Los investigadores del Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) y colaboradores han ideado y probado un nuevo, método altamente sensible de detección y recuento de defectos en transistores, un asunto de urgente preocupación para la industria de los semiconductores a medida que desarrolla nuevos materiales para dispositivos de próxima generación. Estos defectos limitan el rendimiento del circuito y del transistor y pueden afectar la confiabilidad del producto.

Un transistor típico es, para la mayoría de usos, básicamente un interruptor. Cuando está encendido la corriente fluye de un lado a otro de un semiconductor; apagarlo detiene la corriente. Esas acciones crean respectivamente los 1 y 0 binarios de la información digital.

El rendimiento del transistor depende fundamentalmente de la fiabilidad con la que fluirá una cantidad designada de corriente. Defectos en el material del transistor, como regiones de "impurezas" no deseadas o enlaces químicos rotos, interrumpir y desestabilizar el flujo. Estos defectos pueden manifestarse inmediatamente o durante un período de tiempo mientras el dispositivo está en funcionamiento.

A lo largo de muchos años, los científicos han encontrado numerosas formas de clasificar y minimizar esos efectos.

Pero los defectos se vuelven más difíciles de identificar a medida que las dimensiones del transistor se vuelven casi inimaginables y las velocidades de conmutación son muy altas. Para algunos materiales semiconductores prometedores en desarrollo, como el carburo de silicio (SiC) en lugar del silicio (Si) solo para obtener una nueva energía de alta energía, Dispositivos de alta temperatura:no ha habido una forma simple y directa de caracterizar los defectos en detalle.

"El método que desarrollamos funciona tanto con Si como con SiC tradicional, permitiéndonos por primera vez identificar no solo el tipo de defecto sino el número de ellos en un espacio dado con una simple medición de CC, "dijo James Ashton del NIST, quien llevó a cabo la investigación con colegas del NIST y de la Universidad Estatal de Pensilvania. Publicaron sus resultados el 6 de octubre en el Revista de física aplicada . La investigación se centra en las interacciones entre los dos tipos de portadores de carga eléctrica en un transistor:electrones cargados negativamente y "huecos cargados positivamente", "que son espacios donde falta un electrón de la estructura atómica local.

Cuando un transistor funciona correctamente, una corriente de electrones específica fluye a lo largo del camino deseado. (Los agujeros también pueden formar una corriente. Esta investigación exploró la corriente de electrones, la disposición más común.) Si la corriente encuentra un defecto, los electrones quedan atrapados o desplazados, y luego puede combinarse con agujeros para formar un área eléctricamente neutra en un proceso conocido como recombinación.

Cada recombinación elimina un electrón de la corriente. Múltiples defectos causan pérdidas de corriente que conducen a un mal funcionamiento. El objetivo es determinar dónde están los defectos, sus efectos específicos, e, idealmente, el número de ellos.

"Queríamos proporcionar a los fabricantes una forma de identificar y cuantificar los defectos a medida que prueban diferentes materiales nuevos, ", dijo el coautor del NIST Jason Ryan." Lo hicimos mediante la creación de un modelo físico de una técnica de detección de defectos que ha sido ampliamente utilizada pero poco comprendida hasta ahora. Luego llevamos a cabo experimentos de prueba de principio que confirmaron nuestro modelo ".

En un diseño de semiconductor de óxido de metal clásico (ver figura), un electrodo de metal llamado puerta se coloca encima de una fina capa aislante de dióxido de silicio. Debajo de esa interfaz se encuentra el cuerpo principal del semiconductor.

En un lado de la puerta hay un terminal de entrada, llamado la fuente; en el otro hay una salida (drenaje). Los científicos investigan la dinámica del flujo de corriente cambiando los voltajes de "polarización" aplicados a la puerta, fuente y drenaje, todo lo cual afecta la forma en que se mueve la corriente.

En el nuevo trabajo Los investigadores de NIST y Penn State se concentraron en una región en particular que típicamente tiene solo una milmillonésima parte de un metro de espesor y una millonésima de metro de largo:el límite, o canal, entre la fina capa de óxido y el cuerpo semiconductor a granel.

"Esta capa es enormemente importante porque el efecto de un voltaje en la superposición de metal del óxido del transistor actúa para cambiar cuántos electrones hay dentro de la región del canal debajo del óxido; esta región controla la resistencia del dispositivo desde la fuente hasta el drenaje, "Ashton dijo." El rendimiento de esta capa depende de cuántos defectos existen. El método de detección que investigamos anteriormente no podía determinar cuántos defectos había dentro de esta capa ".

Un método sensible para detectar defectos en el canal se llama resonancia magnética detectada eléctricamente (EDMR), que es similar en principio a la resonancia magnética médica. Las partículas como los protones y los electrones tienen una propiedad cuántica llamada espín, lo que los hace actuar como pequeños imanes de barra con dos polos magnéticos opuestos. En EDMR, el transistor se irradia con microondas a una frecuencia aproximadamente cuatro veces mayor que la de un horno microondas. Los experimentadores aplican un campo magnético al dispositivo y varían gradualmente su fuerza mientras miden la corriente de salida.

Exactamente con la combinación correcta de frecuencia e intensidad de campo, los electrones en los defectos se "voltean":invierten sus polos. Esto hace que algunos pierdan suficiente energía que se recombinan con agujeros en los defectos del canal, reduciendo la corriente. La actividad del canal puede ser difícil de medir, sin embargo, debido al alto volumen de "ruido" de la recombinación en la mayor parte del semiconductor.

Centrarse exclusivamente en la actividad del canal, Los investigadores utilizan una técnica llamada efecto de amplificación bipolar (BAE), que se logra disponiendo los voltajes de polarización aplicados a la fuente, compuerta y desagüe en una configuración particular (ver figura). "Entonces, debido al sesgo que usamos en BAE y porque medimos los niveles de corriente en el drenaje, "Ashton dijo, "Podemos eliminar la interferencia de otras cosas que suceden en el transistor. Podemos seleccionar solo los defectos que nos interesan dentro del canal".

El mecanismo exacto por el que opera BAE no se conocía hasta que el equipo desarrolló su modelo. "Los únicos resultados de la medición fueron cualitativos, es decir, podrían decir los tipos de defectos en el canal, pero no el número, "dijo el coautor Patrick Lenahan, un distinguido profesor de ciencias de la ingeniería y mecánica en Penn State.

Antes del modelo de BAE, el esquema se usó estrictamente como un recurso para aplicar voltajes y controlar corrientes para mediciones EDMR, que es útil para una identificación de defectos más cualitativa. El nuevo modelo habilita BAE como herramienta para medir cuantitativamente el número de defectos y hacerlo solo con corrientes y voltajes. El parámetro de importancia es la densidad de defectos de la interfaz, que es un número que describe cuántos defectos hay dentro de un área de la interfaz semiconductor-óxido. El modelo BAE ofrece a los investigadores una descripción matemática de cómo la corriente BAE está relacionada con la densidad del defecto.

El modelo, que los investigadores probaron en un conjunto de experimentos de prueba de concepto en transistores semiconductores de óxido metálico, hace posible las mediciones cuantitativas. "Ahora podemos dar cuenta de la variación en la distribución del operador de carga en toda la región del canal, ", Dijo Ashton." Esto abre las posibilidades de lo que se puede medir con una simple medición eléctrica ".

"Esta técnica puede proporcionar una visión única de la presencia de estos defectos desestabilizadores del transistor y un camino hacia la comprensión mecanicista de su formación, "dijo Markus Kuhn, anteriormente en Intel y ahora director senior de metrología de semiconductores y miembro de Rigaku, que no participó en la investigación. "Con tal conocimiento, habría una mayor oportunidad de controlarlos y reducirlos para mejorar el rendimiento y la confiabilidad del transistor. Esta sería una oportunidad para mejorar aún más el diseño de los circuitos del chip y el rendimiento del dispositivo, lo que conduciría a productos de mejor rendimiento ".

Esta historia se vuelve a publicar por cortesía de NIST. Lea la historia original aquí.