Empfindliche Methode zur Erkennung von Transistordefekten

Die Forscher entwickelten und testeten eine hochempfindliche Methode zum Erkennen und Zählen von Defekten in Transistoren – ein dringendes Anliegen der Halbleiterindustrie, die neue Materialien für Geräte der nächsten Generation entwickelt. Diese Defekte schränken die Leistung von Transistoren und Schaltungen ein und können die Produktzuverlässigkeit beeinträchtigen.

Ein typischer Transistor ist für die meisten Anwendungen im Grunde genommen ein Schalter. Wenn es eingeschaltet ist, fließt Strom von einer Seite eines Halbleiters zur anderen; Ausschalten stoppt den Strom. Diese Aktionen erzeugen jeweils die binären Einsen und Nullen digitaler Informationen.

Die Transistorleistung hängt entscheidend davon ab, wie zuverlässig eine bestimmte Strommenge fließt. Defekte im Transistormaterial, wie zum Beispiel unerwünschte „Störstellen“-Regionen oder gebrochene chemische Bindungen, unterbrechen und destabilisieren den Fluss. Diese Defekte können sich sofort oder im Laufe der Zeit während des Betriebs des Geräts manifestieren.

Über viele Jahre hinweg haben Wissenschaftler zahlreiche Möglichkeiten gefunden, diese Effekte zu klassifizieren und zu minimieren. Aber Defekte sind schwieriger zu identifizieren, da die Transistorabmessungen fast unvorstellbar klein und die Schaltgeschwindigkeiten sehr hoch werden. Für einige vielversprechende Halbleitermaterialien in der Entwicklung – wie Siliziumkarbid (SiC) anstelle von Silizium (Si) allein für neuartige Hochenergie- und Hochtemperaturgeräte – gab es keine einfache und unkomplizierte Möglichkeit, Defekte im Detail zu charakterisieren.

Die neue Methode funktioniert sowohl mit herkömmlichem Si als auch mit SiC und ermöglicht es Forschern, nicht nur die Art des Defekts, sondern auch die Anzahl von Defekten in einem bestimmten Raum mit einer DC-Messung zu identifizieren. Die Forschung konzentriert sich auf die Wechselwirkungen zwischen den beiden Arten von elektrischen Ladungsträgern in einem Transistor:negativ geladene Elektronen und positiv geladene „Löcher“, die Räume sind, in denen ein Elektron in der lokalen Atomstruktur fehlt.

Wenn ein Transistor korrekt funktioniert, fließt ein bestimmter Elektronenstrom entlang des gewünschten Pfads. Trifft der Strom auf einen Defekt, werden Elektronen eingefangen oder verdrängt und können sich dann in einem als Rekombination bezeichneten Prozess mit Löchern zu einem elektrisch neutralen Bereich verbinden. Jede Rekombination entfernt ein Elektron aus dem Strom. Mehrere Defekte verursachen Stromverluste, die zu Fehlfunktionen führen. Ziel ist es, festzustellen, wo sich die Fehler befinden, welche Auswirkungen sie haben und – idealerweise – wie viele sie sind.

In der neuen Arbeit konzentrierten sich die Forscher auf einen Bereich, der typischerweise nur etwa 1 Milliardstel Meter dick und einen Millionstel Meter lang ist:die Grenze oder den Kanal zwischen der dünnen Oxidschicht und dem massiven Halbleiterkörper. Um sich ausschließlich auf die Aktivität im Kanal zu konzentrieren, verwenden die Forscher eine Technik namens bipolarer Verstärkungseffekt (BAE), die durch Anordnen der an Source, Gate und Drain angelegten Vorspannungen in einer bestimmten Konfiguration erreicht wird.

Der genaue Mechanismus, nach dem BAE arbeitet, war nicht bekannt, bis das Team sein Modell entwickelte. Vor dem BAE-Modell wurde das Schema ausschließlich als Ressource zum Anlegen von Spannungen und Steuern von Strömen für EDMR-Messungen verwendet, was für eine qualitativere Defektidentifizierung nützlich ist. Das neue Modell ermöglicht BAE als Werkzeug, um die Anzahl der Defekte quantitativ zu messen, und zwar nur mit Strömen und Spannungen.

Das Modell, das die Forscher in einer Reihe von Proof-of-Concept-Experimenten an Metalloxid-Halbleitertransistoren getestet haben, ermöglicht quantitative Messungen. Die Technik kann einen Einblick in das Vorhandensein von destabilisierenden Transistordefekten und einen Weg zum mechanistischen Verständnis ihrer Entstehung liefern. Mit diesem Wissen gäbe es größere Möglichkeiten, sie zu kontrollieren und zu reduzieren, um die Transistorleistung und -zuverlässigkeit zu verbessern.