Nova maneira sensível de detectar defeitos de transistores

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e colaboradores desenvolveram e testaram um método altamente sensível de detecção e contagem de defeitos em transistores – uma questão de preocupação urgente para a indústria de semicondutores à medida que desenvolve novos materiais para dispositivos de próxima geração. Esses defeitos limitam o desempenho do transistor e do circuito e podem afetar a confiabilidade do produto.

Um transistor típico é, para usos digitais, basicamente um interruptor. Quando está ligado, a corrente flui de um lado de um semicondutor para o outro; desligá-lo interrompe a corrente. Essas ações criam os 1s e 0s binários da informação digital.

O desempenho do transistor depende criticamente de quão confiável uma quantidade designada de corrente fluirá. Defeitos no material do transistor, como regiões de “impureza” indesejadas ou ligações químicas quebradas, interrompem e desestabilizam o fluxo. Esses defeitos podem se manifestar imediatamente ou durante um período de tempo enquanto o dispositivo está em operação. E ao longo de muitos anos, os cientistas encontraram inúmeras maneiras de classificar e minimizar esses efeitos.

Mas os defeitos se tornam mais difíceis de identificar à medida que as dimensões do transistor se tornam quase inimaginavelmente pequenas e as velocidades de comutação muito altas. Para alguns materiais semicondutores promissores em desenvolvimento - como carbeto de silício (SiC) em vez de silício (Si) sozinho para novos dispositivos de alta energia e alta temperatura - não existe uma maneira simples e direta de caracterizar defeitos em detalhes.

“O método que desenvolvemos funciona com Si e SiC tradicionais, permitindo-nos pela primeira vez identificar não apenas o tipo de defeito, mas o número deles em um determinado espaço com uma simples medição DC”, disse James Ashton, do NIST, que conduziu a pesquisa com colegas do NIST e da Pennsylvania State University. A pesquisa se concentra nas interações entre os dois tipos de portadores de carga elétrica em um transistor:elétrons carregados negativamente e “buracos” carregados positivamente, que são espaços onde falta um elétron na estrutura atômica local.

Quando um transistor está funcionando corretamente, uma corrente de elétrons específica flui ao longo do caminho desejado. Se a corrente encontrar um defeito, os elétrons são presos ou deslocados e podem se combinar com buracos para formar uma área eletricamente neutra em um processo conhecido como recombinação.

Cada recombinação remove um elétron da corrente. Múltiplos defeitos causam perdas de corrente que levam ao mau funcionamento. O objetivo é determinar onde estão os defeitos, seus efeitos específicos e – idealmente – o número deles.

“Queríamos fornecer aos fabricantes uma maneira de identificar e quantificar defeitos à medida que eles testam novos materiais diferentes”, disse Jason Ryan, coautor do NIST. “Fizemos isso criando um modelo físico de uma técnica de detecção de defeitos que tem sido amplamente utilizada, mas pouco compreendida até agora. Em seguida, realizamos experimentos de prova de princípio que confirmaram nosso modelo.”

Em um projeto clássico de semicondutor de óxido de metal (MOS), um eletrodo de metal chamado portão é colocado no topo de uma fina camada isolante de dióxido de silício. Abaixo dessa interface está o corpo do semicondutor. De um lado da porta há um terminal de entrada, chamado de fonte; por outro é uma saída (dreno). Os cientistas investigam a dinâmica do fluxo de corrente alterando as tensões de polarização aplicadas à porta, fonte e dreno, que afetam a forma como a corrente se move.

Neste novo trabalho, os pesquisadores se concentraram em uma região específica que normalmente tem apenas cerca de 1 bilionésimo de metro de espessura e um milionésimo de metro de comprimento:o limite, ou canal, entre a fina camada de óxido e o corpo semicondutor.

“Esta camada é extremamente importante porque o efeito de uma voltagem no metal overtop do óxido do transistor atua para alterar quantos elétrons estão dentro da região do canal sob o óxido; esta região controla a resistência do dispositivo da fonte ao dreno”, disse Ashton. “O desempenho desta camada depende de quantos defeitos existem. O método de detecção que investigamos anteriormente não conseguia determinar quantos defeitos havia nessa camada.”

Um método sensível para detectar defeitos no canal é chamado de ressonância magnética eletricamente detectada (EDMR), que é semelhante em princípio à ressonância magnética médica. Partículas como prótons e elétrons têm uma propriedade quântica chamada spin, que as faz agir como pequenos ímãs de barra com dois pólos magnéticos opostos.

No EDMR, o transistor é irradiado com micro-ondas. Um campo magnético é aplicado ao dispositivo e sua intensidade é variada gradualmente, enquanto a corrente de saída é medida. Exatamente na combinação certa de frequência e intensidade de campo, os elétrons nos defeitos “invertem” – invertem seus pólos. Isso faz com que alguns percam energia suficiente para se recombinarem com buracos em defeitos no canal, reduzindo a corrente. A atividade do canal pode ser difícil de medir, no entanto, devido à grande quantidade de ruído da recombinação na massa do semicondutor.

Para se concentrar exclusivamente na atividade no canal, os pesquisadores usam uma técnica chamada efeito de amplificação bipolar (BAE), que é obtida organizando as tensões de polarização aplicadas à fonte, porta e dreno em uma configuração específica projetada para eliminar a interferência de outras coisas. acontecendo no transistor.

O BAE tem sido utilizado estritamente como recurso para aplicação de tensões e controle de correntes para medições de EDMR, o que é útil para uma identificação de defeitos mais qualitativa. O novo modelo permite que o BAE seja uma ferramenta para medir quantitativamente o número de defeitos e fazê-lo apenas com correntes e tensões. O parâmetro de importância é a densidade de defeitos da interface, que é um número que descreve quantos defeitos estão dentro de alguma área da interface semicondutor-óxido. O modelo BAE fornece aos pesquisadores uma descrição matemática de como a corrente BAE está relacionada à densidade do defeito.

O modelo, que os pesquisadores testaram em um conjunto de experimentos de prova de conceito em transistores semicondutores de óxido metálico, possibilita medições quantitativas. “Agora podemos explicar a variação na distribuição das operadoras de cobrança em toda a região do canal”, disse Ashton. “Isso abre as possibilidades do que pode ser medido com uma simples medição elétrica.”

“Esta técnica pode fornecer uma visão única sobre a presença desses defeitos desestabilizadores do transistor e um caminho para a compreensão mecanicista de sua formação”, disse Markus Kuhn, ex-Intel e agora diretor sênior de metrologia de semicondutores e membro da Rigaku, que não esteve envolvido em a pesquisa. “Com esse conhecimento, haveria maior oportunidade de controlá-los e reduzi-los para melhorar o desempenho e a confiabilidade do transistor. Esta seria uma oportunidade para aprimorar ainda mais o design do circuito do chip e o desempenho do dispositivo, levando a produtos com melhor desempenho.”