Чувствительный метод обнаружения дефектов транзисторов

Исследователи разработали и испытали высокочувствительный метод обнаружения и подсчета дефектов в транзисторах — вопрос, вызывающий неотложную заботу 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 в большинстве случаев представляет собой переключатель. Когда он включен, ток течет с одной стороны полупроводника на другую; его выключение останавливает ток. Эти действия соответственно 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 со временем во время работы устройства.

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.

Новый метод работает как с традиционным Si, так и с SiC, позволяя исследователям определять не только тип дефекта, но и их количество в заданном пространстве с измерением постоянного тока. 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.

В новой работе исследователи сосредоточились на одной 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. Чтобы сосредоточиться исключительно на активности в канале, исследователи используют метод, называемый эффектом биполярного усиления (BAE), который достигается за счет расположения напряжений смещения, подаваемых на исток, затвор и сток, в определенной конфигурации.

Точный механизм, с помощью которого работает BAE, не был известен до тех пор, пока команда не разработала свою модель. До модели БАЭ схема использовалась строго как ресурс подачи напряжений и управляющих токов для измерений ЭДМР, что полезно для более качественной идентификации дефектов. Новая модель позволяет использовать BAE в качестве инструмента для количественного измерения количества дефектов, используя только токи и напряжения.

Модель, которую исследователи протестировали в серии экспериментальных экспериментов с металл-оксид-полупроводниковыми транзисторами, делает возможными количественные измерения. Этот метод может дать представление о наличии дестабилизирующих дефектов транзистора и путь к механистическому пониманию их образования. Обладая такими знаниями, было бы больше возможностей контролировать и уменьшать их, чтобы улучшить производительность и надежность транзисторов.