NIST mengembangkan teknik baru untuk mengesan Transistor kecacatan

Penyelidik di Institut Piawaian Kebangsaan dan Teknologi (NIST) telah mencipta dan menguji kaedah baharu yang sangat sensitif untuk mengesan dan mengira kecacatan dalam transistor.

Kecacatan dapat menghadkan Transistor and litar prestasi dan boleh mempengaruhi kebolehpercayaan produk dan proses baru ini datang pada masa yang sangat penting untuk Semikonduktor industri kerana ingin mengembangkan bahan baru untuk peranti generasi akan datang.

Prestasi transistor secara kritikal bergantung pada sejauh mana jumlah arus yang ditentukan akan mengalir. Kecacatan pada bahan transistor, seperti kawasan "pengotor" yang tidak diingini atau ikatan kimia yang pecah, mengganggu dan menstabilkan aliran dan kecacatan ini dapat menampakkan diri dengan segera atau dalam jangka masa tertentu.

Selama bertahun-tahun, saintis telah menemui banyak cara untuk mengklasifikasikan dan meminimumkan kesan tersebut, tetapi kecacatan menjadi lebih sukar untuk dikenal pasti apabila dimensi transistor menjadi lebih kecil dan kelajuan pensuisan dipercepatkan. Untuk sesuatu yang menjanjikan semikonduktor bahan dalam pembangunan - seperti silikon karbida (SiC) dan bukannya silikon (Si) sahaja untuk peranti baru bertenaga tinggi, suhu tinggi - tidak ada cara yang mudah dan mudah untuk mencirikan kecacatan secara terperinci.

"Kaedah yang kami kembangkan berfungsi dengan Si tradisional dan SiC, yang memungkinkan kami untuk pertama kalinya untuk mengenal pasti bukan sahaja jenis kecacatan tetapi jumlahnya di ruang tertentu dengan pengukuran DC sederhana," kata James Ashton dari NIST, yang menjalankan penyelidikan dengan rakan sekerja di NIST dan Pennsylvania State University. Penyelidikan ini memfokuskan pada interaksi antara dua jenis pembawa cas elektrik dalam transistor: elektron bercas negatif dan "lubang" bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom tempatan.

Apabila transistor berfungsi dengan betul, arus elektron tertentu mengalir di sepanjang jalan yang dikehendaki. Sekiranya arus mengalami kecacatan, elektron terperangkap atau terlantar, dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk kawasan neutral elektrik dalam proses yang dikenali sebagai penggabungan semula.

Setiap penggabungan mengeluarkan elektron dari arus. Pelbagai kecacatan menyebabkan kerugian semasa yang menyebabkan kerosakan. Tujuannya adalah untuk menentukan di mana kecacatan dan jumlahnya.

"Kami ingin menyediakan pengeluar cara untuk mengenal pasti dan mengukur kecacatan kerana mereka menguji bahan baru yang berbeza," kata Jason Ryan dari NIST. "Kami melakukannya dengan membuat model fisika teknik pengesanan kecacatan yang telah banyak digunakan tetapi kurang dipahami hingga sekarang. Kami kemudian melakukan eksperimen bukti prinsip yang mengesahkan model kami. "

Dalam reka bentuk semikonduktor oksida logam klasik, elektrod logam yang disebut gerbang diletakkan di atas lapisan silikon dioksida penebat nipis. Di bawah antara muka itu terdapat sebahagian besar semikonduktor.

Di satu sisi gerbang adalah terminal input, yang disebut sumbernya; di sisi lain adalah output (longkang). Para saintis menyelidiki dinamika aliran arus dengan mengubah voltan "bias" yang berlaku pada pintu, sumber dan saluran, yang semuanya mempengaruhi bagaimana arus bergerak.

Penyelidik NIST dan Penn State memusatkan perhatian pada satu kawasan tertentu yang biasanya hanya setebal 1 bilion meter dan satu juta meter: sempadan, atau saluran, antara lapisan oksida nipis dan badan semikonduktor pukal.

"Lapisan ini sangat penting kerana kesan dari voltan pada bahagian atas logam oksida transistor bertindak mengubah berapa banyak elektron yang berada di dalam kawasan saluran di bawah oksida; wilayah ini mengawal rintangan peranti dari sumber ke saliran, ”kata Ashton. "Prestasi lapisan ini bergantung pada berapa banyak kecacatan yang ada. Kaedah pengesanan yang kami kaji sebelum ini tidak dapat menentukan berapa banyak kecacatan di lapisan ini. "

Salah satu kaedah sensitif untuk mengesan kecacatan pada saluran disebut resonans magnetik yang dikesan elektrik (EDMR), yang pada prinsipnya serupa dengan MRI perubatan. Partikel seperti proton dan elektron mempunyai sifat kuantum yang disebut spin, yang menjadikannya bertindak seperti magnet bar kecil dengan dua kutub magnet yang bertentangan. Dalam EDMR, transistor disinari dengan gelombang mikro pada frekuensi sekitar empat kali lebih tinggi daripada ketuhar gelombang mikro. Eksperimen menggunakan medan magnet ke peranti dan secara beransur-ansur mengubah kekuatannya sambil mengukur arus keluaran.

Pada kombinasi frekuensi dan kekuatan medan yang tepat, elektron pada kecacatan “flip”, iaitu, membalikkan kutubnya. Ini menyebabkan sebilangan tenaga kehilangan tenaga sehingga mereka bergabung semula dengan lubang pada kecacatan saluran, mengurangkan arus. Walau bagaimanapun, aktiviti saluran sukar diukur, kerana "kebisingan" yang tinggi dari pengumpulan semula dalam sebahagian besar semikonduktor.

Untuk memfokuskan secara eksklusif pada aktiviti di saluran, para penyelidik menggunakan teknik yang disebut efek penguat bipolar (BAE), yang dicapai dengan mengatur voltan bias yang diterapkan pada sumber, pintu dan saluran dalam konfigurasi tertentu (lihat gambar). "Oleh kerana bias yang kami gunakan di BAE dan kerana kami mengukur tahap arus di saluran pembuangan," kata Ashton, "kami dapat menghilangkan gangguan dari hal-hal lain yang terjadi dalam transistor. Kami boleh memilih hanya kecacatan yang kami sayangi dalam saluran. "

Mekanisme sebenar BAE beroperasi tidak diketahui sehingga pasukan mengembangkan modelnya. "Satu-satunya hasil pengukuran adalah kualitatif, yaitu, mereka dapat mengetahui jenis kecacatan pada saluran tetapi bukan jumlahnya," kata Patrick Lenahan, seorang profesor sains kejuruteraan dan mekanik terkemuka di Penn State.

Sebelum model BAE, skema ini digunakan dengan ketat sebagai sumber untuk menerapkan voltan dan mengawal arus untuk pengukuran EDMR, yang berguna untuk pengenalpastian kecacatan yang lebih kualitatif. Model baru membolehkan BAE sebagai alat untuk mengukur jumlah kecacatan secara kuantitatif dan melakukannya dengan hanya arus dan voltan. Parameter pentingnya adalah kepadatan kecacatan antara muka, yang merupakan bilangan yang menerangkan berapa banyak kecacatan dalam beberapa kawasan antara muka semikonduktor-oksida. Model BAE memberikan penerangan matematik kepada penyelidik mengenai bagaimana arus BAE berkaitan dengan kepadatan kecacatan.

Model, yang diuji oleh penyelidik dalam satu set eksperimen bukti konsep pada transistor semikonduktor oksida logam, memungkinkan pengukuran kuantitatif. "Sekarang kita dapat memperhitungkan variasi pengedaran pembawa caj di seluruh wilayah saluran," kata Ashton. "Ini membuka kemungkinan apa yang dapat diukur dengan pengukuran elektrik sederhana."

"Teknik ini dapat memberikan gambaran yang unik tentang adanya kecacatan transistor yang tidak stabil ini dan jalan menuju pemahaman mekanistik mengenai pembentukannya," kata Markus Kuhn, yang sebelumnya di Intel dan sekarang pengarah kanan metrologi semikonduktor dan rakan di Rigaku, yang tidak terlibat dalam penyelidikan. "Dengan pengetahuan seperti itu, akan ada peluang yang lebih besar untuk mengendalikan dan menguranginya untuk meningkatkan prestasi dan kebolehpercayaan transistor. Ini akan menjadi peluang untuk meningkatkan lagi reka bentuk litar cip dan prestasi peranti yang menghasilkan produk dengan prestasi lebih baik. "

• Hasil penyelidikan ini pada mulanya diterbitkan pada 6 Oktober di Jurnal Fizik Gunaan.