トランジスタ欠陥を前例のない感度で検出する高度キャリブレーション手法

米国立標準技術研究所（NIST）の研究者たちと共同研究者たちが、トランジスタの欠陥を検出・計数する高感度手法を考案・テストしました。これは次世代デバイス向け新材料を開発する半導体業界にとって喫緊の課題です。これらの欠陥はトランジスタと回路性能を制限し、製品信頼性に影響を与えます。

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。オンのとき電流が半導体の一方から他方へ流れ、オフにすると電流が止まります。これらの動作がデジタル情報のバイナリ1と0を生み出します。

トランジスタ性能は、指定電流がどれだけ確実に流れるかに大きく依存します。トランジスタ材料の欠陥、望ましくない「不純物」領域や切れた化学結合などが電流の流れを遮断・不安定化します。これらの欠陥は即座に、またはデバイス動作中の一定期間後に顕在化します。長年にわたり、科学者たちはそれらの影響を分類・最小化する多数の方法を見つけてきました。

しかし、トランジスタ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高くなると、欠陥の特定は難しくなります。開発中の有望な半導体材料（シリコン単体ではなく炭化シリコン（SiC）など、新しい高エネルギー・高温デバイス向け）については、詳細な欠陥特性評価のシンプルで直接的な方法がありませんでした。

「我々が開発した手法は従来のSiとSiCの両方に機能し、欠陥のタイプだけでなく、与えられた空間内の欠陥数をシンプルなDC測定で初めて特定可能にしました」とNISTのジェームズ・アシュトン氏は、NISTとペンシルベニア州立大学の同僚たちと行った研究について語ります。研究はトランジスタ内の2種類の電荷キャリア、負に帯電した電子と正に帯電した「正孔」（局所原子構造から電子が欠けた空間）の相互作用に焦点を当てています。

トランジスタが正常に機能しているとき、特定の電子電流が所望の経路を流れます。電流が欠陥に遭遇すると、電子が捕獲・変位し、正孔と再結合して電気的に中性な領域を形成する再結合プロセスが起きます。

各再結合で電流から電子が1つ除去されます。複数の欠陥は電流損失を引き起こし、誤動作につながります。目標は欠陥の位置、具体的影響、理想的には欠陥数を特定することです。

「メーカーが新材料をテストする際、欠陥を特定・定量化する方法を提供したかった」とNIST共著者のジェイソン・ライアン氏は言います。「広く使われてきたが今まで十分に理解されてこなかった欠陥検出技術の物理モデルを作り、概念実証実験でモデルを確認しました。」

古典的なMOS（金属酸化膜半導体）設計では、金属電極ゲートが薄い絶縁酸化シリコン層の上に置かれます。その下にバルク半導体本体があります。ゲートの片側に入力端子（ソース）、もう片側に出力（ドレイン）があります。科学者たちはゲート、ソース、ドレインに印加するバイアス電圧を変化させ、電流流動のダイナミクスを調べます。

この新研究では、研究者たちは厚さ約10億分の1メートル、長さ約100万分の1メートルという特定の1領域に集中しました。薄い酸化層とバルク半導体本体の境界、チャネル領域です。

「この層は極めて重要です。酸化膜上の金属ゲートへの電圧効果が、酸化膜下のチャネル領域内の電子数を変え、ソース-ドレイン間のデバイス抵抗を制御するからです」とアシュトン氏。「この層の性能は欠陥数に依存します。我々が調べた検出法は以前、この層内の欠陥数を特定できませんでした。」

チャネル欠陥を検出する感度の高い方法の1つが電気検出磁気共鳴（EDMR）で、原理は医療MRIと似ています。陽子や電子などの粒子はスピンという量子特性を持ち、二極の微小磁石のように振る舞います。

EDMRではトランジスタにマイクロ波を照射します。磁場をデバイスに印加し、その強度を徐々に変えながら出力電流を測定します。周波数と磁場強度のちょうど良い組み合わせで、欠陥の電子が「フリップ」し、極性を反転させます。これにより一部が十分なエネルギーを失い、チャネル内の欠陥で正孔と再結合し、電流が減少します。しかし半導体バルクでの再結合による大量ノイズのため、チャネル活動の測定は困難です。

チャネル活動に特化するため、研究者たちは双極増幅効果（BAE）と呼ばれる技術を用います。ソース、ゲート、ドレインに印加するバイアス電圧を特定の配置にし、トランジスタ内の他の現象からの干渉を排除するよう設計されています。

BAEはこれまで、EDMR測定のための電圧印加と電流制御のリソースとしてのみ用いられ、定性的欠陥特定に有用でした。新モデルにより、BAEを欠陥数の定量測定ツールとして、電流と電圧のみで使用可能にしました。重要パラメータは界面欠陥密度で、半導体-酸化膜界面の単位面積あたり欠陥数を表す数値です。BAEモデルはBAE電流が欠陥密度とどう関連するかの数学的記述を与えます。

研究者たちが金属酸化膜半導体トランジスタで概念実証実験を行ってテストしたこのモデルにより、定量測定が可能になりました。「これでチャネル領域全体の電荷キャリア分布の変動を考慮できるようになりました」とアシュトン氏。「シンプルな電気測定で測定可能なことの可能性が広がります。」

「この技術は、デスタビライズするトランジスタ欠陥の存在へのユニークな洞察と、それら形成のメカニズム的理解への道を提供します」と、インテル元研究者で現リガク半導体計測シニアディレクター・フェローのマルクス・クーン氏（研究非関与）は述べています。「こうした知識があれば、欠陥を制御・低減し、トランジスタ性能と信頼性を向上させる機会が増えます。チップ回路設計とデバイス性能をさらに向上させ、より高性能な製品につながる機会です。」