NIST разрабатывает новую технику обнаружения Транзистор дефекты

Исследователи из Национального института стандартов и Технологии (NIST) разработали и протестировали новый высокочувствительный метод обнаружения и подсчета дефектов транзисторов.

Дефекты могут ограничить Транзистор и схема производительность и может повлиять на надежность продукта, и этот новый процесс происходит в решающий момент для Полупроводниковое промышленность, поскольку она стремится разработать новые материалы для устройств следующего поколения.

Производительность транзистора критически зависит от того, насколько надежно будет протекать заданная величина тока. Дефекты в материале транзистора, такие как нежелательные «примесные» области или разорванные химические связи, прерывают и дестабилизируют поток, и эти дефекты могут проявляться немедленно или в течение определенного периода времени.

За многие годы ученые нашли множество способов классифицировать и минимизировать эти эффекты, но дефекты становится все труднее выявлять, поскольку размеры транзисторов становятся меньше, а скорость переключения увеличивается. Для некоторых перспективных полупроводник В разрабатываемых материалах, таких как карбид кремния (SiC) вместо одного кремния (Si) для новых высокоэнергетических и высокотемпературных устройств, не существует простого и понятного способа подробной характеристики дефектов.

«Разработанный нами метод работает как с традиционным Si, так и с SiC, что позволяет нам впервые определить не только тип дефекта, но и их количество в заданном пространстве с помощью простого измерения постоянного тока», - сказал Джеймс Эштон из NIST, проводивший исследование. исследование с коллегами из NIST и Государственного университета Пенсильвании. Исследование сосредоточено на взаимодействии между двумя видами носителей электрического заряда в транзисторе: отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными «дырками», то есть пространствами, в которых электрон отсутствует в локальной структуре атома.

Когда транзистор работает правильно, определенный электронный ток течет по желаемому пути. Если ток встречает дефект, электроны захватываются или смещаются, а затем могут объединяться с дырками, образуя электрически нейтральную область в процессе, известном как рекомбинация.

Каждая рекомбинация удаляет электрон из тока. Множественные дефекты вызывают потери тока, которые приводят к неисправности. Цель - определить, где находятся дефекты и их количество.

«Мы хотели предоставить производителям способ выявления и количественной оценки дефектов при тестировании различных новых материалов», - сказал Джейсон Райан из NIST. «Мы сделали это, создав физическую модель метода обнаружения дефектов, который широко использовался, но до сих пор плохо изучен. Затем мы провели экспериментальные эксперименты, которые подтвердили нашу модель ».

В классической конструкции металлооксидного полупроводника металлический электрод, называемый затвором, помещается поверх тонкого изолирующего слоя диоксида кремния. Ниже этого интерфейса находится основная часть полупроводника.

С одной стороны ворот находится входной терминал, называемый источником; с другой - выход (сток). Ученые исследуют динамику протекания тока, изменяя напряжения «смещения», приложенные к затвору, истоку и стоку, и все это влияет на то, как движется ток.

Исследователи из NIST и Penn State сконцентрировались на одной конкретной области, которая обычно составляет всего около 1 миллиардной метра в толщину и миллионную часть метра в длину: граница или канал между тонким оксидным слоем и массивным полупроводниковым телом.

«Этот слой очень важен, потому что эффект напряжение на металлической поверхности оксида транзистора действует, чтобы изменить количество электронов в области канала под оксидом; эта область контролирует сопротивление устройства от истока до стока », - сказал Эштон. «Эффективность этого слоя зависит от количества дефектов. Метод обнаружения, который мы исследовали, ранее не мог определить, сколько дефектов было в этом слое ».

Один из чувствительных методов обнаружения дефектов в канале называется электрически детектируемым магнитным резонансом (EDMR), который в принципе аналогичен медицинской МРТ. Частицы, такие как протоны и электроны, обладают квантовым свойством, называемым спином, которое заставляет их действовать как крошечные стержневые магниты с двумя противоположными магнитными полюсами. В EDMR транзистор облучается микроволнами с частотой примерно в четыре раза выше, чем микроволновая печь. Экспериментаторы прикладывают к устройству магнитное поле и постепенно меняют его силу, измеряя выходной ток.

При правильном сочетании частоты и напряженности поля электроны на дефектах «переворачиваются», то есть меняют свои полюса. Это приводит к тому, что некоторые теряют достаточно энергии, чтобы рекомбинировать с дырками на дефектах в канале, уменьшая ток. Однако активность канала может быть трудно измерить из-за большого объема «шума» от рекомбинации в основной части полупроводника.

Чтобы сосредоточиться исключительно на активности в канале, исследователи используют метод, называемый эффектом биполярного усиления (BAE), который достигается за счет настройки напряжений смещения, приложенных к истоку, затвору и стоку, в определенной конфигурации (см. Рисунок). «Таким образом, благодаря смещению, которое мы используем в BAE, и поскольку мы измеряем уровни тока на стоке, - сказал Эштон, - мы можем устранить помехи от других вещей, происходящих в транзисторе. Мы можем выбрать только те дефекты, которые нам небезразличны в рамках канала ».

Точный механизм работы BAE не был известен, пока команда не разработала свою модель. «Единственные результаты измерений были качественными, то есть они могли определить типы дефектов в канале, но не их количество», - сказал Патрик Ленахан, выдающийся профессор инженерных наук и механики в Пенсильвании.

До появления модели BAE схема использовалась строго как ресурс для приложения напряжений и управляющих токов для измерений EDMR, что полезно для более качественной идентификации дефектов. Новая модель позволяет BAE в качестве инструмента количественно измерить количество дефектов, используя только токи и напряжения. Важным параметром является плотность дефектов на границе раздела, которая представляет собой число, которое описывает, сколько дефектов находится в некоторой области границы раздела полупроводник-оксид. Модель BAE дает исследователям математическое описание того, как ток BAE связан с плотностью дефектов.

Модель, которую исследователи проверили в серии экспериментальных экспериментов на металлооксидных полупроводниковых транзисторах, делает возможными количественные измерения. «Теперь мы можем учесть различия в распределении носителей заряда по всей области канала», - сказал Эштон. «Это открывает возможности того, что можно измерить с помощью простого электрического измерения».

«Этот метод может обеспечить уникальное понимание наличия этих дестабилизирующих дефектов транзисторов и путь к механистическому пониманию их образования», - сказал Маркус Кун, ранее работавший в Intel, а теперь старший директор по метрологии полупроводников и научный сотрудник Rigaku, который не принимал участия в исследовании. исследование. «С такими знаниями появилось бы больше возможностей контролировать и уменьшать их, чтобы улучшить характеристики и надежность транзисторов. Это будет возможностью для дальнейшего улучшения конструкции микросхем и характеристик устройства, что приведет к более производительным продуктам ».

• Результаты этого исследования были первоначально опубликованы 6 октября в Журнал прикладной физики.