トランジスタの欠陥を検出する高感度の新しい方法

米国国立標準技術研究所（NIST）の研究者と共同研究者は、トランジスタの欠陥を検出してカウントする高感度の方法を考案してテストしました。これは、次世代デバイス用の新しい材料を開発する半導体業界にとって緊急の懸念事項です。これらの欠陥はトランジスタと回路の性能を制限し、製品の信頼性に影響を与える可能性があります。

典型的なトランジスタは、デジタル用途では、基本的にスイッチです。オンの場合、電流は半導体の一方の側からもう一方の側に流れます。スイッチをオフにすると、電流が停止します。これらのアクションにより、デジタル情報のバイナリ1と0が作成されます。

トランジスタの性能は、指定された量の電流がどれだけ確実に流れるかに大きく依存します。不要な「不純物」領域や化学結合の切断などのトランジスタ材料の欠陥により、流れが中断され、不安定になります。これらの欠陥は、デバイスの動作中にすぐに、または一定期間にわたって現れる可能性があります。そして何年にもわたって、科学者はそれらの影響を分類して最小化する多くの方法を見つけました。

しかし、トランジスタの寸法が想像を絶するほど小さくなり、スイッチング速度が非常に速くなるため、欠陥の特定が難しくなります。開発中のいくつかの有望な半導体材料（新しい高エネルギー、高温デバイス用のシリコン（Si）のみの代わりに炭化ケイ素（SiC）など）では、欠陥を詳細に特徴づける簡単で簡単な方法はありませんでした。

「私たちが開発した方法は、従来のSiとSiCの両方で機能し、簡単なDC測定で欠陥のタイプだけでなく特定の空間内の欠陥の数を初めて特定することができます」とNISTのJamesAshton氏は述べています。 NISTおよびペンシルバニア州立大学の同僚との研究。 この研究は、トランジスタ内の2種類の電荷キャリア間の相互作用に焦点を当てています。負に帯電した電子と正に帯電した「ホール」です。これらは、局所的な原子構造から電子が欠落している空間です。

トランジスタが正しく機能している場合、特定の電子電流が目的の経路に沿って流れます。電流に欠陥が発生すると、電子がトラップまたは変位し、正孔と結合して、再結合と呼ばれるプロセスで電気的に中性の領域を形成します。

各再結合は、電流から電子を取り除きます。複数の欠陥は、誤動作につながる電流損失を引き起こします。目標は、欠陥がどこにあるか、それらの特定の影響、そして理想的にはそれらの数を特定することです。

「私たちは、さまざまな新素材をテストしているときに欠陥を特定して定量化する方法をメーカーに提供したかったのです」と、NISTの共著者であるジェイソンライアンは述べています。 「これは、広く使用されているが今までほとんど理解されていなかった欠陥検出技術の物理モデルを作成することによって実現しました。次に、モデルを確認する原理実証実験を実施しました。」

従来の金属酸化物半導体（MOS）設計では、ゲートと呼ばれる金属電極が薄い絶縁二酸化ケイ素層の上に配置されます。そのインターフェースの下には、半導体のバルクボディがあります。ゲートの片側には、ソースと呼ばれる入力端子があります。もう1つは出力（ドレイン）です。科学者は、ゲート、ソース、ドレインに印加されるバイアス電圧を変更することにより、電流の流れのダイナミクスを調査します。これらはすべて、電流の移動に影響を与えます。

この新しい研究では、研究者たちは、通常、厚さが約10億分の1メートル、長さが100万分の1メートルの特定の領域、つまり薄い酸化物層とバルク半導体本体の間の境界またはチャネルに集中しました。

「トランジスタの酸化物の上の金属上の電圧の影響は、酸化物の下のチャネル領域内にある電子の数を変えるように作用するため、この層は非常に重要です。この領域は、ソースからドレインまでのデバイスの抵抗を制御します」とアシュトン氏は述べています。 「この層の性能は、存在する欠陥の数に依存します。以前に調査した検出方法では、このレイヤー内にある欠陥の数を特定できませんでした。」

チャネルの欠陥を検出するための高感度な方法の1つは、電気的検出磁気共鳴（EDMR）と呼ばれ、原理的には医療用MRIと同様です。陽子や電子などの粒子は、スピンと呼ばれる量子特性を持っているため、2つの反対の磁極を持つ小さな棒磁石のように機能します。

EDMRでは、トランジスタにマイクロ波が照射されます。デバイスに磁場をかけ、出力電流を測定しながらその強度を徐々に変化させます。周波数と電界強度の正確に正しい組み合わせで、欠陥のある電子は「反転」します—それらの極を反転させます。これにより、一部のエネルギーが失われ、チャネルの欠陥でホールと再結合して、電流が減少します。ただし、半導体の大部分での再結合による大量のノイズのため、チャネルアクティビティを測定するのは難しい場合があります。

チャネル内のアクティビティにのみ焦点を当てるために、研究者はバイポーラ増幅効果（BAE）と呼ばれる手法を使用します。これは、ソース、ゲート、およびドレインに印加されるバイアス電圧を、他のものからの干渉を排除するように設計された特定の構成に配置することによって実現されます。トランジスタで起こっています。

BAEは、EDMR測定の電圧を印加し、電流を制御するためのリソースとして厳密に使用されていました。これは、より定性的な欠陥の識別に役立ちます。新しいモデルにより、BAEは欠陥の数を定量的に測定し、電流と電圧だけで測定することができます。重要なパラメータは、界面欠陥密度です。これは、半導体-酸化物界面の特定の領域内にある欠陥の数を表す数値です。 BAEモデルは、BAE電流が欠陥密度にどのように関連しているかを数学的に説明します。

研究者が金属酸化物半導体トランジスタの一連の概念実証実験でテストしたモデルにより、定量的な測定が可能になります。 「これで、チャネル領域全体の電荷キャリア分布の変動を説明できます」とアシュトン氏は述べています。 「これにより、簡単な電気測定で測定できる可能性が広がります。」

「この技術は、これらの不安定なトランジスタの欠陥の存在に対する独自の洞察と、それらの形成の機械的な理解への道を提供することができます」と、元インテルで、現在は半導体計測のシニアディレクターであり、リガクのフェローであるMarkusKuhnは述べています。リサーチ。 「そのような知識があれば、トランジスタの性能と信頼性を向上させるために、それらを制御および削減する機会が増えるでしょう。これは、チップ回路の設計とデバイスのパフォーマンスをさらに強化して、製品のパフォーマンスを向上させる機会となるでしょう。」