Forskare vid National Institute of Standards and Technology (NIST) och medarbetare har tagit fram och testat en ny, mycket känslig metod för att upptäcka och räkna defekter i transistorer-en angelägen fråga för halvledarindustrin när den utvecklar nytt material för nästa generations enheter. Dessa defekter begränsar transistor- och kretsprestanda och kan påverka produkttillförlitlighet.

En typisk transistor är, för de flesta användningsområden, i princip en switch. När den är på, ström flyter från ena sidan av en halvledare till den andra; att stänga av stoppar strömmen. Dessa åtgärder skapar de binära 1:orna och 0:orna för digital information.

Transistorprestanda beror kritiskt på hur pålitligt en bestämd mängd ström kommer att flöda. Defekter i transistormaterialet, såsom oönskade "orenhets" -regioner eller brutna kemiska bindningar, avbryta och destabilisera flödet. Dessa defekter kan uppträda omedelbart eller under en tidsperiod medan enheten är i drift.

Under många år, forskare har hittat många sätt att klassificera och minimera dessa effekter.

Men defekter blir svårare att identifiera när transistormåtten blir nästan ofattbart små och omkopplingshastigheter mycket höga. För några lovande halvledarmaterial under utveckling-som kiselkarbid (SiC) istället för kisel (Si) ensam för nya högenergi, högtemperaturenheter-det har inte funnits något enkelt och enkelt sätt att beskriva defekter i detalj.

"Metoden vi utvecklade fungerar med både traditionellt Si och SiC, tillåter oss för första gången att identifiera inte bara typen av defekt utan antalet av dem i ett visst utrymme med en enkel DC -mätning, "sa NIST:s James Ashton, som genomförde forskningen med kollegor vid NIST och Pennsylvania State University. De publicerade sina resultat den 6 oktober i Journal of Applied Physics . Forskningen fokuserar på interaktioner mellan de två typerna av elektriska laddningsbärare i en transistor:Negativt laddade elektroner och positivt laddade "hål, "som är utrymmen där en elektron saknas i den lokala atomstrukturen.

När en transistor fungerar korrekt, en specifik elektronström flödar längs den önskade vägen. (Hål kan också bilda en ström. Denna forskning undersökte elektronström, det vanligaste arrangemanget.) Om strömmen stöter på ett fel, elektroner är instängda eller förskjutna, och kan sedan kombinera med hål för att bilda ett elektriskt neutralt område i en process som kallas rekombination.

Varje rekombination tar bort en elektron från strömmen. Flera defekter orsakar strömförluster som leder till fel. Målet är att avgöra var defekterna finns, deras specifika effekter, och - helst - antalet av dem.

"Vi ville ge tillverkare ett sätt att identifiera och kvantifiera defekter när de testar olika nya material, "sa NIST-medförfattaren Jason Ryan." Vi gjorde det genom att skapa en fysikmodell för en teknik för att upptäcka defekter som har använts i stor utsträckning men har varit dåligt förstådd fram till nu. Vi genomförde sedan principprövningsexperiment som bekräftade vår modell. "

I en klassisk metalloxid halvledarkonstruktion (se figur), en metallelektrod som kallas grinden placeras ovanpå ett tunt isolerande kiseldioxidskikt. Under det gränssnittet finns halvledarens huvuddel.

På ena sidan av porten finns en ingångsterminal, kallade källan; på den andra är en utgång (avlopp). Forskare undersöker dynamiken i strömflödet genom att ändra "förspänning" spänningar som appliceras på porten, källa och avlopp, som alla påverkar hur strömmen rör sig.

I det nya arbetet, NIST- och Penn State -forskarna koncentrerade sig på en viss region som vanligtvis bara är ungefär en miljarddels meter tjock och en miljonedel meter lång:gränsen, eller kanal, mellan det tunna oxidskiktet och den halvledande kroppen.

"Detta lager är oerhört viktigt eftersom effekten av en spänning på metallöverdelen av transistorns oxid påverkar hur många elektroner som finns inom kanalområdet under oxiden; denna region styr enhetens motstånd från källa till dränering, "Ashton sa." Prestanda för detta lager är beroende av hur många defekter som finns. Detekteringsmetoden vi undersökte kunde tidigare inte avgöra hur många defekter som fanns i detta lager. "

En känslig metod för att upptäcka defekter i kanalen kallas elektriskt detekterad magnetisk resonans (EDMR), som i princip liknar medicinsk MR. Partiklar som protoner och elektroner har en kvantegenskap som kallas spin, vilket får dem att fungera som små stångmagneter med två motsatta magnetpoler. I EDMR, transistorn bestrålas med mikrovågor vid en frekvens som är cirka fyra gånger högre än en mikrovågsugn. Experimenter applicerar ett magnetfält på enheten och varierar gradvis dess styrka medan de mäter utströmmen.

I exakt rätt kombination av frekvens och fältstyrka, elektroner vid defekter "vänder" - vända sina poler. Detta gör att en del tappar tillräckligt med energi för att de ska återförenas med hål vid defekter i kanalen, minska strömmen. Kanalaktiviteten kan vara svår att mäta, dock, eftersom den höga volymen "brus" från rekombination i huvuddelen av halvledaren.

Att uteslutande fokusera på aktivitet i kanalen, forskare använder en teknik som kallas bipolär amplifieringseffekt (BAE), vilket uppnås genom att ordna de förspänningar som appliceras på källan, grind och avlopp i en viss konfiguration (se bild). "Så på grund av den förspänning vi använder i BAE och för att vi mäter strömnivåer vid avloppet, "Ashton sa, "vi kan eliminera störningar från andra saker som händer i transistorn. Vi kan bara välja defekter som vi bryr oss om inom kanalen."

Den exakta mekanismen som BAE arbetar med var inte känd förrän teamet utvecklade sin modell. "De enda mätresultaten var kvalitativa - det vill säga de kunde berätta vilken typ av fel i kanalen men inte antalet, "sa medförfattaren Patrick Lenahan, en framstående professor i ingenjörsvetenskap och mekanik vid Penn State.

Innan modellen av BAE, schemat användes strikt som en resurs för applicering av spänningar och styrning av strömmar för EDMR -mätningar, vilket är användbart för en mer kvalitativ defektidentifiering. Den nya modellen möjliggör BAE som ett verktyg för att kvantitativt mäta antalet defekter och göra det med bara strömmar och spänningar. Parametern av betydelse är gränssnittets defektdensitet, vilket är ett tal som beskriver hur många defekter som finns inom något område av halvledaroxidgränssnittet. BAE -modellen ger forskare en matematisk beskrivning av hur BAE -strömmen är relaterad till defektdensiteten.

Modellen, som forskarna testade i en uppsättning proof-of-concept-experiment på metalloxidhalvledartransistorer, möjliggör kvantitativa mätningar. "Nu kan vi redogöra för variationen i laddningsbärarfördelning i hela kanalregionen, "Ashton sa." Detta öppnar möjligheterna för vad som kan mätas med en enkel elektrisk mätning. "

"Denna teknik kan ge unik inblick i förekomsten av dessa destabiliserande transistordefekter och en väg till mekanistisk förståelse av deras bildning, "sa Markus Kuhn, tidigare på Intel och nu senior direktör för halvledarmetrologi och stipendiat på Rigaku, som inte var inblandad i forskningen. "Med sådan kunskap, det skulle finnas större möjligheter att styra och minska dem för att förbättra transistorprestanda och tillförlitlighet. Detta skulle vara ett tillfälle att ytterligare förbättra designen av chipkretsarna och enhetens prestanda som leder till bättre prestanda. "

Denna berättelse publiceras på nytt med tillstånd av NIST. Läs den ursprungliga historien här.