Méthode avancée détecte les défauts de transistors avec une sensibilité sans précédent

Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et collaborateurs ont conçu et testé une méthode hautement sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors — une question de préoccupation urgente pour l'industrie des semi-conducteurs alors qu'elle développe de nouveaux matériaux pour les dispositifs de prochaine génération. Ces défauts limitent la performance des transistors et des circuits et peuvent affecter la fiabilité des produits.

Un transistor typique est, pour les usages numériques, essentiellement un interrupteur. Quand il est activé, le courant circule d'un côté d'un semi-conducteur à l'autre ; le désactiver arrête le courant. Ces actions créent les 1 et 0 binaires de l'information numérique.

La performance du transistor dépend de façon critique de la fiabilité avec laquelle une quantité désignée de courant circulera. Les défauts dans le matériau du transistor, telles que des régions d'« impuretés » indésirables ou des liaisons chimiques brisées, interrompent et déstabilisent le flux. Ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou sur une période de temps pendant que le dispositif fonctionne. Et au fil de nombreuses années, les scientifiques ont trouvé de nombreuses façons de classifier et minimiser ces effets.

Mais les défauts deviennent plus difficiles à identifier alors que les dimensions des transistors deviennent presque inimaginablement petites et les vitesses de commutation très élevées. Pour certains matériaux semi-conducteurs prometteurs en développement — comme le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour de nouveaux dispositifs à haute énergie, haute température — il n'y a pas eu de moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

« La méthode que nous avons développée fonctionne avec le Si traditionnel et le SiC, nous permettant pour la première fois d'identifier non seulement le type de défaut mais 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 l'Université d'État de Pennsylvanie. 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 manque de la structure atomique locale.

Quand 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 retire un électron du courant. De multiples défauts causent des pertes de courant qui mènent au dysfonctionnement. Le but est de déterminer où sont les défauts, leurs effets spécifiques, et — idéalement — leur nombre.

« Nous voulions fournir aux fabricants un moyen d'identifier et quantifier les défauts alors qu'ils testent différents nouveaux matériaux », a déclaré le co-auteur du NIST Jason Ryan. « 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 concept qui ont confirmé notre modèle. »

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

Dans ce nouveau travail, les chercheurs se sont concentrés sur une région particulière qui fait généralement seulement 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 principal du semi-conducteur.

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

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

Dans l'EDMR, le transistor est irradié avec des micro-ondes. Un champ magnétique est appliqué au dispositif et sa force est progressivement variée, pendant que le courant de sortie est mesuré. À la combinaison exacte de fréquence et de force de champ, les électrons aux défauts « basculent » — inversent leurs pôles. Cela en fait perdre assez d'énergie pour qu'ils se recombinent avec des trous aux défauts dans le canal, réduisant le courant. L'activité du canal peut être difficile à mesurer, cependant, à cause de la grande quantité de bruit de la recombinaison dans le volume 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 arrangeant les tensions de polarisation appliquées à la source, la grille et le drain dans une configuration particulière conçue pour éliminer les interférences d'autres choses qui se passent dans le transistor.

Le 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 qualitative des défauts. Le nouveau modèle permet au BAE d'être un outil pour 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 combien de défauts sont dans une certaine zone de l'interface semi-conducteur-oxyde. Le modèle BAE donne aux chercheurs une description mathématique de la façon dont le courant BAE est lié à la densité de défauts.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans un ensemble d'expériences de preuve de concept sur des transistors à semi-conducteur à oxyde métallique, rend les mesures quantitatives possibles. « Maintenant, nous pouvons tenir compte de la variation dans la distribution des porteurs de charge à travers 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 un chemin vers la compréhension mécanistique de leur formation », a déclaré Markus Kuhn, anciennement chez Intel et maintenant directeur principal de la métrologie des semi-conducteurs et fellow chez Rigaku, qui n'était pas impliqué dans la recherche. « Avec une telle connaissance, il y aurait une plus grande opportunité de les contrôler et les réduire afin d'améliorer la performance et la fiabilité des transistors. Ce serait une opportunité d'améliorer davantage la conception des circuits de puce et la performance des dispositifs menant à de meilleurs produits performants. »