Geavanceerde methode detecteert transistordefecten met ongekende gevoeligheid

Onderzoekers van het National Institute of Standards and Technology (NIST) en medewerkers hebben een uiterst gevoelige methode bedacht en getest voor het detecteren en tellen van defecten in transistors — een kwestie van dringend belang voor de halfgeleiderindustrie naarmate het nieuwe materialen ontwikkelt voor next-generation apparaten. Deze defecten beperken transistor- en circuitprestaties en kunnen productbetrouwbaarheid beïnvloeden.

Een typische transistor is, voor digitale gebruik, basisweg een schakelaar. Wanneer hij aanstaat, stroomt stroom van de ene kant van een halfgeleider naar de andere; het uitschakelen stopt de stroom. Die acties creëren de binaire 1en en 0en van digitale informatie.

Transistorprestaties hangen kritisch af van hoe betrouwbaar een aangewezen hoeveelheid stroom zal stromen. Defecten in het transistormateriaal, zoals ongewilde "impure" gebieden of gebroken chemische bindingen, onderbreken en destabiliseren de stroom. Deze defecten kunnen zich direct manifesteren of over een periode van tijd terwijl het apparaat opereert. En over veel jaren hebben wetenschappers talloze manieren gevonden om die effecten te classificeren en te minimaliseren.

Maar defecten worden moeilijker te identificeren naarmate transistordimensies bijna onvoorstelbaar klein worden en schakelsnelheden erg hoog. Voor sommige veelbelovende halfgeleidermaterialen in ontwikkeling — zoals siliciumcarbide (SiC) in plaats van alleen silicium (Si) voor nieuwe hoge-energie, hoge-temperatuur apparaten — is er geen eenvoudige en directe manier geweest om defecten in detail te karakteriseren.

"De methode die we ontwikkelden werkt met zowel traditionele Si als SiC, wat ons voor het eerst in staat stelt om niet alleen het type defect maar het aantal ervan in een gegeven ruimte te identificeren met een eenvoudige DC-meting," zei NIST's James Ashton, die het onderzoek uitvoerde met collega's bij 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," die ruimtes zijn waar een elektrron ontbreekt in de lokale atoomstructuur.

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

Elke recombinatie verwijdert een elektrron uit de stroom. Meerdere defecten veroorzaken stroomverliezen die leiden tot malfunction. Het doel is om te bepalen waar de defecten zijn, hun specifieke effecten, en — ideaal — het aantal ervan.

"We wilden fabrikanten een manier bieden om defecten te identificeren en te kwantificeren terwijl ze verschillende nieuwe materialen testen," zei NIST-medauteur Jason Ryan. "We deden dat door een fysica-model van een defect-detectietechniek te creëren die wijd gebruikt is maar slecht begrepen tot nu toe. We voerden toen proof-of-principle experimenten uit die ons model bevestigden."

In een klassiek metal oxide semiconductor (MOS) ontwerp, wordt een metaalelektrode genaamd de gate bovenop een dunne isolerende siliciumdioxidelag geplaatst. Daaronder is de bulkliggaam van de halfgeleider. Aan de ene kant van de gate is een input terminal, genaamd de source; aan de andere een output (drain). Wetenschappers onderzoeken de dynamica van stroomstroom door de bias spanningen toegepast op de gate, source en drain te veranderen, wat allemaal beïnvloedt hoe stroom beweegt.

In dit nieuwe werk concentreerden de onderzoekers zich op één specifieke regio die typisch slechts ongeveer 1 miljardste van een meter dik en een miljoenste van een meter lang is: de grens, of kanaal, tussen de dunne oxidelag en de bulk halfgeleiderlichaam.

"Deze laag is hugely belangrijk omdat het effect van een spanning op het metaal bovenop de oxide van de transistor ertoe leidt om te veranderen hoeveel elektronen er in de kanaalregio onder de oxide zijn; deze regio controleert de weerstand van het apparaat van source naar drain," zei Ashton. "De prestaties van deze laag hangen af van hoeveel defecten er bestaan. De detectiemethode die we onderzochten was eerder onmachtig om te bepalen hoeveel defecten er binnen deze laag waren."

Een gevoelige methode om defecten in de kanaal te detecteren heet elektrisch gedetecteerde magnetische resonantie (EDMR), die in principe vergelijkbaar is medische MRI. Deeltjes zoals protonen en elektronen hebben een kwantumeigenschap genaamd spin, wat ze doet optreden als kleine staafmagenten met twee tegenovergestelde magnetische polen.

In EDMR wordt de transistor bestraald met microgolven. Een magnetisch veld wordt op het apparaat toegepast en de sterkte ervan geleidelijk gevarieerd, terwijl de uitgangsstroom gemeten wordt. Op precies de juiste combinatie van frequentie en veldsterkte, "flippen" elektronen bij defecten — keren hun polen om. Dit zorgt ervoor dat sommige voldoende energie verliezen dat ze recombineren met gaten bij defecten in de kanaal, de stroom reducerend. De kanaalactiviteit kan moeilijk te meten zijn, echter, vanwege de grote hoeveelheid ruis van recombinatie in de bulk van de halfgeleider.

Om exclusief op activiteit in de kanaal te focussen, gebruiken de onderzoekers een techniek genaamd bipolaire amplificatie effect (BAE), wat bereikt wordt door de bias spanningen toegepast op de source, gate en drain in een specifieke configuratie te rangschikken ontworpen om interferentie van andere dingen die in de transistor gebeuren te elimineren.

BAE was strikt gebruikt als een bron voor het toepassen van spanningen en het controleren van stromen voor EDMR metingen, wat nuttig is voor meer kwalitatieve defectidentificatie. Het nieuwe model stelt BAE in staat als een tool om kwantitatief het aantal defecten te meten en dat met alleen stromen en spanningen. De parameter van belang is de interface defect dichtheid, wat een getal is dat beschrijft hoeveel defecten er binnen een gebied van de halfgeleider-oxide interface zijn. Het BAE-model geeft onderzoekers een wiskundige beschrijving van hoe de BAE-stroom gerelateerd is aan de defectdichtheid.

Het model, dat de onderzoekers testten in een set proof-of-concept experimenten op metal oxide semiconductor transistors, maakt kwantitatieve metingen mogelijk. "Nu kunnen we rekening houden met de variatie in ladingdragerverdeling door de hele kanaalregio," zei Ashton. "Dit opent de mogelijkheden van wat gemeten kan worden met een eenvoudige elektrische meting."

"Deze techniek kan uniek inzicht bieden in de aanwezigheid van deze destabiliserende transistorfouten en een pad naar mechanistisch begrip van hun vorming," zei Markus Kuhn, voorheen bij Intel en nu senior director van halfgeleider metrologie en fellow bij Rigaku, die niet betrokken was bij het onderzoek. "Met dergelijke kennis zou er grotere kans zijn om ze te controleren en te reduceren om transistorprestaties en betrouwbaarheid te verbeteren. Dit zou een kans zijn om het ontwerp van de chipcircuitry en apparaatprestaties verder te verbeteren leidend tot beter presterende producten."