Fortschrittliche Methode detektiert Transistorfehler mit beispielloser Empfindlichkeit

Forscher am National Institute of Standards and Technology (NIST) und Mitarbeiter haben eine hochsensitive Methode zum Detektieren und Zählen von Fehlern in Transistoren entwickelt und getestet – eine Angelegenheit dringender Sorge für die Halbleiterindustrie, während sie neue Materialien für Geräte der nächsten Generation entwickelt. Diese Fehler begrenzen Transistor- und Schaltkreisleistung und können die Produktzuverlässigkeit beeinträchtigen.

Ein typischer Transistor ist für digitale Anwendungen im Grunde ein Schalter. Wenn er an ist, fließt Strom von einer Seite des Halbleiters zur anderen; schaltet man ihn aus, stoppt der Strom. Diese Aktionen erzeugen die binären 1en und 0en digitaler Information.

Transistorleistung hängt kritisch davon ab, wie zuverlässig eine bestimmte Strommenge fließen wird. Fehler im Transistormaterial, wie unerwünschte „Verunreinigungs“-Bereiche oder gebrochene chemische Bindungen, unterbrechen und destabilisieren den Fluss. Diese Fehler können sich sofort oder über einen Zeitraum während des Betriebs des Geräts manifestieren. Und über viele Jahre haben Wissenschaftler zahlreiche Wege gefunden, diese Effekte zu klassifizieren und zu minimieren.

Aber Fehler werden schwieriger zu identifizieren, da Transistordimensionen fast unvorstellbar klein und Schaltgeschwindigkeiten sehr hoch werden. Für einige vielversprechende Halbleitermaterialien in Entwicklung – wie Siliziumkarbid (SiC) statt Silizium (Si) allein für neuartige Hochenergie-, Hochtemperaturgeräte – gab es keine einfache und direkte Möglichkeit, Fehler detailliert zu charakterisieren.

„Die von uns entwickelte Methode funktioniert sowohl mit traditionellem Si als auch SiC und ermöglicht uns erstmals, nicht nur die Art des Fehlers, sondern auch deren Anzahl in einem gegebenen Raum mit einer einfachen DC-Messung zu identifizieren“, sagte NISTs James Ashton, der die Forschung mit Kollegen am NIST und der Pennsylvania State University durchführte. Die Forschung konzentriert sich auf Wechselwirkungen zwischen den beiden Arten elektrischer Ladungsträger in einem Transistor: negativ geladenen Elektronen und positiv geladenen „Löchern“, die Räume sind, in denen ein Elektron in der lokalen Atomstruktur fehlt.

Wenn ein Transistor korrekt funktioniert, fließt ein spezifischer Elektronenstrom entlang des gewünschten Pfads. Wenn der Strom auf einen Fehler trifft, werden Elektronen gefangen oder verdrängt und können sich dann mit Löchern zu einem elektrisch neutralen Bereich in einem als Rekombination bekannten Prozess verbinden.

Jede Rekombination entfernt ein Elektron aus dem Strom. Mehrere Fehler verursachen Stromverluste, die zu Fehlfunktionen führen. Das Ziel ist es, zu bestimmen, wo die Fehler sind, ihre spezifischen Effekte und – idealerweise – ihre Anzahl.

„Wir wollten Herstellern einen Weg bieten, Fehler zu identifizieren und zu quantifizieren, während sie verschiedene neue Materialien testen“, sagte NIST-Koautor Jason Ryan. „Wir taten das, indem wir ein Physikmodell einer Fehlerdetektionstechnik erstellten, die weit verbreitet, aber bis jetzt schlecht verstanden wurde. Dann führten wir Proof-of-Principle-Experimente durch, die unser Modell bestätigten.“

In einem klassischen Metall-Oxid-Halbleiter-Design (MOS) wird eine Metallelektrode, das Gate, auf eine dünne isolierende Siliziumdioxidschicht gelegt. Darunter befindet sich der Volumenkörper des Halbleiters. Auf einer Seite des Gates ist ein Eingangsterminal, die Source; auf der anderen ein Ausgang (Drain). Wissenschaftler untersuchen die Dynamik des Stromflusses, indem sie die Bias-Spannungen ändern, die an Gate, Source und Drain angelegt werden, was alles beeinflusst, wie sich Strom bewegt.

In dieser neuen Arbeit konzentrierten sich die Forscher auf einen bestimmten Bereich, der typischerweise nur etwa 1 Milliardstel Meter dick und ein Millionstel Meter lang ist: die Grenze, oder der Kanal, zwischen der dünnen Oxidschicht und dem Volumen-Halbleiterkörper.

„Diese Schicht ist enorm wichtig, weil der Effekt einer Spannung auf dem Metall über dem Oxid des Transistors bewirkt, wie viele Elektronen im Kanalbereich unter dem Oxid sind; dieser Bereich kontrolliert den Widerstand des Geräts von Source zu Drain“, sagte Ashton. „Die Leistung dieser Schicht hängt davon ab, wie viele Fehler existieren. Die von uns untersuchte Detektionsmethode war zuvor nicht in der Lage zu bestimmen, wie viele Fehler in dieser Schicht waren.“

Eine empfindliche Methode, Fehler im Kanal zu detektieren, heißt elektrisch detektierte magnetische Resonanz (EDMR), die im Prinzip der medizinischen MRT ähnelt. Teilchen wie Protonen und Elektronen haben eine Quanteneigenschaft namens Spin, die sie wie winzige Stabmagnete mit zwei entgegengesetzten magnetischen Polen verhalten lässt.

Bei EDMR wird der Transistor mit Mikrowellen bestrahlt. Ein Magnetfeld wird auf das Gerät angelegt und seine Stärke wird allmählich variiert, während der Ausgangsstrom gemessen wird. Bei genau der richtigen Kombination aus Frequenz und Feldstärke „kippen“ Elektronen an Fehlern – kehren ihre Pole um. Dies bewirkt, dass einige genug Energie verlieren, um sich mit Löchern an Fehlern im Kanal zu rekombinieren, was den Strom reduziert. Die Kanalaktivität kann jedoch schwer zu messen sein, wegen der großen Menge an Rauschen von Rekombination im Volumen des Halbleiters.

Um sich ausschließlich auf Aktivität im Kanal zu konzentrieren, nutzen die Forscher eine Technik namens bipolarer Verstärkungseffekt (BAE), der durch Anordnen der Bias-Spannungen, die an Source, Gate und Drain angelegt werden, in einer bestimmten Konfiguration erreicht wird, die darauf ausgelegt ist, Interferenzen von anderen Vorgängen im Transistor zu eliminieren.

BAE wurde streng als Ressource für das Anlegen von Spannungen und Steuern von Strömen für EDMR-Messungen verwendet, was für eine qualitativere Fehleridentifikation nützlich ist. Das neue Modell ermöglicht BAE als Werkzeug, um die Anzahl der Fehler quantitativ zu messen und dies nur mit Strömen und Spannungen zu tun. Der wichtige Parameter ist die Grenzflächendefektdichte, eine Zahl, die beschreibt, wie viele Fehler in einem Bereich der Halbleiter-Oxid-Grenzfläche sind. Das BAE-Modell gibt Forschern eine mathematische Beschreibung, wie der BAE-Strom mit der Defektdichte zusammenhängt.

Das Modell, das die Forscher in einer Reihe von Proof-of-Concept-Experimenten an Metall-Oxid-Halbleiter-Transistoren testeten, macht quantitative Messungen möglich. „Jetzt können wir die Variation in der Ladungsträgerverteilung im gesamten Kanalbereich berücksichtigen“, sagte Ashton. „Das eröffnet die Möglichkeiten dessen, was mit einer einfachen elektrischen Messung gemessen werden kann.“

„Diese Technik kann einzigartige Einblicke in die Präsenz dieser destabilisierenden Transistorfehler und einen Weg zum mechanistischen Verständnis ihrer Entstehung bieten“, sagte Markus Kuhn, ehemals bei Intel und nun Senior Director of Semiconductor Metrology und Fellow bei Rigaku, der nicht an der Forschung beteiligt war. „Mit solchem Wissen gäbe es größere Möglichkeiten, sie zu kontrollieren und zu reduzieren, um Transistorleistung und Zuverlässigkeit zu verbessern. Das wäre eine Gelegenheit, das Design der Chip-Schaltkreise und die Geräteleistung weiter zu verbessern, was zu besseren Produkten führt.“