Новый чувствительный способ обнаружения дефектов транзисторов

Исследователи из Национального института стандартов и технологий (NIST) и их сотрудники разработали и испытали высокочувствительный метод обнаружения и подсчета дефектов в транзисторах — вопрос, вызывающий неотложную озабоченность в полупроводниковой промышленности, поскольку она разрабатывает новые материалы для устройств следующего поколения. Эти дефекты ограничивают работу транзисторов и схем и могут повлиять на надежность продукта.

Типичный транзистор для цифрового использования в основном является переключателем. Когда он включен, ток течет с одной стороны полупроводника на другую; его выключение останавливает ток. Эти действия создают двоичные единицы и нули цифровой информации.

Производительность транзистора критически зависит от того, насколько надежно будет протекать заданная величина тока. Дефекты материала транзистора, такие как нежелательные «загрязненные» участки или разорванные химические связи, прерывают и дестабилизируют поток. Эти дефекты могут проявляться сразу или через некоторое время во время работы устройства. И за многие годы ученые нашли множество способов классифицировать и свести к минимуму эти эффекты.

Но дефекты становится труднее идентифицировать, поскольку размеры транзисторов становятся почти невообразимо малыми, а скорости переключения очень высокими. Для некоторых разрабатываемых многообещающих полупроводниковых материалов, таких как карбид кремния (SiC) вместо одного только кремния (Si) для новых высокоэнергетических и высокотемпературных устройств, не существует простого и прямого способа подробно охарактеризовать дефекты.

«Разработанный нами метод работает как с традиционным Si, так и с SiC, позволяя 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, который провел исследование. исследование с коллегами из NIST и Университета штата Пенсильвания. Основное внимание в исследовании уделяется взаимодействию между двумя типами носителей электрического заряда в транзисторе:отрицательно заряженными электронами и положительно заряженными «дырками», представляющими собой пространства, в которых отсутствует электрон в локальной структуре атома.

Когда транзистор работает правильно, определенный электронный ток течет по нужному пути. Если ток сталкивается с дефектом, 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 состоит в том, чтобы определить, где находятся дефекты, каковы их конкретные последствия и, в идеале, их количество.

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

В классическом дизайне металл-оксид-полупроводник (МОП) металлический электрод, называемый затвором, помещается поверх тонкого изолирующего слоя диоксида кремния. Ниже этого интерфейса находится объемное тело полупроводника. С одной стороны ворот находится входной терминал, называемый истоком; с другой - выход (слив). Ученые исследуют динамику протекания тока, изменяя напряжения смещения, подаваемые на затвор, исток и сток, и все они влияют на движение тока.

В этой новой работе исследователи сосредоточились на одной конкретной области, которая обычно имеет толщину всего около 1 миллиардной доли метра и длину в миллионную долю метра:границу или канал между тонким слоем оксида и объемным телом полупроводника.

«Этот слой чрезвычайно важен, потому что воздействие напряжения на металл поверх оксида транзистора влияет на изменение количества электронов в области канала под оксидом; эта область контролирует сопротивление устройства от истока до стока», — сказал Эштон. «Производительность этого слоя зависит от количества существующих дефектов. Исследованный нами метод обнаружения ранее не позволял определить количество дефектов в этом слое».

Один из чувствительных методов обнаружения дефектов в канале называется магнитно-резонансным методом с обнаружением электрического тока (EDMR), который в принципе аналогичен медицинской МРТ. Частицы, такие как протоны и электроны, обладают квантовым свойством, называемым вращением, благодаря которому они действуют как крошечные стержневые магниты с двумя противоположными магнитными полюсами.

В EDMR транзистор облучается микроволнами. К устройству прикладывается магнитное поле, его напряженность постепенно изменяется, при этом измеряется выходной ток. При правильном сочетании частоты и напряженности поля электроны на дефектах «переворачиваются» — меняют свои полюса. Это приводит к тому, что некоторые из них теряют достаточно энергии, чтобы рекомбинировать с дырками на дефектах в канале, уменьшая ток. Однако активность канала трудно измерить из-за большого количества шума от рекомбинации в объеме полупроводника.

Чтобы сосредоточиться исключительно на активности в канале, исследователи используют метод, называемый эффектом биполярного усиления (BAE), который достигается за счет расположения напряжений смещения, приложенных к истоку, затвору и стоку, в определенной конфигурации, предназначенной для устранения помех от других вещей. происходит в транзисторе.

BAE использовался строго как ресурс для приложения напряжений и управляющих токов для измерений EDMR, что полезно для более качественной идентификации дефектов. Новая модель позволяет BAE как инструменту количественно измерять количество дефектов и делать это только с токами и напряжениями. Важным параметром является плотность дефектов интерфейса, которая представляет собой число, описывающее, сколько дефектов находится в некоторой области интерфейса полупроводник-оксид. Модель BAE дает исследователям математическое описание того, как ток BAE связан с плотностью дефектов.

Модель, которую исследователи протестировали в серии экспериментальных экспериментов с металл-оксид-полупроводниковыми транзисторами, делает возможными количественные измерения. «Теперь мы можем учесть изменения в распределении носителей заряда по всей области канала», — сказал Эштон. «Это открывает возможности измерения того, что можно измерить простым электрическим измерением».

«Этот метод может дать уникальное представление о наличии этих дестабилизирующих транзисторных дефектов и путь к механистическому пониманию их образования», — сказал Маркус Кун, ранее работавший в Intel, а ныне старший директор по метрологии полупроводников и научный сотрудник Rigaku, который не участвовал в исследованиях. исследование. «С такими знаниями было бы больше возможностей контролировать и уменьшать их, чтобы улучшить производительность и надежность транзисторов. Это даст возможность еще больше улучшить конструкцию схемы микросхемы и производительность устройства, что приведет к повышению производительности продуктов».