NISTは、検出のための新しい技術を開発しています トランジスタ 欠陥
米国国立標準研究所の研究者と テクノロジー (NIST) は、トランジスタの欠陥を検出およびカウントする新しい高感度の方法を考案し、テストしました。
欠陥は制限することができます トランジスタ & 回路 パフォーマンスと製品の信頼性に影響を与える可能性があり、この新しいプロセスは、 半導体 次世代デバイス用の新しい材料の開発を目指している業界。
トランジスタの性能は、指定された量の電流がどれだけ確実に流れるかに大きく依存します。 不要な「不純物」領域や化学結合の切断などのトランジスタ材料の欠陥は、流れを中断して不安定にし、これらの欠陥はすぐにまたは一定期間にわたって現れる可能性があります。
科学者たちは長年にわたり、これらの影響を分類して最小限に抑えるための数多くの方法を発見してきましたが、トランジスタの寸法が小さくなり、スイッチング速度が高速化するにつれて、欠陥を特定するのは難しくなってきています。 いくつかの有望な 半導体 新しい高エネルギー高温デバイス向けにシリコン (Si) 単独ではなく炭化シリコン (SiC) を使用するなど、開発中の材料では、欠陥を詳細に特徴付ける単純かつ直接的な方法がありませんでした。
「私たちが開発した方法は、従来のSiとSiCの両方で機能し、簡単なDC測定で欠陥のタイプだけでなく特定の空間内の欠陥の数を初めて特定することができます」とNISTのJamesAshton氏は述べています。 NISTとペンシルバニア州立大学の同僚との研究。 この研究は、トランジスタ内のXNUMX種類の電荷キャリア間の相互作用に焦点を当てています。負に帯電した電子と正に帯電した「ホール」です。これらは、局所的な原子構造から電子が欠落している空間です。
トランジスタが正しく機能している場合、特定の電子電流が目的の経路に沿って流れます。 電流に欠陥が発生すると、電子はトラップまたは変位し、正孔と結合して、再結合と呼ばれるプロセスで電気的に中性の領域を形成します。
再結合のたびに、電流から電子が除去されます。 複数の欠陥は、誤動作につながる電流損失を引き起こします。 目標は、欠陥の場所とその数を特定することです。
「さまざまな新素材をテストしているときに、欠陥を特定して定量化する方法をメーカーに提供したかったのです」とNISTのJasonRyan氏は述べています。 「私たちは、広く使用されているが今までほとんど理解されていなかった欠陥検出技術の物理モデルを作成することによってそれを行いました。 次に、モデルを確認する原理実証実験を実施しました。」
古典的な金属酸化物半導体の設計では、ゲートと呼ばれる金属電極が薄い絶縁二酸化ケイ素層の上に配置されます。 そのインターフェースの下には、半導体のバルクボディがあります。
ゲートの片側には、ソースと呼ばれる入力端子があります。 もうXNUMXつは出力（ドレイン）です。 科学者は、ゲート、ソース、ドレインに印加される「バイアス」電圧を変更することにより、電流の流れのダイナミクスを調査します。これらはすべて、電流の移動方法に影響を与えます。
NISTとペンシルベニア州立大学の研究者は、通常、厚さが約1億分のXNUMXメートル、長さがXNUMX万分のXNUMXメートルの特定の領域、つまり薄い酸化物層とバルク半導体本体の間の境界またはチャネルに集中しました。
「このレイヤーは非常に重要です。 電圧 トランジスタの酸化物の上の金属上で、酸化物の下のチャネル領域内にある電子の数を変更するように機能します。 この領域は、ソースからドレインまでのデバイスの抵抗を制御します」とアシュトン氏は述べています。 「このレイヤーのパフォーマンスは、存在する欠陥の数に依存します。 以前に調査した検出方法では、このレイヤー内にある欠陥の数を特定できませんでした。」
チャネルの欠陥を検出するための高感度な方法のXNUMXつは、電気的検出磁気共鳴（EDMR）と呼ばれ、原理的には医療用MRIと同様です。 陽子や電子などの粒子は、スピンと呼ばれる量子特性を持っているため、XNUMXつの反対の磁極を持つ小さな棒磁石のように機能します。 EDMRでは、トランジスタに電子レンジの約XNUMX倍の周波数のマイクロ波が照射されます。 実験者はデバイスに磁場をかけ、出力電流を測定しながらその強度を徐々に変化させます。
周波数と電界強度の正確に正しい組み合わせで、欠陥のある電子は「反転」します。つまり、極を反転させます。 これにより、一部のエネルギーが失われ、チャネルの欠陥で穴と再結合して、電流が減少します。 ただし、半導体の大部分での再結合による大量の「ノイズ」のため、チャネルアクティビティを測定するのは難しい場合があります。
チャネル内のアクティビティにのみ焦点を当てるために、研究者はバイポーラ増幅効果（BAE）と呼ばれる手法を使用します。これは、ソース、ゲート、およびドレインに印加されるバイアス電圧を特定の構成に配置することによって実現されます（図を参照）。 「したがって、BAEで使用するバイアスと、ドレインでの電流レベルを測定するため、トランジスタで発生している他のことによる干渉を排除できます。 チャネル内で気になる欠陥だけを選択できます。」
チームがモデルを開発するまで、BAEが動作する正確なメカニズムはわかりませんでした。 「唯一の測定結果は定性的でした。つまり、チャネルの欠陥の種類はわかりましたが、数はわかりませんでした」と、ペンシルバニア州立大学の工学科学および力学の著名な教授であるPatrickLenahanは述べています。
BAEのモデルの前は、このスキームは、EDMR測定の電圧を印加し、電流を制御するためのリソースとして厳密に使用されていました。これは、より定性的な欠陥の識別に役立ちます。 新しいモデルにより、BAEは欠陥の数を定量的に測定し、電流と電圧だけで測定することができます。 重要なパラメータは、界面欠陥密度です。これは、半導体-酸化物界面の特定の領域内にある欠陥の数を表す数値です。 BAEモデルは、BAE電流が欠陥密度にどのように関連しているかを数学的に説明します。
研究者が金属酸化物半導体トランジスタの一連の概念実証実験でテストしたモデルは、定量的な測定を可能にします。 「これで、チャネル領域全体の電荷キャリア分布の変動を説明できます」とアシュトン氏は述べています。 「これにより、簡単な電気測定で測定できる可能性が広がります。」
「この技術は、これらの不安定化するトランジスタの欠陥の存在に対する独自の洞察と、それらの形成の機構的理解への道を提供することができます」と、元インテルで現在半導体計測のシニアディレクターであり、リガクのフェローであるマーカス・クーンは述べています。リサーチ。 「そのような知識があれば、トランジスタの性能と信頼性を向上させるために、それらを制御および削減する機会が増えるでしょう。 これは、チップ回路の設計とデバイスのパフォーマンスをさらに強化して、製品のパフォーマンスを向上させる機会となるでしょう。」
- この調査の結果は、もともと6月XNUMX日に 応用物理学ジャーナル。