先进方法以前所未有灵敏度检测晶体管缺陷

美国国家标准技术研究院（NIST）研究人员及合作者设计测试出高灵敏度方法检测计数晶体管缺陷——半导体业开发下一代器件新材料时极紧迫关切。这些缺陷限制晶体管电路性能，影响产品可靠性。

典型晶体管用于数字用途，基本是开关。开时电流从半导体一侧流向另侧；关则停止电流。这些动作创造数字信息二进制1和0。

晶体管性能关键取决于指定电流流动可靠度。晶体管材料缺陷，如不想要“杂质”区或断裂化学键，打断破坏流动。这些缺陷可即时显现或器件运行一段时间后显现。多年科学家找到许多方法分类最小化这些影响。

但晶体管尺寸近乎不可想象地微小、开关速度极高时，缺陷更难识别。一些有前景开发中半导体材料——如碳化硅（SiC）替代单纯硅（Si）用于新型高能高温器件——一直无简单直接方法详细表征缺陷。

NIST詹姆斯·阿什顿说：“我们开发方法适用传统Si和SiC，首次允许用简单直流测量不仅识别缺陷类型，还能计数给定空间缺陷数。”研究聚焦晶体管两种电荷载流子相互作用：负电子和正“空穴”——局部原子结构缺失电子的空间。

晶体管正常工作时，特定电子电流沿期望路径流动。遇缺陷，电子被捕获或置换，可与空穴复合形成电中性区，称复合过程。

每次复合从电流移除一个电子。多缺陷导致电流损失致故障。目标：确定缺陷位置、具体效应、理想情况下缺陷数量。

NIST合著者杰森·瑞安说：“我们想给制造商方法在测试不同新材料时识别量化缺陷。我们用物理模型建模广泛使用但迄今理解不透彻的缺陷检测技术，再做原理验证实验确认模型。”

经典金属氧化物半导体（MOS）设计中，金属电极称栅极置于薄绝缘二氧化硅层顶。下方为体半导体。栅极一侧输入端称源极；另侧输出端称漏极。科学家通过改变施加栅极、源极、漏极偏置电压研究电流动力学，所有影响电流流动。

新工作聚焦特定区域：典型仅约10亿分之一米厚、百万分之一米长：薄氧化层与体半导体主体间边界、沟道区。

阿什顿说：“此层极重要，因金属顶部氧化层电压效应改变氧化层下沟道区电子数量；此区控制源漏极器件电阻。此层性能取决于缺陷数量。我们研究检测法之前无法确定此层缺陷数量。”

检测沟道缺陷灵敏法称电检磁共振（EDMR），原理似医学MRI。质子电子等粒子有量子自旋性质，像微小条形磁铁有两极。

EDMR中，晶体管辐照微波。施加磁场逐渐变强度，测量输出电流。在精确频率场强组合下，缺陷处电子“翻转”——反转极性。导致部分失去足够能量与沟道缺陷空穴复合，减电流。但沟道活动难测，因体半导体复合大量噪声干扰。

为专注沟道活动，研究者用双极放大效应（BAE），通过特定配置施加源极、栅极、漏极偏置电压，消除晶体管其他干扰。

BAE此前严格用作EDMR测量施加电压控制电流资源，利于定性缺陷识别。新模型让BAE成定量测缺陷数工具，仅用电流电压即可。重要参数是界面缺陷密度——描述半导体-氧化物界面某区域缺陷数量的数。BAE模型给出BAE电流与缺陷密度数学关系描述。

模型经金属氧化物半导体晶体管原理验证实验组测试，使定量测量成为可能。“现在能解释沟道区载流子分布变异，”阿什顿说。“这用简单电测量开启可测量内容新可能。”

前英特尔现Rigaku半导体计量高级总监Markus Kuhn未参与研究评价：“此技术能提供对这些破坏稳定性晶体管缺陷存在独特洞察，及其形成机理理解路径。有此知识，控制减少缺陷改进晶体管性能可靠性机会更大。将进一步增强芯片电路设计和器件性能，带来更好产品。”