Il NIST sviluppa una nuova tecnica per rilevare Transistor difetti

Ricercatori del National Institute of Standards e Tecnologia (NIST) hanno ideato e testato un nuovo metodo altamente sensibile per rilevare e contare i difetti nei transistor.

I difetti possono limitare Transistor ed circuito prestazioni e può influire sull'affidabilità del prodotto e questo nuovo processo arriva in un momento cruciale per il Semiconduttore l'industria alla ricerca di nuovi materiali per i dispositivi di prossima generazione.

Le prestazioni del transistor dipendono in modo critico dall'affidabilità del flusso di una determinata quantità di corrente. Difetti nel materiale del transistor, come regioni di "impurità" indesiderate o legami chimici rotti, interrompono e destabilizzano il flusso e questi difetti possono manifestarsi immediatamente o per un periodo di tempo.

Nel corso di molti anni, gli scienziati hanno trovato numerosi modi per classificare e minimizzare tali effetti, ma i difetti stanno diventando sempre più difficili da identificare man mano che le dimensioni dei transistor diventano più piccole e le velocità di commutazione accelerano. Per alcuni promettente semiconduttore materiali in fase di sviluppo – come il carburo di silicio (SiC) invece del solo silicio (Si) per nuovi dispositivi ad alta energia e alta temperatura – non esisteva un modo semplice e diretto per caratterizzare i difetti in dettaglio.

"Il metodo che abbiamo sviluppato funziona sia con il Si tradizionale che con il SiC, consentendoci per la prima volta di identificare non solo il tipo di difetto, ma anche il numero di essi in un dato spazio con una semplice misurazione DC", ha affermato James Ashton del NIST, che ha condotto la ricerca con i colleghi del NIST e della Pennsylvania State University. La ricerca si concentra sulle interazioni tra i due tipi di portatori di carica elettrica in un transistor: elettroni con carica negativa e "buchi" con carica positiva, spazi in cui manca un elettrone dalla struttura atomica locale.

Quando un transistor funziona correttamente, una specifica corrente di elettroni scorre lungo il percorso desiderato. Se la corrente incontra un difetto, gli elettroni vengono intrappolati o spostati e possono quindi combinarsi con i fori per formare un'area elettricamente neutra in un processo noto come ricombinazione.

Ogni ricombinazione sottrae un elettrone alla corrente. Difetti multipli causano perdite di corrente che portano a malfunzionamenti. L'obiettivo è determinare dove si trovano i difetti e il loro numero.

"Volevamo fornire ai produttori un modo per identificare e quantificare i difetti mentre stanno testando nuovi materiali diversi", ha affermato Jason Ryan del NIST. “Lo abbiamo fatto creando un modello fisico di una tecnica di rilevamento dei difetti che è stata ampiamente utilizzata ma poco compresa fino ad ora. Abbiamo quindi condotto esperimenti di prova del principio che hanno confermato il nostro modello”.

In un classico design a semiconduttore in ossido di metallo, un elettrodo metallico chiamato gate è posizionato sopra un sottile strato isolante di biossido di silicio. Al di sotto di tale interfaccia si trova il corpo sfuso del semiconduttore.

Su un lato del gate c'è un terminale di ingresso, chiamato source; dall'altro c'è un'uscita (drain). Gli scienziati studiano le dinamiche del flusso di corrente modificando le tensioni di "polarizzazione" applicate a gate, source e drain, che influiscono sul modo in cui la corrente si muove.

I ricercatori del NIST e della Penn State si sono concentrati su una particolare regione che è tipicamente spessa solo circa 1 miliardesimo di metro e lunga un milionesimo di metro: il confine, o canale, tra il sottile strato di ossido e il corpo semiconduttore.

"Questo strato è estremamente importante perché l'effetto di a voltaggio sul metallo sovrastante l'ossido del transistor agisce per modificare quanti elettroni ci sono all'interno della regione di canale sotto l'ossido; questa regione controlla la resistenza del dispositivo dalla sorgente allo scarico", ha affermato Ashton. “Le prestazioni di questo strato dipendono da quanti difetti esistono. Il metodo di rilevamento che abbiamo studiato in precedenza non era in grado di determinare quanti difetti c'erano all'interno di questo livello".

Un metodo sensibile per rilevare i difetti nel canale è chiamato risonanza magnetica rilevata elettricamente (EDMR), che è simile in linea di principio alla risonanza magnetica medica. Particelle come protoni ed elettroni hanno una proprietà quantistica chiamata spin, che le fa agire come minuscole barre magnetiche con due poli magnetici opposti. Nell'EDMR, il transistor viene irradiato con microonde a una frequenza circa quattro volte superiore a quella di un forno a microonde. Gli sperimentatori applicano un campo magnetico al dispositivo e ne variano gradualmente la forza misurando la corrente di uscita.

Alla giusta combinazione di frequenza e intensità di campo, gli elettroni in corrispondenza dei difetti "flip", cioè invertono i loro poli. Questo fa sì che alcuni perdano abbastanza energia da ricombinarsi con buchi in corrispondenza di difetti nel canale, riducendo la corrente. L'attività del canale può essere difficile da misurare, tuttavia, a causa dell'elevato volume di "rumore" dalla ricombinazione nella massa del semiconduttore.

Per concentrarsi esclusivamente sull'attività nel canale, i ricercatori utilizzano una tecnica chiamata effetto di amplificazione bipolare (BAE), che si ottiene disponendo le tensioni di polarizzazione applicate a source, gate e drain in una configurazione particolare (vedi figura). "Quindi, a causa della polarizzazione che usiamo in BAE e poiché misuriamo i livelli di corrente al drain", ha detto Ashton, "possiamo eliminare le interferenze da altre cose che accadono nel transistor. Possiamo selezionare solo i difetti che ci interessano all'interno del canale".

L'esatto meccanismo con cui opera BAE non era noto fino a quando il team non ha sviluppato il suo modello. "Gli unici risultati delle misurazioni erano qualitativi, cioè potevano dire i tipi di difetti nel canale ma non il numero", ha detto Patrick Lenahan, un illustre professore di ingegneria e meccanica alla Penn State.

Prima del modello BAE, lo schema era utilizzato esclusivamente come risorsa per l'applicazione di tensioni e il controllo delle correnti per le misurazioni EDMR, utile per un'identificazione dei difetti più qualitativa. Il nuovo modello consente a BAE come strumento di misurare quantitativamente il numero di difetti e di farlo con solo correnti e tensioni. Il parametro di importanza è la densità dei difetti dell'interfaccia, che è un numero che descrive quanti difetti ci sono all'interno di un'area dell'interfaccia semiconduttore-ossido. Il modello BAE fornisce ai ricercatori una descrizione matematica di come la corrente BAE è correlata alla densità del difetto.

Il modello, che i ricercatori hanno testato in una serie di esperimenti di prova del concetto su transistor a semiconduttore in ossido di metallo, rende possibili misurazioni quantitative. "Ora possiamo spiegare la variazione nella distribuzione del vettore di carica in tutta la regione del canale", ha affermato Ashton. "Questo apre le possibilità di ciò che può essere misurato con una semplice misurazione elettrica."

"Questa tecnica può fornire una visione unica della presenza di questi difetti destabilizzanti dei transistor e un percorso verso la comprensione meccanicistica della loro formazione", ha affermato Markus Kuhn, ex presso Intel e ora direttore senior della metrologia dei semiconduttori e collega di Rigaku, che non era coinvolto in la ricerca. “Con tale conoscenza, ci sarebbero maggiori opportunità di controllarli e ridurli al fine di migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei transistor. Questa sarebbe un'opportunità per migliorare ulteriormente il design del circuito del chip e le prestazioni del dispositivo, portando a prodotti più performanti".

• I risultati di questa ricerca sono stati originariamente pubblicati il ​​6 ottobre nel Giornale di fisica applicata.