Продвинутый метод обнаруживает дефекты транзисторов с беспрецедентной чувствительностью

Исследователи Национального института стандартов и технологий (NIST) и сотрудники разработали и протестировали высокочувствительный метод обнаружения и подсчёта дефектов в транзисторах — вопрос срочной заботы для полупроводниковой промышленности, разрабатывающей новые материалы для устройств следующего поколения. Эти дефекты ограничивают производительность транзисторов и схем и могут влиять на надёжность продукта.

Типичный транзистор для цифровых применений — по сути, переключатель. Когда он включён, ток течёт от одной стороны полупроводника к другой; выключение его останавливает ток. Эти действия создают бинарные 1 и 0 цифровой информации.

Производительность транзистора критически зависит от того, насколько надёжно будет течь определённое количество тока. Дефекты в материале транзистора, такие как нежелательные области «примесей» или сломанные химические связи, прерывают и дестабилизируют поток. Эти дефекты могут проявляться немедленно или за период времени, пока устройство работает. И на протяжении многих лет учёные нашли множество способов классифицировать и минимизировать эти эффекты.

Но дефекты становятся труднее для идентификации, по мере того как размеры транзисторов становятся почти невообразимо малыми, а скорости переключения очень высокими. Для некоторых перспективных полупроводниковых материалов в разработке — таких как карбид кремния (SiC) вместо кремния (Si) в одиночестве для новых высокоэнергетических, высокотемпературных устройств — не было простого и прямого способа детально характеризовать дефекты.

«Метод, который мы разработали, работает как с традиционным Si, так и с SiC, позволяя нам впервые идентифицировать не только тип дефекта, но и их количество в данном пространстве простым DC измерением», — сказал Джеймс Аштон из NIST, проведший исследование с коллегами в NIST и Пенсильванском государственном университете. Исследование фокусируется на взаимодействиях между двумя видами зарядовых носителей в транзисторе: негативно заряженных электронах и положительно заряженных «дырках», которые являются пространствами, где электрон отсутствует в локальной атомной структуре.

Когда транзистор функционирует правильно, специфический электронный ток течёт вдоль желаемого пути. Если ток встречает дефект, электроны захватываются или смещаются, и могут затем комбинироваться с дырками для формирования электрически нейтральной области в процессе, известном как рекомбинация.

Каждая рекомбинация удаляет электрон из тока. Множественные дефекты вызывают потери тока, ведущие к неисправности. Цель — определить, где дефекты, их специфические эффекты и — идеально — их количество.

«Мы хотели дать производителям способ идентифицировать и количественно оценивать дефекты, пока они тестируют разные новые материалы», — сказал соавтор из NIST Джейсон Райан. «Мы сделали это, создав физическую модель техники обнаружения дефектов, которая широко использовалась, но плохо понималась до сих пор. Затем мы провели доказательства-принципа эксперименты, подтвердившие нашу модель».

В классическом металл-оксид-полупроводнике (MOS) дизайне, металлический электрод, называемый затвором, помещается на тонкий изолирующий слой диоксида кремния. Под этим интерфейсом находится объёмное тело полупроводника. С одной стороны затвора — входной терминал, называемый источником; с другой — выходной (сток). Учёные исследуют динамику потока тока, меняя смещающие напряжения, приложенные к затвору, источнику и стоку, все которые влияют на то, как ток движется.

В этой новой работе исследователи сконцентрировались на одной конкретной области, которая обычно составляет лишь около 1 миллиардной части метра толщиной и миллионную часть метра длины: границу, или канал, между тонким оксидным слоём и объёмным телом полупроводника.

«Этот слой невероятно важен, потому что эффект напряжения на металле поверх оксида транзистора действует так, чтобы изменить, сколько электронов находится в канальной области под оксидом; эта область контролирует сопротивление устройства от источника к стоку», — сказал Аштон. «Производительность этого слоя зависит от того, сколько дефектов существует. Метод обнаружения, который мы исследовали, ранее был неспособен определить, сколько дефектов было в этом слое».

Один чувствительный метод обнаружения дефектов в канале называется электрически обнаруженным магнитным резонансом (EDMR), который по принципу похож на медицинское МРТ. Частицы, такие как протоны и электроны, имеют квантовое свойство, называемое спином, которое заставляет их действовать как крошечные магниты с двумя противоположными магнитными полюсами.

В EDMR транзистор облучается микроволнами. Магнитное поле применяется к устройству и его сила постепенно варьируется, пока измеряется выходной ток. В точной комбинации частоты и силы поля электроны на дефектах «переворачиваются» — меняют свои полюса. Это заставляет некоторые из них потерять достаточно энергии, чтобы они рекомбинировали с дырками на дефектах в канале, уменьшая ток. Активность канала может быть трудно измерить, однако, из-за большого количества шума от рекомбинации в объёме полупроводника.

Чтобы фокусироваться исключительно на активности в канале, исследователи используют технику, называемую биполярным эффектом усиления (BAE), которая достигается расположением смещающих напряжений, приложенных к источнику, затвору и стоку, в конкретной конфигурации, спроектированной для устранения интерференций от других процессов в транзисторе.

BAE использовался строго как ресурс для приложения напряжений и управления токами для измерений EDMR, что полезно для более качественной идентификации дефектов. Новая модель позволяет BAE как инструмент для количественного измерения количества дефектов и делать это только с токами и напряжениями. Параметр важности — плотность дефектов интерфейса, число, описывающее, сколько дефектов в некоторой области интерфейса полупроводник-оксид. BAE модель даёт исследователям математическое описание того, как BAE ток связан с плотностью дефектов.

Модель, которую исследователи протестировали в наборе доказательных экспериментов на металл-оксид-полупроводниковых транзисторах, делает количественные измерения возможными. «Теперь мы можем учитывать вариацию в распределении зарядовых носителей по всей канальной области», — сказал Аштон. «Это открывает возможности того, что можно измерить простым электрическим измерением».

«Эта техника может дать уникальное понимание присутствия этих дестабилизирующих дефектов транзисторов и путь к механистическому пониманию их формирования», — сказал Маркус Кун, ранее в Intel и теперь старший директор по метрологии полупроводников и феллоу в Rigaku, не участвовавший в исследовании. «С таким знанием было бы больше возможностей контролировать и уменьшать их для улучшения производительности и надёжности транзистора. Это была бы возможность дальнейшего улучшения дизайна схемы чипа и производительности устройства, ведущей к лучше работающим продуктам».