Método Avanzado Detecta Defectos en Transistores con Sensibilidad Sin Precedentes

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 asunto de urgente preocupación para la industria de semiconductores mientras desarrolla nuevos materiales para dispositivos de próxima generación. Estos defectos limitan el rendimiento de transistores y circuitos y pueden afectar la confiabilidad del producto.

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

El rendimiento del transistor depende críticamente de qué tan confiablemente fluirá una cantidad designada de corriente. Defectos en el material del transistor, como regiones de “impureza” 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 operando. 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 de los transistores se vuelven casi inimaginablemente pequeñas y las velocidades de conmutación muy altas. Para algunos materiales semiconductores prometedores en desarrollo —como carburo de silicio (SiC) en lugar de silicio (Si) solo para dispositivos novedosos de alta energía y alta temperatura— no ha habido una forma simple y directa de caracterizar defectos en detalle.

“El método que desarrollamos funciona tanto con Si tradicional como con SiC, permitiéndonos por primera vez identificar no solo el tipo de defecto sino el número de ellos en un espacio dado con una simple medición DC”, dijo James Ashton del NIST, quien realizó 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 “huecos” cargados positivamente, que son espacios donde falta un electrón de 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 son 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 causan pérdidas de corriente que llevan a mal funcionamiento. El objetivo es determinar dónde están los defectos, sus efectos específicos e —idealmente— el número de ellos.

“Queríamos proporcionar a los fabricantes una forma de identificar y cuantificar defectos mientras prueban diferentes materiales nuevos”, dijo el coautor del NIST Jason Ryan. “Lo hicimos creando un modelo físico de una técnica de detección de defectos que se ha usado ampliamente pero se entendía mal hasta ahora. Luego realizamos experimentos de prueba de concepto que confirmaron nuestro modelo.”

En un diseño clásico de semiconductor de óxido metálico (MOS), un electrodo metálico llamado compuerta se coloca encima de una capa delgada de dióxido de silicio aislante. Debajo de esa interfaz está el cuerpo principal del semiconductor. En un lado de la compuerta hay un terminal de entrada, llamado fuente; en el otro hay una salida (drenaje). Los científicos investigan la dinámica del flujo de corriente cambiando los voltajes de polarización aplicados a la compuerta, fuente y drenaje, todos los cuales afectan cómo se mueve la corriente.

En este nuevo trabajo, los investigadores se concentraron en una región particular que típicamente tiene solo milmillonésima de metro de espesor y millonésima de metro de largo: el límite, o canal, entre la capa delgada de óxido y el cuerpo semiconductor principal.

“Esta capa es enormemente importante porque el efecto de un voltaje en el metal sobre el óxido del transistor actúa para cambiar cuántos electrones están dentro de la región del canal bajo el óxido; esta región controla la resistencia del dispositivo de fuente a drenaje”, dijo Ashton. “El rendimiento de esta capa depende de cuántos defectos existen. El método de detección que investigamos anteriormente no podía determinar cuántos defectos estaban 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. Partículas como protones y electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín, que los hace actuar como diminutos 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. En la combinación exacta de frecuencia e intensidad de campo, los electrones en los defectos “giran” —invierten sus polos. Esto hace que algunos pierdan suficiente energía para recombinarse con huecos en defectos en el canal, reduciendo la corriente. La actividad del canal puede ser difícil de medir, sin embargo, debido a la gran cantidad de ruido de recombinación en el cuerpo del semiconductor.

Para enfocarse exclusivamente en la actividad del canal, los investigadores usan una técnica llamada efecto de amplificación bipolar (BAE), que se logra organizando los voltajes de polarización aplicados a la fuente, compuerta y drenaje en una configuración particular diseñada para eliminar interferencias de otras cosas que ocurren en el transistor.

BAE se había usado estrictamente como recurso para aplicar voltajes y controlar corrientes para mediciones EDMR, lo cual es útil para una identificación de defectos más cualitativa. El nuevo modelo permite BAE como 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 interfaz, que es un número que describe cuántos defectos están dentro de alguna área de la interfaz semiconductor-óxido. El modelo BAE da a los investigadores una descripción matemática de cómo la corriente BAE se relaciona con la densidad de defectos.

El modelo, que los investigadores probaron en un conjunto de experimentos de prueba de concepto en transistores de semiconductor de óxido metálico, hace posibles mediciones cuantitativas. “Ahora podemos tener en cuenta la variación en la distribución de portadores de carga a lo largo de 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 sobre la presencia de estos defectos de transistor desestabilizadores y un camino hacia la comprensión mecanicista de su formación”, dijo Markus Kuhn, anteriormente en Intel y ahora director senior de metrología de semiconductores y fellow en Rigaku, quien no participó en la investigación. “Con tal conocimiento, habría mayor oportunidad de controlarlos y reducirlos para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del transistor. Esto sería una oportunidad para mejorar aún más el diseño de la circuitería del chip y el rendimiento del dispositivo, llevando a productos de mejor rendimiento.”