NIST พัฒนาเทคนิคใหม่ในการตรวจจับ ทรานซิสเตอร์ ข้อบกพร่อง

นักวิจัยจากสถาบันมาตรฐานแห่งชาติและ เทคโนโลยี (NIST) ได้คิดค้นและทดสอบวิธีการใหม่ที่มีความไวสูงในการตรวจจับและนับข้อบกพร่องในทรานซิสเตอร์

ข้อบกพร่องสามารถ จำกัด ทรานซิสเตอร์ และ วงจรไฟฟ้า ประสิทธิภาพและอาจส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์ และกระบวนการใหม่นี้มาในช่วงเวลาที่สำคัญสำหรับ สารกึ่งตัวนำ อุตสาหกรรมที่กำลังพัฒนาวัสดุใหม่สำหรับอุปกรณ์ยุคหน้า

ประสิทธิภาพของทรานซิสเตอร์ขึ้นอยู่กับว่ากระแสที่กำหนดจะไหลได้อย่างน่าเชื่อถือเพียงใด ข้อบกพร่องในวัสดุทรานซิสเตอร์ เช่น บริเวณ "สิ่งเจือปน" ที่ไม่ต้องการหรือพันธะเคมีที่แตกหัก ขัดขวางและทำให้การไหลไม่เสถียร และข้อบกพร่องเหล่านี้สามารถปรากฏขึ้นทันทีหรือในช่วงระยะเวลาหนึ่ง

ในช่วงหลายปีที่ผ่านมา นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบวิธีการมากมายในการจำแนกและลดผลกระทบเหล่านั้นให้เหลือน้อยที่สุด แต่ข้อบกพร่องกลับกลายเป็นเรื่องยากที่จะระบุได้ เนื่องจากขนาดของทรานซิสเตอร์มีขนาดเล็กลงและความเร็วในการเปลี่ยนจะเร็วขึ้น สำหรับบางคนที่มีแนวโน้ม สารกึ่งตัวนำ วัสดุที่อยู่ระหว่างการพัฒนา เช่น ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) แทนซิลิคอน (Si) เพียงอย่างเดียวสำหรับอุปกรณ์พลังงานสูงและอุณหภูมิสูงชนิดใหม่ ไม่มีวิธีที่ง่ายและตรงไปตรงมาในการระบุลักษณะข้อบกพร่องโดยละเอียด

“วิธีที่เราพัฒนานั้นใช้ได้กับทั้ง Si และ SiC แบบดั้งเดิม ทำให้เราเป็นครั้งแรกในการระบุไม่เพียงแต่ประเภทของข้อบกพร่อง แต่ยังรวมถึงจำนวนข้อบกพร่องในพื้นที่ที่กำหนดด้วยการวัด DC อย่างง่าย” James Ashton จาก NIST ผู้ดำเนินการกล่าว การวิจัยกับเพื่อนร่วมงานที่ NIST และ Pennsylvania State University การวิจัยมุ่งเน้นไปที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวพาประจุไฟฟ้าทั้งสองชนิดในทรานซิสเตอร์: อิเล็กตรอนที่มีประจุลบและ "รู" ที่มีประจุบวกซึ่งเป็นช่องว่างที่อิเล็กตรอนหายไปจากโครงสร้างอะตอมในท้องถิ่น

เมื่อทรานซิสเตอร์ทำงานอย่างถูกต้อง กระแสอิเล็กตรอนจะไหลไปตามเส้นทางที่ต้องการ หากกระแสพบข้อบกพร่อง อิเล็กตรอนจะถูกดักจับหรือเคลื่อนย้าย และสามารถรวมเข้ากับรูเพื่อสร้างพื้นที่ที่เป็นกลางทางไฟฟ้าในกระบวนการที่เรียกว่าการรวมตัวใหม่

การรวมตัวใหม่แต่ละครั้งจะกำจัดอิเล็กตรอนออกจากกระแส ข้อบกพร่องหลายอย่างทำให้เกิดความสูญเสียในปัจจุบันซึ่งนำไปสู่การทำงานผิดพลาด เป้าหมายคือการกำหนดจุดบกพร่องและจำนวนข้อบกพร่อง

Jason Ryan จาก NIST กล่าวว่า "เราต้องการให้ผู้ผลิตมีวิธีระบุและวัดปริมาณข้อบกพร่องในขณะที่พวกเขากำลังทดสอบวัสดุใหม่ต่างๆ “เราทำได้โดยการสร้างแบบจำลองทางฟิสิกส์ของเทคนิคการตรวจจับข้อบกพร่องที่มีการใช้กันอย่างแพร่หลายแต่ยังไม่ค่อยเข้าใจจนถึงปัจจุบัน จากนั้นเราทำการทดลองพิสูจน์หลักการที่ยืนยันแบบจำลองของเรา”

ในการออกแบบเซมิคอนดักเตอร์โลหะออกไซด์แบบคลาสสิก อิเล็กโทรดโลหะที่เรียกว่าเกทจะวางอยู่บนชั้นฉนวนซิลิคอนไดออกไซด์แบบบาง ด้านล่างอินเทอร์เฟซนั้นเป็นส่วนสำคัญของเซมิคอนดักเตอร์

ด้านหนึ่งของเกทเป็นขั้วอินพุต เรียกว่าต้นทาง อีกด้านหนึ่งคือเอาต์พุต (ท่อระบายน้ำ) นักวิทยาศาสตร์ตรวจสอบพลวัตของกระแสไหลโดยการเปลี่ยนแรงดันไฟฟ้า "อคติ" ที่ใช้กับเกต แหล่งจ่าย และท่อระบายน้ำ ซึ่งทั้งหมดนี้ส่งผลต่อการเคลื่อนที่ของกระแสไฟฟ้า

นักวิจัยของ NIST และ Penn State มุ่งความสนใจไปที่ภูมิภาคใดภูมิภาคหนึ่งที่โดยทั่วไปแล้วจะมีความหนาเพียง 1 พันล้านเมตรและยาว XNUMX ในล้านของเมตรเท่านั้น นั่นคือ ขอบเขตหรือช่องระหว่างชั้นออกไซด์บางๆ กับตัวเซมิคอนดักเตอร์จำนวนมาก

“ชั้นนี้มีความสำคัญอย่างมากเพราะผลกระทบของa แรงดันไฟฟ้า บนโลหะเหนือออกไซด์ของทรานซิสเตอร์ทำหน้าที่เปลี่ยนจำนวนอิเล็กตรอนที่อยู่ในบริเวณช่องสัญญาณภายใต้ออกไซด์ ภูมิภาคนี้ควบคุมความต้านทานของอุปกรณ์จากแหล่งกำเนิดสู่การระบายน้ำ” แอชตันกล่าว “ประสิทธิภาพของเลเยอร์นี้ขึ้นอยู่กับจำนวนข้อบกพร่องที่มีอยู่ วิธีการตรวจจับที่เราตรวจสอบก่อนหน้านี้ไม่สามารถระบุจำนวนข้อบกพร่องที่อยู่ในเลเยอร์นี้ได้”

วิธีการหนึ่งที่ละเอียดอ่อนในการตรวจจับข้อบกพร่องในช่องนี้เรียกว่าคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ตรวจพบด้วยไฟฟ้า (EDMR) ซึ่งคล้ายกับหลักการของ MRI ทางการแพทย์ อนุภาคเช่นโปรตอนและอิเล็กตรอนมีคุณสมบัติควอนตัมที่เรียกว่าสปินซึ่งทำให้พวกมันทำหน้าที่เหมือนแท่งแม่เหล็กขนาดเล็กที่มีขั้วแม่เหล็กสองขั้วตรงข้ามกัน ใน EDMR ทรานซิสเตอร์จะถูกฉายรังสีด้วยไมโครเวฟที่ความถี่สูงกว่าเตาไมโครเวฟประมาณสี่เท่า ผู้ทดลองใช้สนามแม่เหล็กกับอุปกรณ์และค่อยๆ เปลี่ยนแปลงความแรงของสนามแม่เหล็กขณะวัดกระแสไฟขาออก

ด้วยการผสมผสานที่ลงตัวของความถี่และความแรงของสนามอิเล็กตรอนที่จุดบกพร่อง "พลิก" นั่นคือกลับขั้วของพวกมัน ทำให้บางส่วนสูญเสียพลังงานมากพอที่จะรวมเข้ากับรูที่จุดบกพร่องในช่อง ทำให้กระแสไฟลดลง กิจกรรมของช่องสัญญาณอาจวัดได้ยาก เนื่องจากมี "สัญญาณรบกวน" ในปริมาณมากจากการรวมตัวกันอีกครั้งในกลุ่มเซมิคอนดักเตอร์

นักวิจัยใช้เทคนิคที่เรียกว่า bipolar amplification effect (BAE) เพื่อมุ่งเน้นเฉพาะกิจกรรมในช่องสัญญาณ ซึ่งทำได้โดยการจัดแรงดันอคติที่ใช้กับแหล่งกำเนิด ประตู และท่อระบายน้ำในรูปแบบเฉพาะ (ดูรูป) Ashton กล่าวว่า "เนื่องจากความเอนเอียงที่เราใช้ใน BAE และเนื่องจากเราวัดระดับปัจจุบันที่ท่อระบายน้ำ" Ashton กล่าว "เราสามารถขจัดสัญญาณรบกวนจากสิ่งอื่น ๆ ที่เกิดขึ้นในทรานซิสเตอร์ได้ เราสามารถเลือกเฉพาะข้อบกพร่องที่เราใส่ใจภายในช่อง”

ไม่ทราบกลไกที่แน่นอนของการทำงานของ BAE จนกว่าทีมงานจะพัฒนาแบบจำลอง Patrick Lenahan ศาสตราจารย์ด้านวิศวกรรมศาสตร์และกลศาสตร์แห่ง Penn State กล่าวว่า "ผลการวัดเพียงอย่างเดียวนั้นมีคุณภาพ กล่าวคือ พวกเขาสามารถบอกชนิดของข้อบกพร่องในช่องได้ แต่ไม่ใช่จำนวน"

ก่อนหน้าแบบจำลองของ BAE โครงร่างถูกใช้เป็นแหล่งข้อมูลสำหรับการใช้แรงดันไฟฟ้าและกระแสควบคุมสำหรับการวัด EDMR อย่างเคร่งครัด ซึ่งเป็นประโยชน์สำหรับการระบุข้อบกพร่องในเชิงคุณภาพมากขึ้น รุ่นใหม่นี้ช่วยให้ BAE เป็นเครื่องมือในการวัดจำนวนข้อบกพร่องในเชิงปริมาณ และใช้กระแสและแรงดันไฟฟ้าเพียงอย่างเดียว พารามิเตอร์ที่สำคัญคือความหนาแน่นของข้อบกพร่องของอินเทอร์เฟซ ซึ่งเป็นตัวเลขที่อธิบายจำนวนข้อบกพร่องภายในพื้นที่บางส่วนของส่วนต่อประสานเซมิคอนดักเตอร์-ออกไซด์ แบบจำลอง BAE ให้คำอธิบายทางคณิตศาสตร์แก่นักวิจัยว่ากระแส BAE เกี่ยวข้องกับความหนาแน่นของข้อบกพร่องอย่างไร

แบบจำลองนี้ซึ่งนักวิจัยได้ทดสอบในชุดการทดลองพิสูจน์แนวคิดเกี่ยวกับทรานซิสเตอร์เซมิคอนดักเตอร์ของโลหะออกไซด์ ทำให้การวัดเชิงปริมาณเป็นไปได้ “ตอนนี้เราสามารถอธิบายความผันแปรในการกระจายตัวของผู้ให้บริการขนส่งทั่วทั้งภูมิภาคช่องทาง” แอชตันกล่าว "สิ่งนี้เปิดโอกาสของสิ่งที่สามารถวัดได้ด้วยการวัดทางไฟฟ้าอย่างง่าย"

Markus Kuhn ซึ่งเคยทำงานที่ Intel และปัจจุบันเป็นผู้อำนวยการอาวุโสด้านมาตรวิทยาเซมิคอนดักเตอร์และเพื่อนที่ Rigaku ซึ่งไม่ได้เกี่ยวข้อง วิจัย. “ด้วยความรู้ดังกล่าว จะมีโอกาสมากขึ้นในการควบคุมและลดพวกมัน เพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือของทรานซิสเตอร์ นี่จะเป็นโอกาสในการปรับปรุงการออกแบบวงจรชิปและประสิทธิภาพของอุปกรณ์ให้ดียิ่งขึ้น ซึ่งนำไปสู่ผลิตภัณฑ์ที่มีประสิทธิภาพดีขึ้น”

• ผลการวิจัยนี้เผยแพร่ครั้งแรกเมื่อวันที่ 6 ตุลาคมใน วารสารฟิสิกส์ประยุกต์.