NIST phát triển kỹ thuật mới để phát hiện Transistor khiếm khuyết

Các nhà nghiên cứu tại Viện Tiêu chuẩn Quốc gia và Công nghệ (NIST) đã nghĩ ra và thử nghiệm một phương pháp mới có độ nhạy cao để phát hiện và đếm các khuyết tật trong bóng bán dẫn.

Những khiếm khuyết có thể hạn chế Transistor và mạch hiệu suất và có thể ảnh hưởng đến độ tin cậy của sản phẩm và quy trình mới này đến vào thời điểm quan trọng đối với Semiconductor ngành công nghiệp vì nó muốn phát triển các vật liệu mới cho các thiết bị thế hệ tiếp theo.

Hiệu suất của bóng bán dẫn phụ thuộc vào mức độ đáng tin cậy của một lượng dòng điện được chỉ định. Các khiếm khuyết trong vật liệu bóng bán dẫn, chẳng hạn như các vùng “tạp chất” không mong muốn hoặc các liên kết hóa học bị phá vỡ, làm gián đoạn và mất ổn định dòng chảy và những khiếm khuyết này có thể tự biểu hiện ngay lập tức hoặc trong một khoảng thời gian.

Trong nhiều năm, các nhà khoa học đã tìm ra nhiều cách để phân loại và giảm thiểu những tác động đó, nhưng các khiếm khuyết ngày càng khó xác định hơn khi kích thước bóng bán dẫn ngày càng nhỏ hơn và tốc độ chuyển mạch tăng lên. Đối với một số người đầy hứa hẹn bán dẫn các vật liệu đang trong quá trình phát triển - chẳng hạn như cacbua silic (SiC) thay vì chỉ silicon (Si) dành cho các thiết bị nhiệt độ cao, năng lượng cao mới - không có cách nào đơn giản và dễ hiểu để mô tả chi tiết các khuyết tật.

“Phương pháp chúng tôi phát triển hoạt động với cả Si và SiC truyền thống, cho phép chúng tôi lần đầu tiên xác định không chỉ loại khuyết tật mà còn số lượng chúng trong một không gian nhất định với một phép đo DC đơn giản,” James Ashton của NIST, người đã tiến hành cho biết nghiên cứu với các đồng nghiệp tại NIST và Đại học Bang Pennsylvania. Nghiên cứu tập trung vào sự tương tác giữa hai loại hạt tải điện trong một bóng bán dẫn: các electron mang điện tích âm và “lỗ trống” tích điện dương, là những không gian mà một electron bị thiếu trong cấu trúc nguyên tử cục bộ.

Khi một bóng bán dẫn hoạt động chính xác, một dòng điện tử cụ thể sẽ chạy dọc theo con đường mong muốn. Nếu dòng điện gặp khiếm khuyết, các điện tử bị giữ lại hoặc dịch chuyển, và sau đó có thể kết hợp với các lỗ trống để tạo thành vùng trung hòa về điện trong một quá trình được gọi là tái kết hợp.

Mỗi sự tái kết hợp loại bỏ một điện tử khỏi dòng điện. Nhiều khuyết tật gây ra tổn thất hiện tại dẫn đến sự cố. Mục đích là để xác định vị trí của các khuyết tật và số lượng của chúng.

Jason Ryan của NIST cho biết: “Chúng tôi muốn cung cấp cho các nhà sản xuất một cách để xác định và định lượng các khuyết tật khi họ đang thử nghiệm các vật liệu mới khác nhau. “Chúng tôi đã làm điều đó bằng cách tạo ra một mô hình vật lý của một kỹ thuật phát hiện khiếm khuyết đã được sử dụng rộng rãi nhưng vẫn chưa được hiểu rõ cho đến nay. Sau đó, chúng tôi đã tiến hành các thí nghiệm chứng minh nguyên tắc để xác nhận mô hình của chúng tôi. ”

Trong thiết kế bán dẫn oxit kim loại cổ điển, một điện cực kim loại được gọi là cổng được đặt trên đỉnh một lớp silicon dioxide cách điện mỏng. Bên dưới giao diện đó là phần thân lớn của chất bán dẫn.

Ở một bên của cổng là một thiết bị đầu cuối đầu vào, được gọi là nguồn; mặt khác là một đầu ra (cống). Các nhà khoa học nghiên cứu động lực của dòng điện bằng cách thay đổi điện áp "thiên vị" áp dụng cho cổng, nguồn và cống, tất cả đều ảnh hưởng đến cách dòng điện di chuyển.

Các nhà nghiên cứu của NIST và Penn State đã tập trung vào một vùng cụ thể thường chỉ dày khoảng 1 phần tỷ mét và dài một phần triệu mét: ranh giới, hoặc kênh, giữa lớp oxit mỏng và phần thân bán dẫn số lượng lớn.

“Lớp này cực kỳ quan trọng vì tác động của Vôn trên bề mặt kim loại của oxit của bóng bán dẫn có tác dụng thay đổi bao nhiêu điện tử trong vùng kênh dưới oxit; Ashton nói. “Hiệu suất của lớp này phụ thuộc vào số lượng khuyết tật tồn tại. Phương pháp phát hiện mà chúng tôi đã điều tra trước đây không thể xác định có bao nhiêu khuyết tật bên trong lớp này ”.

Một phương pháp nhạy cảm để phát hiện các khiếm khuyết trong kênh được gọi là cộng hưởng từ phát hiện điện (EDMR), về nguyên tắc tương tự như MRI y tế. Các hạt như proton và electron có một đặc tính lượng tử gọi là spin, khiến chúng hoạt động giống như nam châm thanh cực nhỏ với hai cực từ trái dấu. Trong EDMR, bóng bán dẫn được chiếu xạ bằng vi sóng với tần số cao hơn khoảng bốn lần so với lò vi sóng. Các nhà thí nghiệm áp dụng một từ trường vào thiết bị và thay đổi dần cường độ của nó trong khi đo dòng điện đầu ra.

Ở sự kết hợp chính xác giữa tần số và cường độ trường, các điện tử tại các khuyết tật “lật”, tức là đảo ngược các cực của chúng. Điều này làm cho một số mất đủ năng lượng mà chúng kết hợp lại với các lỗ tại các khuyết tật trong kênh, làm giảm dòng điện. Tuy nhiên, hoạt động của kênh có thể khó đo do khối lượng lớn của “nhiễu” từ sự tái kết hợp trong phần lớn chất bán dẫn.

Để tập trung hoàn toàn vào hoạt động trong kênh, các nhà nghiên cứu sử dụng một kỹ thuật gọi là hiệu ứng khuếch đại lưỡng cực (BAE), đạt được bằng cách sắp xếp các điện áp phân cực áp dụng cho nguồn, cổng và cống theo một cấu hình cụ thể (xem hình). Ashton nói: “Vì xu hướng mà chúng tôi sử dụng trong BAE và bởi vì chúng tôi đo mức dòng điện tại cống,” Ashton nói, “chúng tôi có thể loại bỏ sự can thiệp từ những thứ khác đang diễn ra trong bóng bán dẫn. Chúng tôi chỉ có thể chọn những khiếm khuyết mà chúng tôi quan tâm trong kênh. "

Cơ chế chính xác mà BAE hoạt động không được biết cho đến khi nhóm phát triển mô hình của nó. Patrick Lenahan, giáo sư khoa học kỹ thuật và cơ học tại Penn State cho biết: “Các kết quả đo lường duy nhất là định tính, tức là chúng có thể cho biết các loại khuyết tật trong kênh chứ không phải số lượng.

Trước khi có mô hình BAE, sơ đồ này được sử dụng nghiêm ngặt như một nguồn tài nguyên để áp dụng điện áp và điều khiển dòng điện cho các phép đo EDMR, điều này rất hữu ích cho việc xác định lỗi định tính hơn. Mô hình mới cho phép BAE như một công cụ để đo định lượng số lượng khuyết tật và làm như vậy chỉ với dòng điện và điện áp. Tham số quan trọng là mật độ khuyết tật giao diện, là một con số mô tả có bao nhiêu khuyết tật trong một số khu vực của giao diện oxit-bán dẫn. Mô hình BAE cung cấp cho các nhà nghiên cứu một mô tả toán học về cách dòng điện BAE liên quan đến mật độ khuyết tật.

Mô hình mà các nhà nghiên cứu đã thử nghiệm trong một tập hợp các thí nghiệm chứng minh khái niệm trên các bóng bán dẫn oxit kim loại, giúp cho các phép đo định lượng có thể thực hiện được. Ashton cho biết: “Bây giờ chúng tôi có thể tính đến sự khác biệt trong việc phân phối nhà cung cấp dịch vụ vận tải trên toàn khu vực kênh,” Ashton nói. “Điều này mở ra khả năng đo những gì có thể được đo bằng một phép đo điện đơn giản.”

Markus Kuhn, trước đây làm việc tại Intel và hiện là giám đốc cấp cao về đo lường bán dẫn và đồng nghiệp tại Rigaku, người không tham gia vào nghiên cứu. “Với kiến ​​thức như vậy, sẽ có nhiều cơ hội hơn để kiểm soát và giảm thiểu chúng nhằm cải thiện hiệu suất và độ tin cậy của bóng bán dẫn. Đây sẽ là cơ hội để nâng cao hơn nữa thiết kế của mạch chip và hiệu suất của thiết bị, dẫn đến các sản phẩm hoạt động tốt hơn. ”

• Kết quả của nghiên cứu này ban đầu được xuất bản vào ngày 6 tháng XNUMX trên Tạp chí Vật lý Ứng dụng.