NIST desenvolve nova técnica para detectar Transistor defeitos

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Equipar (NIST) desenvolveram e testaram um método novo e altamente sensível de detecção e contagem de defeitos em transistores.

Defeitos podem limitar Transistor e o circuito desempenho e pode afetar a confiabilidade do produto e este novo processo chega em um momento crucial para o Semicondutores indústria à medida que procura desenvolver novos materiais para dispositivos de próxima geração.

O desempenho do transistor depende criticamente de quão confiável uma determinada quantidade de corrente fluirá. Defeitos no material do transistor, como regiões indesejadas de “impurezas” ou ligações químicas rompidas, interrompem e desestabilizam o fluxo e esses defeitos podem se manifestar imediatamente ou durante um período de tempo.

Ao longo de muitos anos, os cientistas encontraram inúmeras maneiras de classificar e minimizar esses efeitos, mas os defeitos estão se tornando mais difíceis de identificar à medida que as dimensões dos transistores se tornam menores e as velocidades de comutação aceleram. Para alguns promissores Semicondutor materiais em desenvolvimento – como carboneto de silício (SiC) em vez de silício (Si) sozinho para novos dispositivos de alta energia e alta temperatura – não existe uma maneira simples e direta de caracterizar defeitos em detalhes.

“O método que desenvolvemos funciona com Si e SiC tradicionais, permitindo-nos, pela primeira vez, identificar não apenas o tipo de defeito, mas também o número deles em um determinado espaço com uma medição DC simples”, disse James Ashton do NIST, que conduziu a pesquisa com colegas do NIST e da Pennsylvania State University. A pesquisa se concentra nas interações entre os dois tipos de portadores de carga elétrica em um transistor: elétrons com carga negativa e “buracos” com carga positiva, que são espaços onde falta um elétron na estrutura atômica local.

Quando um transistor está funcionando corretamente, uma corrente de elétron específica flui ao longo do caminho desejado. Se a corrente encontrar um defeito, os elétrons são presos ou deslocados e podem então se combinar com buracos para formar uma área eletricamente neutra em um processo conhecido como recombinação.

Cada recombinação remove um elétron da corrente. Múltiplos defeitos causam perdas de corrente que levam ao mau funcionamento. O objetivo é determinar onde estão os defeitos e sua quantidade.

“Queríamos fornecer aos fabricantes uma maneira de identificar e quantificar defeitos enquanto eles testam novos materiais diferentes”, disse Jason Ryan do NIST. “Fizemos isso criando um modelo físico de uma técnica de detecção de defeitos que tem sido amplamente usada, mas mal compreendida até agora. Em seguida, conduzimos experimentos de prova de princípio que confirmaram nosso modelo. ”

Em um projeto clássico de semicondutor de óxido de metal, um eletrodo de metal chamado de portão é colocado sobre uma fina camada isolante de dióxido de silício. Abaixo dessa interface está o corpo do semicondutor.

Em um lado da porta está um terminal de entrada, chamado de fonte; do outro, uma saída (dreno). Os cientistas investigam a dinâmica do fluxo de corrente alterando as tensões de “polarização” aplicadas à porta, fonte e dreno, todas afetando como a corrente se move.

Os pesquisadores do NIST e da Penn State se concentraram em uma região particular que normalmente tem apenas cerca de 1 bilionésimo de metro de espessura e um milionésimo de metro de comprimento: o limite, ou canal, entre a fina camada de óxido e o corpo semicondutor em massa.

“Esta camada é extremamente importante porque o efeito de um Voltagem no overtop de metal do óxido do transistor age para mudar quantos elétrons estão dentro da região do canal sob o óxido; esta região controla a resistência do dispositivo da fonte ao dreno ”, disse Ashton. “O desempenho desta camada depende de quantos defeitos existem. O método de detecção que investigamos anteriormente não foi capaz de determinar quantos defeitos estavam dentro desta camada. ”

Um método sensível para detectar defeitos no canal é chamado de ressonância magnética detectada eletricamente (EDMR), que é semelhante em princípio à ressonância magnética médica. Partículas como prótons e elétrons têm uma propriedade quântica chamada spin, que os faz agir como minúsculos ímãs em barra com dois pólos magnéticos opostos. No EDMR, o transistor é irradiado com microondas em uma frequência cerca de quatro vezes maior do que um forno de microondas. Os experimentadores aplicam um campo magnético ao dispositivo e variam gradualmente sua força enquanto medem a corrente de saída.

Exatamente na combinação certa de frequência e intensidade de campo, os elétrons nos defeitos “invertem”, ou seja, invertem seus pólos. Isso faz com que alguns percam energia suficiente para se recombinarem com orifícios nos defeitos do canal, reduzindo a corrente. A atividade do canal pode ser difícil de medir, no entanto, devido ao alto volume de “ruído” da recombinação na maior parte do semicondutor.

Para focar exclusivamente na atividade no canal, os pesquisadores usam uma técnica chamada efeito de amplificação bipolar (BAE), que é obtida organizando as tensões de polarização aplicadas à fonte, porta e dreno em uma configuração particular (veja a figura). “Portanto, por causa da polarização que usamos no BAE e porque medimos os níveis de corrente no dreno”, disse Ashton, “podemos eliminar a interferência de outras coisas que acontecem no transistor. Podemos selecionar apenas os defeitos com os quais nos preocupamos dentro do canal. ”

O mecanismo exato pelo qual o BAE opera não era conhecido até que a equipe desenvolveu seu modelo. “Os únicos resultados das medições foram qualitativos, ou seja, eles podiam dizer os tipos de defeitos no canal, mas não o número”, disse Patrick Lenahan, um distinto professor de ciência da engenharia e mecânica da Penn State.

Antes do modelo de BAE, o esquema era usado estritamente como recurso para aplicação de tensões e controle de correntes para medições de EDMR, o que é útil para uma identificação mais qualitativa de defeitos. O novo modelo permite que o BAE seja uma ferramenta para medir quantitativamente o número de defeitos e fazer isso apenas com correntes e tensões. O parâmetro de importância é a densidade do defeito da interface, que é um número que descreve quantos defeitos estão em alguma área da interface semicondutor-óxido. O modelo BAE fornece aos pesquisadores uma descrição matemática de como a corrente BAE está relacionada à densidade do defeito.

O modelo, que os pesquisadores testaram em um conjunto de experimentos de prova de conceito em transistores semicondutores de óxido metálico, possibilita medições quantitativas. “Agora podemos contabilizar a variação na distribuição da portadora de carga em toda a região do canal”, disse Ashton. “Isso abre as possibilidades do que pode ser medido com uma simples medição elétrica.”

"Esta técnica pode fornecer uma visão única sobre a presença desses defeitos desestabilizadores do transistor e um caminho para a compreensão mecanicista de sua formação", disse Markus Kuhn, ex-diretor da Intel e agora diretor sênior de metrologia de semicondutores e membro da Rigaku, que não estava envolvido em a pesquisa. “Com esse conhecimento, haveria maior oportunidade de controlá-los e reduzi-los a fim de melhorar o desempenho e a confiabilidade do transistor. Esta seria uma oportunidade para aprimorar ainda mais o design do circuito do chip e o desempenho do dispositivo, levando a produtos com melhor desempenho ”.

• Os resultados desta pesquisa foram publicados originalmente em 6 de outubro no Revista de Física Aplicada.