NIST מפתחת טכניקה חדשה לאיתור טרנזיסטור פגמים

חוקרים במכון הלאומי לתקנים ו טכנולוגיה (NIST) המציאו ובדקו שיטה חדשה ורגישה ביותר לזיהוי וספירת פגמים בטרנזיסטורים.

פגמים יכולים להגביל טרנזיסטור ו מעגל הביצועים ויכולים להשפיע על אמינות המוצר והתהליך החדש הזה מגיע בזמן מכריע עבור סמיקונדקטור התעשייה כפי שהיא נראית לפיתוח חומרים חדשים למכשירי הדור הבא.

ביצועי הטרנזיסטור תלויים באופן קריטי בכמה מהימנות תזרום כמות ייעודית של זרם. פגמים בחומר הטרנזיסטור, כגון אזורי "טומאה" לא רצויים או קשרים כימיים שבורים, קוטעים ומערערים את הזרימה ופגמים אלה יכולים להתבטא באופן מיידי או לאורך זמן.

במשך שנים רבות, מדענים מצאו דרכים רבות לסווג ולמזער את ההשפעות הללו, אך ליקויים הופכים קשים יותר לזיהוי כאשר ממדי הטרנזיסטור הופכים קטנים יותר ומהירויות המעבר מואצות. לכמה מבטיחים סמיקונדקטור חומרים בפיתוח - כמו סיליקון קרביד (SiC) במקום סיליקון (Si) לבד עבור מכשירים חדשים בעלי אנרגיה גבוהה וטמפרטורה גבוהה - לא הייתה דרך פשוטה וברורה לאפיין פגמים בפירוט.

"השיטה שפיתחנו עובדת עם Si ו- SiC המסורתי, ומאפשרת לנו לראשונה לזהות לא רק את סוג הפגם, אלא את מספרם במרחב נתון בעזרת מדידת DC פשוטה", אמר ג'יימס אשטון של NIST, שערך המחקר עם עמיתים באוניברסיטת NIST ובאוניברסיטת פנסילבניה. המחקר מתמקד באינטראקציות בין שני סוגי נושאי המטען החשמלי בטרנזיסטור: אלקטרונים טעונים שלילית ו"חורים "טעונים חיוביים, שהם מרחבים שבהם חסר אלקטרון מהמבנה האטומי המקומי.

כאשר טרנזיסטור מתפקד כראוי, זרם אלקטרונים ספציפי זורם לאורך הנתיב הרצוי. אם הזרם נתקל בפגם, האלקטרונים נלכדים או נעקרים, ואז יכולים לשלב עם חורים ליצירת אזור ניטרלי חשמלי בתהליך המכונה רקומבינציה.

כל רקומבינציה מוציאה אלקטרון מהזרם. פגמים מרובים גורמים להפסדים שוטפים המובילים לתקלה. המטרה היא לקבוע היכן נמצאים הליקויים ומספרם.

"רצינו לספק ליצרנים דרך לזהות ולכמת ליקויים בזמן שהם בודקים חומרים חדשים שונים", אמר ג'ייסון ראיין, NIST. "עשינו זאת על ידי יצירת מודל פיזיקלי של טכניקת איתור פגמים שהייתה בשימוש נרחב אך עד כה לא מובנת. לאחר מכן ערכנו ניסויים הוכחת עקרונות שאישרו את המודל שלנו ".

בעיצוב מוליך למחצה תחמוצת מתכת קלאסי, אלקטרודת מתכת הנקראת השער מונחת על גבי שכבת סיליקון דו חמצנית מבודדת דקה. מתחת לממשק זה נמצא הגוף בתפזורת המוליך למחצה.

בצד אחד של השער נמצא מסוף קלט, הנקרא המקור; מצד שני פלט (ניקוז). מדענים חוקרים את הדינמיקה של זרימת הזרם על ידי שינוי המתחים "הטיה" המופעלים על השער, המקור והניקוז, כל אלה משפיעים על האופן שבו הזרם זז.

חוקרי NIST ופן סטייט התרכזו באזור מסוים שהוא בדרך כלל בעובי של כמיליארד מטר בלבד ואורכו מיליונית ממטר: הגבול, או התעלה, בין שכבת התחמוצת הדקה לגוף המוליכים למחצה בתפזורת.

"השכבה הזו חשובה מאוד מכיוון שההשפעה של א מתח על החלק העליון של המתכת של תחמוצת הטרנזיסטור פועל כדי לשנות כמה אלקטרונים נמצאים באזור הערוץ מתחת לתחמוצת; אזור זה שולט בהתנגדות המכשיר ממקור לניקוז ", אמר אשטון. "הביצועים של שכבה זו תלויים בכמה פגמים קיימים. שיטת הזיהוי שחקרנו לא הצליחה בעבר לקבוע כמה פגמים נמצאים בשכבה זו ".

אחת השיטות הרגישות לאיתור ליקויים בערוץ נקראת תהודה מגנטית (EDMR) המזוהה חשמלית, הדומה באופן עקרוני ל- MRI רפואי. לחלקיקים כגון פרוטונים ואלקטרונים יש תכונה קוונטית הנקראת ספין, מה שגורם להם לפעול כמו מגנטים זעירים בעלי שני קטבים מגנטיים מנוגדים. ב- EDMR, הטרנזיסטור מוקרן במיקרוגל בתדירות הגבוהה בערך פי ארבעה מתנור מיקרוגל. הנסיינים מיישמים שדה מגנטי על המכשיר ומשנים את עוצמתו בהדרגה תוך מדידת זרם הפלט.

בדיוק בשילוב התדר וחוזק השדה הנכון, האלקטרונים בפגמים "מתהפכים", כלומר הופכים את הקטבים שלהם. זה גורם לחלק לאבד מספיק אנרגיה כדי שהם יחברו מחדש עם חורים בפגמים בערוץ, ומפחיתים את הזרם. עם זאת, יכול להיות שקשה למדוד את פעילות הערוץ מכיוון שהנפח הגבוה של "רעש" כתוצאה מחילוף בחלק הארי של המוליך למחצה.

כדי להתמקד אך ורק בפעילות בערוץ, משתמשים החוקרים בטכניקה הנקראת אפקט הגברה דו קוטבית (BAE), אשר מושגת על ידי סידור מתחי ההטיה המופעלים על המקור, השער והניקוז בתצורה מסוימת (ראו איור). "אז בגלל ההטיה שבה אנו משתמשים ב- BAE ומכיוון שאנו מודדים את הרמות הנוכחיות בניקוז", אמר אשטון, "אנו יכולים לחסל הפרעות מדברים אחרים המתרחשים בטרנזיסטור. אנחנו יכולים לבחור רק פגמים שאכפת לנו מהם בתוך הערוץ ".

המנגנון המדויק שבו פועל BAE לא היה ידוע עד שהצוות פיתח את המודל שלו. "תוצאות המדידה היחידות היו איכותיות, כלומר, הן יכלו להבחין בסוג הפגמים בערוץ אך לא במספר", אמר פטריק לנהאן, פרופסור מכובד למדעי ההנדסה והמכניקה בפן סטייט.

לפני המודל של BAE, התוכנית שימשה אך ורק כמשאב ליישום מתח ושליטה בזרמים למדידות EDMR, דבר שימושי לזיהוי פגם איכותי יותר. המודל החדש מאפשר ל- BAE ככלי למדידה כמותית של מספר הפגמים ולעשות זאת רק בזרמים ומתחים. הפרמטר החשוב הוא צפיפות פגמי הממשק, שהוא מספר המתאר כמה פגמים נמצאים באזור כלשהו של ממשק המוליך למחצה-תחמוצת. מודל ה- BAE נותן לחוקרים תיאור מתמטי של האופן בו זרם ה- BAE קשור לצפיפות הפגם.

המודל, אותו בדקו החוקרים במערך ניסויי הוכחת קונספט על טרנזיסטורים מוליכים למחצה של תחמוצת מתכת, מאפשר מדידות כמותיות. "כעת אנו יכולים להסביר את השונות בהפצת נושאי החיוב בכל אזור הערוצים", אמר אשטון. "זה פותח את האפשרויות של מה שניתן למדוד בעזרת מדידה חשמלית פשוטה."

"טכניקה זו יכולה לספק תובנה ייחודית לנוכחותם של פגמי הטרנזיסטור היציבים הללו ודרך להבנה מכניסטית של היווצרותם", אמר מרקוס קון, לשעבר באינטל וכיום מנהל בכיר במטרולוגיה של מוליכים למחצה ועמית בריגאקו, שלא היה מעורב ב המחקר. "עם ידע כזה, תהיה יותר הזדמנות לשלוט בהם ולהקטין אותם על מנת לשפר את ביצועי האמינות והטרנזיסטור. זו תהיה הזדמנות לשפר עוד יותר את עיצוב מעגלי השבבים וביצועי המכשיר המובילים למוצרים בעלי ביצועים טובים יותר ".

• תוצאות מחקר זה פורסמו במקור ב- 6 באוקטובר ב כתב העת לפיסיקה יישומית.