NIST tespit için yeni bir teknik geliştirdi Transistor kusurlar

Ulusal Standartlar Enstitüsü'ndeki araştırmacılar ve Teknoloji (NIST), transistörlerdeki kusurları tespit etmek ve saymak için yeni, son derece hassas bir yöntem tasarladı ve test etti.

Kusurlar sınırlayabilir Transistor ve devre performansını etkileyebilir ve ürün güvenilirliğini etkileyebilir ve bu yeni süreç, şirket için çok önemli bir zamanda geliyor. Yarıiletken Endüstri yeni nesil cihazlar için yeni malzemeler geliştirmeye çalışıyor.

Transistör performansı kritik olarak belirlenen miktarda akımın ne kadar güvenilir bir şekilde akacağına bağlıdır. Transistör malzemesindeki istenmeyen "kirlilik" bölgeleri veya kırık kimyasal bağlar gibi kusurlar akışı kesintiye uğratır ve istikrarsızlaştırır ve bu kusurlar kendilerini anında veya belirli bir süre içinde gösterebilir.

Uzun yıllar boyunca bilim insanları bu etkileri sınıflandırmak ve en aza indirmek için birçok yol buldu, ancak transistör boyutları küçüldükçe ve anahtarlama hızları arttıkça kusurların tespit edilmesi zorlaşıyor. Bazıları için umut verici yarıiletken Yeni yüksek enerjili, yüksek sıcaklıklı cihazlar için yalnızca silikon (Si) yerine silisyum karbür (SiC) gibi geliştirilmekte olan malzemeler, kusurları ayrıntılı olarak karakterize etmenin basit ve anlaşılır bir yolu olmamıştır.

Araştırmayı yürüten NIST'ten James Ashton şöyle konuştu: "Geliştirdiğimiz yöntem hem geleneksel Si hem de SiC ile çalışıyor ve ilk kez basit bir DC ölçümüyle yalnızca kusur türünü değil aynı zamanda belirli bir alandaki kusur sayısını belirlememize olanak tanıyor." NIST ve Pensilvanya Eyalet Üniversitesi'ndeki meslektaşlarıyla yapılan araştırma. Araştırma, bir transistördeki iki tür elektrik yükü taşıyıcısı arasındaki etkileşimlere odaklanıyor: negatif yüklü elektronlar ve yerel atom yapısında bir elektronun eksik olduğu boşluklar olan pozitif yüklü "delikler".

Bir transistör düzgün çalıştığında, belirli bir elektron akımı istenen yol boyunca akar. Akım bir kusurla karşılaşırsa, elektronlar sıkışıp kalır veya yer değiştirir ve rekombinasyon olarak bilinen bir süreçte elektriksel olarak nötr bir alan oluşturmak için deliklerle birleşebilir.

Her rekombinasyon akımdan bir elektronu uzaklaştırır. Çoklu kusurlar, arızaya neden olan akım kayıplarına neden olur. Amaç kusurların nerede olduğunu ve sayısını belirlemektir.

NIST'ten Jason Ryan, "Üreticilere, farklı yeni malzemeleri test ederken kusurları tanımlayıp ölçebilecekleri bir yol sağlamak istedik" dedi. "Bunu, şimdiye kadar yaygın olarak kullanılan ancak yeterince anlaşılmayan bir kusur tespit tekniğinin fizik modelini oluşturarak yaptık. Daha sonra modelimizi doğrulayan prensip kanıtı deneyleri yaptık."

Klasik bir metal oksit yarı iletken tasarımında, geçit adı verilen bir metal elektrot, ince bir yalıtkan silikon dioksit tabakasının üzerine yerleştirilir. Bu arayüzün altında yarı iletkenin büyük gövdesi bulunur.

Kapının bir tarafında kaynak adı verilen bir giriş terminali bulunur; diğer tarafta bir çıkış (drenaj) bulunur. Bilim adamları, hepsi akımın nasıl hareket ettiğini etkileyen, kapıya, kaynağa ve drenaja uygulanan "önyargı" voltajlarını değiştirerek akım akışının dinamiklerini araştırıyorlar.

NIST ve Penn State araştırmacıları, genellikle metrenin milyarda biri kalınlığında ve metrenin milyonda biri kadar olan belirli bir bölgeye odaklandılar: ince oksit tabakası ile toplu yarı iletken gövde arasındaki sınır veya kanal.

"Bu katman son derece önemlidir, çünkü bir Voltaj transistörün oksidinin metal tepesinde, oksidin altındaki kanal bölgesinde kaç elektronun bulunduğunu değiştirmeye etki eder; Bu bölge cihazın kaynaktan drenaja kadar olan direncini kontrol ediyor" dedi Ashton. "Bu katmanın performansı kaç kusurun mevcut olduğuna bağlıdır. Araştırdığımız tespit yöntemi daha önce bu katmanda kaç tane kusur olduğunu belirleyemiyordu."

Kanaldaki kusurları tespit etmeye yönelik hassas bir yönteme, prensip olarak tıbbi MRI'ya benzeyen, elektriksel olarak tespit edilen manyetik rezonans (EDMR) adı verilir. Protonlar ve elektronlar gibi parçacıklar, spin adı verilen bir kuantum özelliğine sahiptir; bu, onların iki zıt manyetik kutbu olan küçük çubuk mıknatıslar gibi davranmasını sağlar. EDMR'de transistör, mikrodalga fırından yaklaşık dört kat daha yüksek bir frekansta mikrodalgalarla ışınlanır. Deneyciler cihaza bir manyetik alan uygular ve çıkış akımını ölçerken gücünü kademeli olarak değiştirir.

Tam olarak doğru frekans ve alan kuvveti kombinasyonunda, kusurlu elektronlar “tersine döner”, yani kutuplarını tersine çevirir. Bu, bazılarının yeterince enerji kaybetmesine ve kanaldaki kusurlardaki deliklerle yeniden birleşerek akımın azalmasına neden olur. Bununla birlikte, yarı iletkenin büyük kısmında rekombinasyondan kaynaklanan yüksek hacimli "gürültü" nedeniyle kanal aktivitesini ölçmek zor olabilir.

Yalnızca kanaldaki aktiviteye odaklanmak için araştırmacılar, bipolar amplifikasyon etkisi (BAE) adı verilen ve kaynağa, kapıya ve drenaja uygulanan öngerilim voltajlarının belirli bir konfigürasyonda düzenlenmesiyle elde edilen bir teknik kullanır (şekle bakın). Ashton, "BAE'de kullandığımız önyargı nedeniyle ve drenajdaki mevcut seviyeleri ölçtüğümüz için" dedi ve "transistörde meydana gelen diğer şeylerden kaynaklanan paraziti ortadan kaldırabiliriz. Kanal içerisinde yalnızca önemsediğimiz kusurları seçebiliyoruz.”

BAE'nin çalıştığı kesin mekanizma, ekip modelini geliştirene kadar bilinmiyordu. Penn State'de mühendislik bilimi ve mekanik alanında seçkin bir profesör olan Patrick Lenahan, "Ölçüm sonuçları yalnızca nitelikseldi, yani kanaldaki kusur türlerini söyleyebildiler ancak sayısını söyleyemediler" dedi.

BAE modelinden önce şema, EDMR ölçümleri için gerilim uygulamak ve akımları kontrol etmek için kesinlikle bir kaynak olarak kullanılıyordu; bu, daha niteliksel bir kusur tanımlaması için faydalıdır. Yeni model, BAE'nin kusur sayısını niceliksel olarak ölçmesine ve bunu yalnızca akım ve gerilimlerle yapmasına olanak tanıyor. Önemli olan parametre, yarı iletken-oksit ara yüzünün belirli bir alanında kaç tane kusur olduğunu tanımlayan bir sayı olan arayüz kusur yoğunluğudur. BAE modeli, araştırmacılara BAE akımının kusur yoğunluğuyla nasıl ilişkili olduğuna dair matematiksel bir açıklama sağlar.

Araştırmacıların metal oksit yarı iletken transistörler üzerinde bir dizi kavram kanıtlama deneyinde test ettiği model, niceliksel ölçümleri mümkün kılıyor. Ashton, "Artık kanal bölgesi boyunca yük taşıyıcı dağılımındaki değişimi açıklayabiliriz" dedi. "Bu, basit bir elektriksel ölçümle neyin ölçülebileceğinin olanaklarını açıyor."

Eskiden Intel'de çalışan ve şu anda yarı iletken metroloji alanında kıdemli yönetici olan ve Rigaku'da araştırmacı olarak yer almayan Markus Kuhn, "Bu teknik, bu istikrarsızlaştırıcı transistör kusurlarının varlığına dair benzersiz bir anlayış sağlayabilir ve bunların oluşumunun mekanik olarak anlaşılmasına giden bir yol sağlayabilir" dedi. Araştırma. "Böyle bir bilgiyle, transistör performansını ve güvenilirliğini artırmak için bunları kontrol etme ve azaltma fırsatı daha fazla olacaktır. Bu, çip devresinin tasarımını ve cihaz performansını daha da geliştirerek daha iyi performans gösteren ürünlere yol açacak bir fırsat olacaktır."

• Bu araştırmanın sonuçları ilk olarak 6 Ekim'de yayınlandı. Uygulamalı Fizik Dergisi.