Nouvelle façon sensible de détecter les défauts de transistor

Des chercheurs de l'Institut national des normes et de la technologie (NIST) et des collaborateurs ont conçu et testé une méthode très sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors - un sujet de préoccupation urgent pour l'industrie des semi-conducteurs alors qu'elle développe de nouveaux matériaux pour les dispositifs de nouvelle génération. Ces défauts limitent les performances des transistors et des circuits et peuvent affecter la fiabilité du produit.

Un transistor typique est, pour les utilisations numériques, essentiellement un interrupteur. Lorsqu'il est allumé, le courant circule d'un côté d'un semi-conducteur à l'autre; l'éteindre arrête le courant. Ces actions créent les 1 et les 0 binaires des informations numériques.

Les performances du transistor dépendent de manière critique de la fiabilité avec laquelle une quantité de courant désignée circulera. Des défauts dans le matériau du transistor, tels que des régions «d'impuretés» indésirables ou des liaisons chimiques rompues, interrompent et déstabilisent le flux. Ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou sur une période de temps pendant le fonctionnement de l'appareil. Et pendant de nombreuses années, les scientifiques ont trouvé de nombreuses façons de classer et de minimiser ces effets.

Mais les défauts deviennent plus difficiles à identifier car les dimensions des transistors deviennent incroyablement petites et les vitesses de commutation très élevées. Pour certains matériaux semi-conducteurs prometteurs en cours de développement, tels que le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour les nouveaux dispositifs à haute énergie et haute température, il n'existe aucun moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

"La méthode que nous avons développée fonctionne à la fois avec le Si et le SiC traditionnels, ce qui nous permet pour la première fois d'identifier non seulement le type de défaut mais aussi leur nombre dans un espace donné avec une simple mesure DC", a déclaré James Ashton du NIST, qui a mené la recherche avec des collègues du NIST et de la Pennsylvania State University. La recherche se concentre sur les interactions entre les deux types de porteurs de charge électrique dans un transistor :les électrons chargés négativement et les "trous" chargés positivement, qui sont des espaces où un électron est absent de la structure atomique locale.

Lorsqu'un transistor fonctionne correctement, un courant d'électrons spécifique circule le long du chemin souhaité. Si le courant rencontre un défaut, les électrons sont piégés ou déplacés, et peuvent alors se combiner avec des trous pour former une zone électriquement neutre dans un processus connu sous le nom de recombinaison.

Chaque recombinaison supprime un électron du courant. Les défauts multiples provoquent des pertes de courant qui conduisent à des dysfonctionnements. L'objectif est de déterminer où se trouvent les défauts, leurs effets spécifiques et, idéalement, leur nombre.

"Nous voulions fournir aux fabricants un moyen d'identifier et de quantifier les défauts lorsqu'ils testent différents nouveaux matériaux", a déclaré Jason Ryan, co-auteur du NIST. « Nous l'avons fait en créant un modèle physique d'une technique de détection de défauts qui a été largement utilisée mais mal comprise jusqu'à présent. Nous avons ensuite mené des expériences de preuve de principe qui ont confirmé notre modèle. »

Dans une conception classique à semi-conducteur à oxyde métallique (MOS), une électrode métallique appelée grille est placée au-dessus d'une fine couche isolante de dioxyde de silicium. Au-dessous de cette interface se trouve le corps en vrac du semi-conducteur. D'un côté de la porte se trouve une borne d'entrée, appelée la source ; de l'autre se trouve une sortie (drain). Les scientifiques étudient la dynamique du flux de courant en modifiant les tensions de polarisation appliquées à la grille, à la source et au drain, qui affectent toutes la façon dont le courant se déplace.

Dans ce nouveau travail, les chercheurs se sont concentrés sur une région particulière qui n'a généralement qu'environ 1 milliardième de mètre d'épaisseur et un millionième de mètre de long :la frontière, ou canal, entre la fine couche d'oxyde et le corps semi-conducteur massif.

«Cette couche est extrêmement importante car l'effet d'une tension sur le métal au-dessus de l'oxyde du transistor agit pour modifier le nombre d'électrons dans la région du canal sous l'oxyde; cette région contrôle la résistance de l'appareil de la source au drain », a déclaré Ashton. « La performance de cette couche dépend du nombre de défauts existants. La méthode de détection que nous avons étudiée était auparavant incapable de déterminer combien de défauts se trouvaient dans cette couche. »

Une méthode sensible pour détecter les défauts dans le canal est appelée résonance magnétique détectée électriquement (EDMR), qui est similaire en principe à l'IRM médicale. Les particules telles que les protons et les électrons ont une propriété quantique appelée spin, qui les fait agir comme de minuscules barreaux magnétiques avec deux pôles magnétiques opposés.

Dans EDMR, le transistor est irradié par des micro-ondes. Un champ magnétique est appliqué à l'appareil et sa force varie progressivement, tandis que le courant de sortie est mesuré. À exactement la bonne combinaison de fréquence et d'intensité de champ, les électrons des défauts "basculent" - inversent leurs pôles. Cela fait que certains perdent suffisamment d'énergie pour se recombiner avec des trous au niveau des défauts du canal, réduisant ainsi le courant. Cependant, l'activité du canal peut être difficile à mesurer en raison de la grande quantité de bruit provenant de la recombinaison dans la masse du semi-conducteur.

Pour se concentrer exclusivement sur l'activité dans le canal, les chercheurs utilisent une technique appelée effet d'amplification bipolaire (BAE), qui est obtenue en organisant les tensions de polarisation appliquées à la source, à la grille et au drain dans une configuration particulière conçue pour éliminer les interférences d'autres choses. passe dans le transistor.

BAE avait été utilisé strictement comme une ressource pour appliquer des tensions et contrôler les courants pour les mesures EDMR, ce qui est utile pour une identification plus qualitative des défauts. Le nouveau modèle permet à BAE en tant qu'outil de mesurer quantitativement le nombre de défauts et de le faire avec seulement des courants et des tensions. Le paramètre d'importance est la densité de défauts d'interface, qui est un nombre qui décrit le nombre de défauts dans une certaine zone de l'interface semi-conducteur-oxyde. Le modèle BAE donne aux chercheurs une description mathématique de la relation entre le courant BAE et la densité de défauts.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans une série d'expériences de preuve de concept sur des transistors semi-conducteurs à oxyde métallique, permet des mesures quantitatives. "Nous pouvons maintenant tenir compte de la variation de la distribution des porteurs de charge dans la région du canal", a déclaré Ashton. "Cela ouvre les possibilités de ce qui peut être mesuré avec une simple mesure électrique."

"Cette technique peut fournir un aperçu unique de la présence de ces défauts de transistor déstabilisants et une voie vers la compréhension mécaniste de leur formation", a déclaré Markus Kuhn, ancien chez Intel et maintenant directeur principal de la métrologie des semi-conducteurs et chercheur à Rigaku, qui n'était pas impliqué dans la recherche. «Avec de telles connaissances, il y aurait plus de possibilités de les contrôler et de les réduire afin d'améliorer les performances et la fiabilité des transistors. Ce serait l'occasion d'améliorer encore la conception des circuits de la puce et les performances des dispositifs, ce qui conduirait à des produits plus performants. »