Des chercheurs du National Institute of Standards and Technology (NIST) et des collaborateurs ont conçu et testé un nouveau méthode hautement sensible de détection et de comptage des défauts dans les transistors, une préoccupation urgente pour l'industrie des semi-conducteurs alors qu'elle développe de nouveaux matériaux pour les dispositifs de nouvelle génération. Ces défauts limitent les performances des transistors et des circuits et peuvent affecter la fiabilité du produit.

Un transistor typique est, pour la plupart des utilisations, essentiellement un interrupteur. Quand c'est allumé, le courant circule d'un côté d'un semi-conducteur à l'autre ; l'éteindre arrête le courant. Ces actions créent respectivement les 1 et les 0 binaires de l'information numérique.

Les performances du transistor dépendent de manière critique de la fiabilité d'une quantité de courant désignée. Défauts dans le matériau du transistor, telles que des régions « d'impuretés » indésirables ou des liaisons chimiques rompues, interrompre et déstabiliser le flux. Ces défauts peuvent se manifester immédiatement ou sur une période de temps pendant le fonctionnement de l'appareil.

Depuis de nombreuses années, les scientifiques ont trouvé de nombreuses façons de classer et de minimiser ces effets.

Mais les défauts deviennent plus difficiles à identifier car les dimensions des transistors deviennent presque inimaginablement petites et les vitesses de commutation très élevées. Pour certains matériaux semi-conducteurs prometteurs en cours de développement, tels que le carbure de silicium (SiC) au lieu du silicium (Si) seul pour de nouvelles hautes énergies, appareils à haute température - il n'y a pas eu de moyen simple et direct de caractériser les défauts en détail.

"La méthode que nous avons développée fonctionne aussi bien avec le Si traditionnel que le SiC, nous permettant pour la première fois d'identifier non seulement le type de défaut mais leur nombre dans un espace donné avec une simple mesure DC, " a déclaré James Ashton du NIST, qui a mené la recherche avec des collègues du NIST et de la Pennsylvania State University. Ils ont publié leurs résultats le 6 octobre dans le Journal de physique appliquée . La recherche se concentre sur les interactions entre les deux types de porteurs de charges électriques dans un transistor :les électrons chargés négativement et les "trous" chargés positivement, " qui sont des espaces où un électron manque à la structure atomique locale.

Lorsqu'un transistor fonctionne correctement, un courant d'électrons spécifique circule le long du chemin souhaité. (Les trous peuvent également former un courant. Cette recherche a exploré le courant électronique, l'arrangement le plus courant.) Si le courant rencontre un défaut, les électrons sont piégés ou déplacés, et peut ensuite se combiner avec des trous pour former une zone électriquement neutre dans un processus connu sous le nom de recombinaison.

Chaque recombinaison retire un électron du courant. Des défauts multiples provoquent des pertes de courant qui conduisent à un dysfonctionnement. Le but est de déterminer où sont les défauts, leurs effets spécifiques, et, idéalement, leur nombre.

« Nous voulions fournir aux fabricants un moyen d'identifier et de quantifier les défauts lorsqu'ils testent différents nouveaux matériaux, " a déclaré Jason Ryan, co-auteur du NIST. " Nous l'avons fait en créant un modèle physique d'une technique de détection de défauts qui a été largement utilisée mais mal comprise jusqu'à présent. Nous avons ensuite mené des expériences de preuve de principe qui ont confirmé notre modèle. »

Dans une conception classique de semi-conducteur à oxyde métallique (voir figure), une électrode métallique appelée grille est placée au-dessus d'une fine couche isolante de dioxyde de silicium. Au-dessous de cette interface se trouve le corps principal du semi-conducteur.

D'un côté de la porte se trouve une borne d'entrée, appelé la source; de l'autre une sortie (drain). Les scientifiques étudient la dynamique du flux de courant en modifiant les tensions de « polarisation » appliquées à la porte, source et drain, tout cela affecte la façon dont le courant se déplace.

Dans le nouveau travail, les chercheurs du NIST et de Penn State se sont concentrés sur une région particulière qui n'a généralement qu'environ 1 milliardième de mètre d'épaisseur et un millionième de mètre de long :la frontière, ou canal, entre la fine couche d'oxyde et le corps semi-conducteur massif.

"Cette couche est extrêmement importante car l'effet d'une tension sur le métal au-dessus de l'oxyde du transistor agit pour changer le nombre d'électrons dans la région du canal sous l'oxyde ; cette région contrôle la résistance de l'appareil de la source au drain, " a déclaré Ashton. "La performance de cette couche dépend du nombre de défauts existants. La méthode de détection que nous avons étudiée était auparavant incapable de déterminer combien de défauts se trouvaient dans cette couche. »

Une méthode sensible pour détecter les défauts dans le canal est appelée résonance magnétique détectée électriquement (EDMR), qui est similaire en principe à l'IRM médicale. Les particules telles que les protons et les électrons ont une propriété quantique appelée spin, ce qui les fait agir comme de minuscules barres magnétiques avec deux pôles magnétiques opposés. En EDMR, le transistor est irradié par des micro-ondes à une fréquence environ quatre fois supérieure à celle d'un four à micro-ondes. Les expérimentateurs appliquent un champ magnétique à l'appareil et varient progressivement sa force tout en mesurant le courant de sortie.

À exactement la bonne combinaison de fréquence et d'intensité de champ, les électrons aux défauts « basculent » – inversent leurs pôles. Cela fait perdre suffisamment d'énergie à certains pour qu'ils se recombinent avec des trous au niveau des défauts du canal, réduire le courant. L'activité du canal peut être difficile à mesurer, cependant, parce que le volume élevé de "bruit" de recombinaison dans la majeure partie du semi-conducteur.

Se concentrer exclusivement sur l'activité de la chaîne, les chercheurs utilisent une technique appelée effet d'amplification bipolaire (BAE), qui est obtenu en arrangeant les tensions de polarisation appliquées à la source, grille et drain dans une configuration particulière (voir figure). "Donc, en raison de la polarisation que nous utilisons dans BAE et parce que nous mesurons les niveaux de courant au drain, " Ashton a dit, "nous pouvons éliminer les interférences provenant d'autres choses qui se passent dans le transistor. Nous pouvons sélectionner uniquement les défauts qui nous intéressent dans le canal."

Le mécanisme exact par lequel BAE fonctionne n'était pas connu jusqu'à ce que l'équipe développe son modèle. « Les seuls résultats de mesure étaient qualitatifs, c'est-à-dire ils pourraient dire les types de défauts dans le canal mais pas le nombre, " a déclaré le co-auteur Patrick Lenahan, éminent professeur de sciences de l'ingénieur et de mécanique à Penn State.

Avant le modèle de BAE, le schéma a été utilisé strictement comme une ressource pour appliquer des tensions et contrôler des courants pour les mesures EDMR, ce qui est utile pour une identification plus qualitative des défauts. Le nouveau modèle permet à BAE en tant qu'outil de mesurer quantitativement le nombre de défauts et de le faire avec uniquement des courants et des tensions. Le paramètre d'importance est la densité de défauts d'interface, qui est un nombre qui décrit le nombre de défauts dans une zone de l'interface semi-conducteur-oxyde. Le modèle BAE donne aux chercheurs une description mathématique de la relation entre le courant BAE et la densité de défauts.

Le modèle, que les chercheurs ont testé dans une série d'expériences de validation de principe sur des transistors à semi-conducteur à oxyde métallique, permet des mesures quantitatives. « Maintenant, nous pouvons expliquer la variation de la distribution des porteurs de charge dans la région du canal, " a déclaré Ashton. "Cela ouvre les possibilités de ce qui peut être mesuré avec une simple mesure électrique."

"Cette technique peut fournir un aperçu unique de la présence de ces défauts de transistors déstabilisants et une voie vers la compréhension mécaniste de leur formation, " a déclaré Markus Kuhn, anciennement chez Intel et maintenant directeur principal de la métrologie des semi-conducteurs et membre de Rigaku, qui n'a pas participé à la recherche. "Avec une telle connaissance, il y aurait une plus grande opportunité de les contrôler et de les réduire afin d'améliorer les performances et la fiabilité des transistors. Ce serait l'occasion d'améliorer encore la conception des circuits de la puce et les performances de l'appareil, conduisant à des produits plus performants. »

Cette histoire est republiée avec l'aimable autorisation du NIST. Lisez l'histoire originale ici.