini sangat penting karena efek a tegangan di atas logam oksida transistor bertindak untuk mengubah berapa banyak elektron yang berada di dalam wilayah saluran di bawah oksida; wilayah ini mengontrol resistensi perangkat dari sumber ke saluran pembuangan, ”kata Ashton. “Kinerja lapisan ini tergantung pada berapa banyak cacat yang ada. Metode deteksi yang kami selidiki sebelumnya tidak dapat menentukan berapa banyak cacat yang ada di dalam lapisan ini.”

Salah satu metode sensitif untuk mendeteksi cacat pada saluran disebut resonansi magnetik yang terdeteksi secara elektrik (EDMR), yang pada prinsipnya mirip dengan MRI medis. Partikel seperti proton dan elektron memiliki sifat kuantum yang disebut spin, yang membuatnya bertindak seperti magnet batang kecil dengan dua kutub magnet yang berlawanan. Dalam EDMR, transistor disinari dengan gelombang mikro pada frekuensi sekitar empat kali lebih tinggi dari oven microwave. Eksperimen menerapkan medan magnet ke perangkat dan secara bertahap memvariasikan kekuatannya saat mengukur arus keluaran.

Pada kombinasi frekuensi dan kekuatan medan yang tepat, elektron pada cacat “berbalik” , yaitu, membalikkan kutubnya. Hal ini menyebabkan beberapa kehilangan energi yang cukup sehingga mereka bergabung kembali dengan lubang pada cacat di saluran, mengurangi arus. Namun, aktivitas saluran mungkin sulit diukur, karena volume "noise" yang tinggi dari rekombinasi di sebagian besar semikonduktor.

Untuk fokus secara eksklusif pada aktivitas di saluran, peneliti menggunakan teknik yang disebut efek amplifikasi bipolar (BAE), yang dicapai dengan mengatur tegangan bias yang diterapkan ke sumber, gerbang, dan saluran dalam konfigurasi tertentu (lihat gambar). “Jadi karena bias yang kami gunakan di BAE dan karena kami mengukur level arus di saluran pembuangan,” kata Ashton, “kami dapat menghilangkan interferensi dari hal-hal lain yang terjadi di transistor. Kami dapat memilih hanya cacat yang kami pedulikan di dalam saluran.”

Mekanisme pasti bagaimana BAE beroperasi tidak diketahui sampai tim mengembangkan modelnya. “Hasil pengukuran hanya bersifat kualitatif, yaitu mereka dapat mengetahui jenis cacat pada saluran tetapi tidak mengetahui jumlahnya,” kata Patrick Lenahan, profesor ilmu teknik dan mekanik terkemuka di Penn State.

Sebelum model BAE, skema ini digunakan secara ketat sebagai sumber daya untuk menerapkan tegangan dan mengendalikan arus untuk pengukuran EDMR, yang berguna untuk identifikasi cacat yang lebih kualitatif. Model baru memungkinkan BAE sebagai alat untuk mengukur jumlah cacat secara kuantitatif dan melakukannya hanya dengan arus dan tegangan. Parameter penting adalah kerapatan cacat antarmuka, yang merupakan angka yang menjelaskan berapa banyak cacat dalam beberapa area antarmuka semikonduktor-oksida. Model BAE memberi peneliti deskripsi matematis tentang bagaimana arus BAE terkait dengan kerapatan cacat.

Model, yang diuji para peneliti dalam serangkaian eksperimen pembuktian konsep pada transistor semikonduktor oksida logam, memungkinkan pengukuran kuantitatif. “Sekarang kami dapat menjelaskan variasi dalam distribusi pembawa muatan di seluruh wilayah saluran,” kata Ashton. "Ini membuka kemungkinan apa yang dapat diukur dengan pengukuran listrik sederhana."

“Teknik ini dapat memberikan wawasan unik tentang keberadaan cacat transistor yang tidak stabil ini dan jalan menuju pemahaman mekanistik tentang pembentukannya,” kata Markus Kuhn, sebelumnya di Intel dan sekarang direktur senior metrologi semikonduktor dan rekan di Rigaku, yang tidak terlibat dalam penelitian. “Dengan pengetahuan seperti itu, akan ada peluang lebih besar untuk mengontrol dan menguranginya untuk meningkatkan kinerja dan keandalan transistor. Ini akan menjadi kesempatan untuk lebih meningkatkan desain sirkuit chip dan kinerja perangkat yang mengarah ke produk berkinerja lebih baik.”

• Hasil penelitian ini awalnya diterbitkan pada tanggal 6 Oktober di Jurnal Fisika Terapan.