Método Avançado Detecta Defeitos em Transistores com Sensibilidade Sem Precedentes

Pesquisadores do Instituto Nacional de Padrões e Tecnologia (NIST) e colaboradores conceberam e testaram um método altamente sensível de detectar e contar defeitos em transistores — uma questão de urgência para a indústria de semicondutores à medida que desenvolve novos materiais para dispositivos de próxima geração. Esses defeitos limitam o desempenho de transistores e circuitos e podem afetar a confiabilidade do produto.

Um transistor típico, para usos digitais, é 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 confiavelmente 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 ao longo de um período de tempo enquanto o dispositivo está operando. E ao longo de muitos anos, cientistas encontraram numerosas maneiras de classificar e minimizar esses efeitos.

Mas defeitos tornam-se mais difíceis de identificar à medida que as dimensões dos transistores 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 houve maneira simples e direta de caracterizar defeitos em detalhes.

“O método que desenvolvemos funciona com Si tradicional e SiC, permitindo-nos pela primeira vez identificar não apenas o tipo de defeito, mas o número deles em um dado espaço com uma simples medição DC”, disse James Ashton do NIST, que conduziu a pesquisa com colegas do NIST e da Universidade Estadual da Pensilvânia. A pesquisa foca nas interações entre os dois tipos de portadores de carga elétrica em um transistor: elétrons carregados negativamente e “lacunas” carregadas positivamente, que são espaços onde um elétron está faltando da estrutura atômica local.

Quando um transistor está funcionando corretamente, uma corrente de elétrons específica flui ao longo do caminho desejado. Se a corrente encontra um defeito, elétrons são aprisionados ou deslocados, e podem então se combinar com lacunas 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 a 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 enquanto testam diferentes novos materiais”, disse o coautor do NIST Jason Ryan. “Fizemos isso criando um modelo físico de uma técnica de detecção de defeitos que tem sido amplamente usada, mas mal compreendida até agora. Então, conduzimos experimentos de prova de princípio que confirmaram nosso modelo.”

Em um design clássico de semicondutor de óxido metálico (MOS), um eletrodo metálico chamado porta é colocado sobre uma fina camada isolante de dióxido de silício. Abaixo dessa interface está o corpo principal do semicondutor. De um lado da porta está um terminal de entrada, chamado fonte; do outro está uma saída (dreno). Cientistas investigam a dinâmica do fluxo de corrente alterando as tensões de polarização aplicadas à porta, fonte e dreno, todas as quais afetam como a corrente se move.

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

“Esta camada é extremamente importante porque o efeito de uma tensão no metal sobre o óxido do transistor atua para mudar 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 era anteriormente incapaz de determinar quantos defeitos estavam dentro desta camada.”

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

No EDMR, o transistor é irradiado com micro-ondas. Um campo magnético é aplicado ao dispositivo e sua força é variada gradualmente, enquanto a corrente de saída é medida. Exatamente na combinação certa de frequência e força de campo, elétrons em defeitos “invertem” — invertem seus polos. Isso faz com que alguns percam energia suficiente para que se recombim com lacunas 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 no corpo principal do semicondutor.

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

BAE tinha sido usado estritamente como um recurso para aplicar tensões e controlar correntes para medições EDMR, o que é útil para identificação qualitativa de defeitos. O novo modelo permite BAE como 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 de interface, que é um número que descreve quantos defeitos estão dentro de alguma área da interface semicondutor-óxido. O modelo BAE dá aos pesquisadores uma descrição matemática de como a corrente BAE está relacionada à densidade de defeitos.

O modelo, que os pesquisadores testaram em um conjunto de experimentos de prova de conceito em transistores de semicondutor de óxido metálico, torna medições quantitativas possíveis. “Agora podemos contabilizar a variação na distribuição de portadores de carga através da região do canal”, disse Ashton. “Isso abre as possibilidades do que pode ser medido com uma simples medição elétrica.”

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