Nueva forma sensible de detectar defectos de transistores

Investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y colaboradores han ideado y probado un método altamente sensible para detectar y contar defectos en transistores, un tema de preocupación urgente para la industria de semiconductores a medida que desarrolla nuevos materiales para dispositivos de próxima generación. Estos defectos limitan el rendimiento del transistor y del circuito y pueden afectar la confiabilidad del producto.

Un transistor típico es, para usos digitales, básicamente un interruptor. Cuando está encendido, la corriente fluye de un lado del semiconductor al otro; apagarlo detiene la corriente. Esas acciones crean los 1 y 0 binarios de la información digital.

El rendimiento del transistor depende críticamente de la confiabilidad con la que fluirá una cantidad designada de corriente. Los defectos en el material del transistor, como regiones de "impurezas" no deseadas o enlaces químicos rotos, interrumpen y desestabilizan el flujo. Estos defectos pueden manifestarse inmediatamente o durante un período de tiempo mientras el dispositivo está funcionando. Y durante muchos años, los científicos han encontrado numerosas formas de clasificar y minimizar esos efectos.

Pero los defectos se vuelven más difíciles de identificar a medida que las dimensiones del transistor se vuelven casi inimaginablemente pequeñas y las velocidades de conmutación son muy altas. Para algunos materiales semiconductores prometedores en desarrollo, como el carburo de silicio (SiC) en lugar del silicio (Si) solo para dispositivos novedosos de alta energía y alta temperatura, no ha habido una forma simple y directa de caracterizar los defectos en detalle.

"El método que desarrollamos funciona tanto con Si tradicional como con SiC, lo que nos permite por primera vez identificar no solo el tipo de defecto, sino también el número de ellos en un espacio determinado con una simple medición de CC", dijo James Ashton del NIST, quien dirigió la investigación con colegas del NIST y la Universidad Estatal de Pensilvania. La investigación se centra en las interacciones entre los dos tipos de portadores de carga eléctrica en un transistor:electrones cargados negativamente y "agujeros" cargados positivamente, que son espacios donde falta un electrón en la estructura atómica local.

Cuando un transistor funciona correctamente, una corriente de electrones específica fluye a lo largo del camino deseado. Si la corriente encuentra un defecto, los electrones quedan atrapados o desplazados y luego pueden combinarse con huecos para formar un área eléctricamente neutra en un proceso conocido como recombinación.

Cada recombinación elimina un electrón de la corriente. Múltiples defectos provocan pérdidas de corriente que conducen al mal funcionamiento. El objetivo es determinar dónde están los defectos, sus efectos específicos e, idealmente, el número de ellos.

“Queríamos brindarles a los fabricantes una forma de identificar y cuantificar los defectos mientras prueban diferentes materiales nuevos”, dijo Jason Ryan, coautor del NIST. “Lo hicimos mediante la creación de un modelo físico de una técnica de detección de defectos que ha sido ampliamente utilizada pero poco comprendida hasta ahora. Luego llevamos a cabo experimentos de prueba de principio que confirmaron nuestro modelo”.

En un diseño clásico de semiconductores de óxido de metal (MOS), un electrodo de metal llamado puerta se coloca encima de una capa delgada de dióxido de silicio aislante. Debajo de esa interfaz está el cuerpo a granel del semiconductor. A un lado de la puerta hay un terminal de entrada, llamado fuente; por el otro hay una salida (drenaje). Los científicos investigan la dinámica del flujo de corriente al cambiar los voltajes de polarización aplicados a la compuerta, la fuente y el drenaje, todo lo cual afecta la forma en que se mueve la corriente.

En este nuevo trabajo, los investigadores se concentraron en una región particular que normalmente tiene solo alrededor de 1 billonésima de metro de espesor y una millonésima de metro de largo:el límite, o canal, entre la capa delgada de óxido y el cuerpo semiconductor a granel.

“Esta capa es muy importante porque el efecto de un voltaje en la parte superior de metal del óxido del transistor actúa para cambiar cuántos electrones hay dentro de la región del canal debajo del óxido; esta región controla la resistencia del dispositivo desde la fuente hasta el drenaje”, dijo Ashton. “El rendimiento de esta capa depende de cuántos defectos existan. El método de detección que investigamos anteriormente no podía determinar cuántos defectos había dentro de esta capa”.

Un método sensible para detectar defectos en el canal se llama resonancia magnética detectada eléctricamente (EDMR), que es similar en principio a la resonancia magnética médica. Las partículas como los protones y los electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín, que las hace actuar como pequeños imanes de barra con dos polos magnéticos opuestos.

En EDMR, el transistor se irradia con microondas. Se aplica un campo magnético al dispositivo y su intensidad varía gradualmente, mientras se mide la corriente de salida. Con la combinación exacta de frecuencia e intensidad de campo, los electrones en los defectos "invierten":invierten sus polos. Esto hace que algunos pierdan suficiente energía que se recombinan con agujeros en los defectos del canal, reduciendo la corriente. Sin embargo, la actividad del canal puede ser difícil de medir debido a la gran cantidad de ruido de la recombinación en la mayor parte del semiconductor.

Para centrarse exclusivamente en la actividad en el canal, los investigadores utilizan una técnica llamada efecto de amplificación bipolar (BAE), que se logra al disponer los voltajes de polarización aplicados a la fuente, la compuerta y el drenaje en una configuración particular diseñada para eliminar la interferencia de otras cosas. pasando en el transistor.

BAE se había utilizado estrictamente como un recurso para aplicar voltajes y controlar corrientes para mediciones de EDMR, lo cual es útil para una identificación de defectos más cualitativa. El nuevo modelo permite que BAE sea una herramienta para medir cuantitativamente el número de defectos y hacerlo solo con corrientes y voltajes. El parámetro de importancia es la densidad de defectos de la interfaz, que es un número que describe cuántos defectos hay dentro de un área de la interfaz semiconductor-óxido. El modelo BAE brinda a los investigadores una descripción matemática de cómo la corriente BAE se relaciona con la densidad del defecto.

El modelo, que los investigadores probaron en un conjunto de experimentos de prueba de concepto en transistores semiconductores de óxido de metal, hace posibles las mediciones cuantitativas. “Ahora podemos dar cuenta de la variación en la distribución de portadores de carga en toda la región del canal”, dijo Ashton. "Esto abre las posibilidades de lo que se puede medir con una simple medición eléctrica".

"Esta técnica puede proporcionar una visión única de la presencia de estos defectos de transistores desestabilizadores y un camino hacia la comprensión mecánica de su formación", dijo Markus Kuhn, anteriormente en Intel y ahora director senior de metrología de semiconductores y miembro de Rigaku, que no participó en la investigación. “Con tal conocimiento, habría una mayor oportunidad de controlarlos y reducirlos para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del transistor. Esta sería una oportunidad para mejorar aún más el diseño de los circuitos del chip y el rendimiento del dispositivo, lo que conduciría a productos con un mejor rendimiento”.