Ricercatori del National Institute of Standards and Technology (NIST) e collaboratori hanno ideato e testato un nuovo, metodo altamente sensibile per rilevare e contare i difetti nei transistor, una questione di urgente preoccupazione per l'industria dei semiconduttori mentre sviluppa nuovi materiali per dispositivi di prossima generazione. Questi difetti limitano le prestazioni di transistor e circuiti e possono influire sull'affidabilità del prodotto.

Un tipico transistor è, per la maggior parte degli usi, sostanzialmente un interruttore. Quando è acceso, la corrente scorre da un lato all'altro di un semiconduttore; spegnendolo interrompe la corrente. Queste azioni creano rispettivamente gli 1 e gli 0 binari dell'informazione digitale.

Le prestazioni del transistor dipendono in modo critico dall'affidabilità del flusso di una determinata quantità di corrente. Difetti nel materiale del transistor, come regioni di "impurità" indesiderate o legami chimici rotti, interrompere e destabilizzare il flusso. Questi difetti possono manifestarsi immediatamente o per un periodo di tempo mentre il dispositivo è in funzione.

Per molti anni, gli scienziati hanno trovato numerosi modi per classificare e ridurre al minimo questi effetti.

Ma i difetti diventano più difficili da identificare poiché le dimensioni dei transistor diventano quasi inimmaginabilmente piccole e le velocità di commutazione molto elevate. Per alcuni promettenti materiali semiconduttori in fase di sviluppo, come il carburo di silicio (SiC) invece del solo silicio (Si) per nuovi prodotti ad alta energia, dispositivi ad alta temperatura:non esisteva un modo semplice e diretto per caratterizzare i difetti in dettaglio.

"Il metodo che abbiamo sviluppato funziona sia con il Si tradizionale che con il SiC, permettendoci per la prima volta di identificare non solo il tipo di difetto ma il numero di essi in un dato spazio con una semplice misurazione DC, " ha detto James Ashton del NIST, che ha condotto la ricerca con i colleghi del NIST e della Pennsylvania State University. Hanno pubblicato i loro risultati il ​​6 ottobre nel Rivista di fisica applicata . La ricerca si concentra sulle interazioni tra i due tipi di portatori di carica elettrica in un transistor:elettroni con carica negativa e "buchi" con carica positiva, " che sono spazi in cui manca un elettrone dalla struttura atomica locale.

Quando un transistor funziona correttamente, una specifica corrente di elettroni scorre lungo il percorso desiderato. (I buchi possono anche formare una corrente. Questa ricerca ha esplorato la corrente di elettroni, la disposizione più comune.) Se la corrente incontra un difetto, gli elettroni sono intrappolati o spostati, e può quindi combinarsi con i fori per formare un'area elettricamente neutra in un processo noto come ricombinazione.

Ogni ricombinazione sottrae un elettrone alla corrente. Difetti multipli causano perdite di corrente che portano a malfunzionamenti. L'obiettivo è determinare dove sono i difetti, i loro effetti specifici, e, idealmente, il loro numero.

"Volevamo fornire ai produttori un modo per identificare e quantificare i difetti mentre stanno testando diversi nuovi materiali, ", ha affermato il coautore del NIST Jason Ryan. "Lo abbiamo fatto creando un modello fisico di una tecnica di rilevamento dei difetti che è stata ampiamente utilizzata ma poco conosciuta fino ad ora. Abbiamo quindi condotto esperimenti di prova del principio che hanno confermato il nostro modello".

In un classico design a semiconduttore in ossido di metallo (vedi figura), un elettrodo metallico chiamato gate è posto sopra un sottile strato isolante di biossido di silicio. Al di sotto di tale interfaccia si trova il corpo sfuso del semiconduttore.

Su un lato del cancello c'è un terminale di ingresso, chiamato la fonte; dall'altro c'è un'uscita (drain). Gli scienziati studiano la dinamica del flusso di corrente modificando le tensioni di "polarizzazione" applicate al gate, sorgente e scarico, tutto ciò influenza il modo in cui si muove la corrente.

Nel nuovo lavoro, i ricercatori del NIST e della Penn State si sono concentrati su una particolare regione che in genere è spessa solo circa 1 miliardesimo di metro e lunga un milionesimo di metro:il confine, o canale, tra il sottile strato di ossido e il corpo semiconduttore bulk.

"Questo strato è estremamente importante perché l'effetto di una tensione sul metallo sopra l'ossido del transistor agisce per cambiare il numero di elettroni all'interno della regione del canale sotto l'ossido; questa regione controlla la resistenza del dispositivo dalla sorgente allo scarico, " Ashton ha detto. "Le prestazioni di questo strato dipendono da quanti difetti esistono. Il metodo di rilevamento che abbiamo studiato in precedenza non era in grado di determinare quanti difetti c'erano all'interno di questo livello".

Un metodo sensibile per rilevare i difetti nel canale è chiamato risonanza magnetica rilevata elettricamente (EDMR), che è simile in linea di principio alla risonanza magnetica medica. Particelle come protoni ed elettroni hanno una proprietà quantistica chiamata spin, che li fa agire come minuscole barre magnetiche con due poli magnetici opposti. Nell'EDMR, il transistor viene irradiato con microonde ad una frequenza circa quattro volte superiore a quella di un forno a microonde. Gli sperimentatori applicano un campo magnetico al dispositivo e ne variano gradualmente la forza misurando la corrente di uscita.

Con la giusta combinazione di frequenza e intensità di campo, gli elettroni in corrispondenza dei difetti "flip" - invertono i loro poli. Questo fa sì che alcuni perdano abbastanza energia da ricombinarsi con buchi in corrispondenza di difetti nel canale, riducendo la corrente. L'attività del canale può essere difficile da misurare, però, a causa dell'elevato volume di "rumore" dalla ricombinazione nella maggior parte del semiconduttore.

Per concentrarsi esclusivamente sull'attività nel canale, i ricercatori utilizzano una tecnica chiamata effetto di amplificazione bipolare (BAE), che si ottiene disponendo le tensioni di polarizzazione applicate alla sorgente, cancello e piletta in una configurazione particolare (vedi figura). "Quindi, a causa della polarizzazione che utilizziamo in BAE e poiché misuriamo i livelli attuali allo scarico, "Aston ha detto, "Possiamo eliminare le interferenze da altre cose che accadono nel transistor. Possiamo selezionare solo i difetti che ci interessano all'interno del canale".

L'esatto meccanismo con cui opera BAE non era noto fino a quando il team non ha sviluppato il suo modello. "Gli unici risultati delle misurazioni erano qualitativi, cioè potevano dire i tipi di difetti nel canale ma non il numero, " ha detto il co-autore Patrick Lenahan, un illustre professore di scienze ingegneristiche e meccanica alla Penn State.

Prima del modello di BAE, lo schema è stato utilizzato rigorosamente come risorsa per l'applicazione di tensioni e il controllo delle correnti per le misurazioni EDMR, che è utile per un'identificazione più qualitativa del difetto. Il nuovo modello consente a BAE come strumento di misurare quantitativamente il numero di difetti e di farlo con solo correnti e tensioni. Il parametro di importanza è la densità dei difetti di interfaccia, che è un numero che descrive quanti difetti ci sono all'interno di un'area dell'interfaccia semiconduttore-ossido. Il modello BAE fornisce ai ricercatori una descrizione matematica di come la corrente BAE è correlata alla densità del difetto.

Il modello, che i ricercatori hanno testato in una serie di esperimenti di prova del concetto su transistor a semiconduttore in ossido di metallo, rende possibili misurazioni quantitative. "Ora possiamo spiegare la variazione nella distribuzione del vettore di carica in tutta la regione del canale, " ha detto Ashton. "Questo apre le possibilità di ciò che può essere misurato con una semplice misurazione elettrica".

"Questa tecnica può fornire una visione unica della presenza di questi difetti destabilizzanti dei transistor e un percorso verso la comprensione meccanicistica della loro formazione, " ha detto Markus Kuhn, precedentemente in Intel e ora direttore senior della metrologia dei semiconduttori e collega a Rigaku, che non è stato coinvolto nella ricerca. "Con tale conoscenza, ci sarebbero maggiori opportunità di controllarli e ridurli al fine di migliorare le prestazioni e l'affidabilità dei transistor. Questa sarebbe un'opportunità per migliorare ulteriormente il design del circuito del chip e le prestazioni del dispositivo, portando a prodotti più performanti".

Questa storia è stata ripubblicata per gentile concessione del NIST. Leggi la storia originale qui.