Gevoelige nieuwe manier om transistordefecten te detecteren

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en medewerkers hebben een zeer gevoelige methode bedacht en getest voor het detecteren en tellen van defecten in transistors - een zaak van dringende zorg voor de halfgeleiderindustrie omdat deze nieuwe materialen ontwikkelt voor apparaten van de volgende generatie. Deze defecten beperken de prestaties van de transistor en het circuit en kunnen de betrouwbaarheid van het product beïnvloeden.

Een typische transistor is, voor digitaal gebruik, in feite een schakelaar. Als het aan is, stroomt er stroom van de ene kant van een halfgeleider naar de andere; uitzetten stopt de stroom. Die acties creëren de binaire enen en nullen van digitale informatie.

De prestaties van de transistor hangen in grote mate af van hoe betrouwbaar een bepaalde hoeveelheid stroom zal vloeien. Defecten in het transistormateriaal, zoals ongewenste "onzuiverheids"-gebieden of verbroken chemische bindingen, onderbreken en destabiliseren de stroom. Deze defecten kunnen zich onmiddellijk of gedurende een langere periode manifesteren terwijl het apparaat in bedrijf is. En gedurende vele jaren hebben wetenschappers talloze manieren gevonden om die effecten te classificeren en te minimaliseren.

Maar defecten worden moeilijker te identificeren omdat de afmetingen van de transistor bijna onvoorstelbaar klein worden en de schakelsnelheden erg hoog. Voor sommige veelbelovende halfgeleidermaterialen in ontwikkeling - zoals siliciumcarbide (SiC) in plaats van alleen silicium (Si) voor nieuwe apparaten met hoge energie en hoge temperaturen - was er geen eenvoudige en duidelijke manier om defecten in detail te karakteriseren.

"De methode die we hebben ontwikkeld, werkt met zowel traditioneel Si als SiC, waardoor we voor het eerst niet alleen het type defect kunnen identificeren, maar ook het aantal ervan in een bepaalde ruimte met een eenvoudige DC-meting," zei James Ashton van NIST, die deed het onderzoek met collega's van NIST en Pennsylvania State University. Het onderzoek richt zich op interacties tussen de twee soorten elektrische ladingsdragers in een transistor:negatief geladen elektronen en positief geladen 'gaten', dit zijn ruimtes waar een elektron ontbreekt in de lokale atomaire structuur.

Wanneer een transistor correct functioneert, vloeit er een specifieke elektronenstroom langs het gewenste pad. Als de stroom een ​​defect tegenkomt, worden elektronen gevangen of verplaatst, en kunnen ze zich combineren met gaten om een ​​elektrisch neutraal gebied te vormen in een proces dat bekend staat als recombinatie.

Elke recombinatie verwijdert een elektron uit de stroom. Meerdere defecten veroorzaken stroomverliezen die tot storingen leiden. Het doel is om te bepalen waar de defecten zitten, hun specifieke effecten en - idealiter - het aantal ervan.

"We wilden fabrikanten een manier bieden om defecten te identificeren en te kwantificeren terwijl ze verschillende nieuwe materialen testen", zegt NIST-co-auteur Jason Ryan. "We hebben dat gedaan door een natuurkundig model te maken van een defectdetectietechniek die tot nu toe veel wordt gebruikt maar slecht wordt begrepen. Vervolgens voerden we proof-of-principle-experimenten uit die ons model bevestigden.”

In een klassiek metaaloxide-halfgeleiderontwerp (MOS) wordt een metalen elektrode, de poort genaamd, bovenop een dunne isolerende siliciumdioxidelaag geplaatst. Onder die interface bevindt zich het bulklichaam van de halfgeleider. Aan de ene kant van de poort bevindt zich een ingangsklem, de bron genoemd; aan de andere kant is een uitgang (afvoer). Wetenschappers onderzoeken de dynamiek van de stroom door de voorspanningen die op de gate, source en drain worden toegepast te veranderen, die allemaal van invloed zijn op hoe de stroom beweegt.

In dit nieuwe werk concentreerden de onderzoekers zich op één bepaald gebied dat typisch slechts ongeveer 1 miljardste van een meter dik en een miljoenste van een meter lang is:de grens, of het kanaal, tussen de dunne oxidelaag en het bulkhalfgeleiderlichaam.

“Deze laag is enorm belangrijk omdat het effect van een spanning op het metaal boven het oxide van de transistor verandert hoeveel elektronen zich in het kanaalgebied onder het oxide bevinden; deze regio regelt de weerstand van het apparaat van bron tot afvoer, "zei Ashton. “De prestatie van deze laag is afhankelijk van het aantal defecten. De detectiemethode die we hebben onderzocht, kon voorheen niet bepalen hoeveel defecten zich binnen deze laag bevonden.”

Een gevoelige methode om defecten in het kanaal te detecteren, wordt elektrisch gedetecteerde magnetische resonantie (EDMR) genoemd, wat in principe vergelijkbaar is met medische MRI. Deeltjes zoals protonen en elektronen hebben een kwantumeigenschap die spin wordt genoemd, waardoor ze zich gedragen als kleine staafmagneten met twee tegengestelde magnetische polen.

Bij EDMR wordt de transistor bestraald met microgolven. Er wordt een magnetisch veld op het apparaat aangelegd en de sterkte ervan wordt geleidelijk gevarieerd, terwijl de uitgangsstroom wordt gemeten. Bij precies de juiste combinatie van frequentie en veldsterkte, "draaien" elektronen bij defecten - hun polen om. Dit zorgt ervoor dat sommigen genoeg energie verliezen om te recombineren met gaten bij defecten in het kanaal, waardoor de stroom afneemt. De kanaalactiviteit kan echter moeilijk te meten zijn vanwege de grote hoeveelheid ruis van recombinatie in het grootste deel van de halfgeleider.

Om zich uitsluitend te concentreren op activiteit in het kanaal, gebruiken de onderzoekers een techniek genaamd bipolair amplificatie-effect (BAE), die wordt bereikt door de voorspanningen die op de source, gate en drain worden toegepast in een bepaalde configuratie te plaatsen die is ontworpen om interferentie van andere dingen te elimineren gaande in de transistor.

BAE werd uitsluitend gebruikt als hulpmiddel voor het aanleggen van spanningen en het regelen van stromen voor EDMR-metingen, wat nuttig is voor een meer kwalitatieve identificatie van defecten. Het nieuwe model stelt BAE als hulpmiddel in staat om het aantal defecten kwantitatief te meten en dit te doen met alleen stromen en spanningen. De parameter van belang is de dichtheid van het grensvlakdefect, dat een getal is dat beschrijft hoeveel defecten zich binnen een bepaald gebied van het halfgeleider-oxide-grensvlak bevinden. Het BAE-model geeft onderzoekers een wiskundige beschrijving van hoe de BAE-stroom is gerelateerd aan de defectdichtheid.

Het model, dat de onderzoekers testten in een reeks proof-of-concept-experimenten op metaaloxide-halfgeleidertransistors, maakt kwantitatieve metingen mogelijk. "Nu kunnen we rekening houden met de variatie in de distributie van ladingdragers in het kanaalgebied", zei Ashton. "Dit opent de mogelijkheden van wat kan worden gemeten met een eenvoudige elektrische meting."

"Deze techniek kan een uniek inzicht geven in de aanwezigheid van deze destabiliserende transistordefecten en een pad naar mechanistisch begrip van hun vorming", zegt Markus Kuhn, voorheen bij Intel en nu senior directeur van halfgeleidermetrologie en fellow bij Rigaku, die niet betrokken was bij het onderzoek. "Met dergelijke kennis zouden er meer mogelijkheden zijn om ze te beheersen en te verminderen om de prestaties en betrouwbaarheid van de transistor te verbeteren. Dit zou een kans zijn om het ontwerp van de chipcircuits en de apparaatprestaties verder te verbeteren, wat leidt tot beter presterende producten.”