检测晶体管缺陷的灵敏新方法

美国国家标准与技术研究院 (NIST) 的研究人员和合作者设计并测试了一种检测和计数晶体管缺陷的高灵敏度方法——这是半导体行业在为下一代设备开发新材料时迫切关注的问题。这些缺陷限制了晶体管和电路的性能，并可能影响产品的可靠性。

对于数字用途，典型的晶体管基本上是一个开关。当它打开时，电流从半导体的一侧流向另一侧；关闭它会停止电流。这些动作创建了数字信息的二进制 1 和 0。

晶体管性能主要取决于指定量的电流流动的可靠性。晶体管材料中的缺陷，例如不需要的“杂质”区域或化学键断裂，会中断流动并使其不稳定。这些缺陷可以在设备运行时立即或在一段时间内显现出来。多年来，科学家们已经找到了许多方法来对这些影响进行分类和最小化。

但随着晶体管尺寸变得几乎无法想象并且开关速度非常高，缺陷变得更难识别。对于一些正在开发中的有前途的半导体材料——例如碳化硅 (SiC) 而不是单独的硅 (Si) 用于新型高能、高温器件——一直没有简单直接的方法来详细表征缺陷。

NIST 的 James Ashton 说：“我们开发的方法适用于传统的 Si 和 SiC，这让我们第一次能够通过简单的直流测量来识别缺陷的类型，以及给定空间中缺陷的数量。”与 NIST 和宾夕法尼亚州立大学的同事进行的研究。 该研究的重点是晶体管中两种电荷载流子之间的相互作用：带负电的电子和带正电的“空穴”，它们是局部原子结构中缺少电子的空间。

当晶体管正常工作时，特定的电子电流会沿着所需的路径流动。如果电流遇到缺陷，电子会被俘获或置换，然后与空穴结合形成电中性区域，这一过程称为复合。

每次重组都会从电流中移除一个电子。多个缺陷会导致电流损失，从而导致故障。目标是确定缺陷在哪里、它们的具体影响以及——理想情况下——它们的数量。

“我们希望为制造商提供一种在测试不同新材料时识别和量化缺陷的方法，”NIST 合著者 Jason Ryan 说。 “我们通过创建一种缺陷检测技术的物理模型来做到这一点，该技术已被广泛使用，但迄今为止人们对此知之甚少。然后我们进行了原理验证实验，证实了我们的模型。”

在经典的金属氧化物半导体 (MOS) 设计中，称为栅极的金属电极放置在薄绝缘二氧化硅层的顶部。在该界面下方是半导体的主体。栅极的一侧是输入端，称为源极；另一方面是输出（漏极）。科学家通过改变施加在栅极、源极和漏极上的偏置电压来研究电流的动态变化，所有这些都会影响电流的移动方式。

在这项新工作中，研究人员集中研究了一个通常只有十亿分之一米厚和百万分之一米长的特定区域：薄氧化物层和体半导体本体之间的边界或通道。

“这一层非常重要，因为电压对晶体管氧化物上方金属的影响会改变氧化物下方沟道区域内的电子数量；该区域控制器件从源极到漏极的电阻，”Ashton 说。 “这一层的性能取决于存在多少缺陷。我们研究的检测方法以前无法确定这一层中有多少缺陷。”

检测通道中缺陷的一种敏感方法称为电检测磁共振 (EDMR)，其原理类似于医学 MRI。质子和电子等粒子具有称为自旋的量子特性，这使得它们的行为就像具有两个相反磁极的微小条形磁铁。

在 EDMR 中，晶体管被微波照射。向设备施加磁场，其强度逐渐变化，同时测量输出电流。在频率和场强的正确组合下，缺陷处的电子会“翻转”——反转它们的极点。这导致一些能量损失足够的能量，它们与通道缺陷处的空穴重新结合，从而降低了电流。然而，由于半导体主体中的重组产生大量噪声，通道活动可能难以测量。

为了专注于通道中的活动，研究人员使用了一种称为双极放大效应 (BAE) 的技术，该技术是通过将施加到源极、栅极和漏极的偏置电压安排在特定配置中来实现的，该配置旨在消除来自其他事物的干扰在晶体管中进行。

BAE 已被严格用作施加电压和控制电流以进行 EDMR 测量的资源，这对于更定性的缺陷识别很有用。新模型使 BAE 能够作为一种工具来定量测量缺陷数量，并且仅使用电流和电压即可。重要的参数是界面缺陷密度，它是描述在半导体-氧化物界面的某个区域内有多少缺陷的数字。 BAE模型为研究人员提供了BAE电流与缺陷密度之间关系的数学描述。

研究人员在一组关于金属氧化物半导体晶体管的概念验证实验中测试了该模型，使定量测量成为可能。 “现在我们可以解释整个通道区域的电荷载流子分布的变化，”阿什顿说。 “这开启了通过简单的电气测量即可测量的可能性。”

“这项技术可以提供对这些不稳定晶体管缺陷的存在的独特见解，并提供一条从机理上理解它们形成的途径，”前英特尔公司、现任半导体计量高级总监和理学研究员的 Markus Kuhn 说，他没有参与这项研究。 “有了这些知识，就有更多的机会来控制和减少它们，以提高晶体管的性能和可靠性。这将是进一步增强芯片电路设计和设备性能的机会，从而带来性能更好的产品。”