美國國家標準與技術研究院 （NIST） 的研究人員設計并測試了一種新的、高度靈敏的方法來檢測和計算晶體管中的缺陷。

　　缺陷會限制晶體管和電路的性能，并會影響產(chǎn)品的可靠性，而這種新工藝正值半導體行業(yè)為下一代設備開發(fā)新材料的關鍵時刻。

　　晶體管的性能關鍵取決于指定電流量的可靠程度。晶體管材料中的缺陷，例如不需要的“雜質(zhì)”區(qū)域或斷裂的化學鍵，會中斷和破壞流動，這些缺陷會立即或在一段時間內(nèi)顯現(xiàn)出來。

　　多年來，科學家們已經(jīng)找到了多種方法來對這些影響進行分類和最小化，但隨著晶體管尺寸變小和開關速度加快，缺陷變得越來越難以識別。對于一些正在開發(fā)的有前途的半導體材料——例如碳化硅 （SiC） 而不是單獨用于新型高能、高溫設備的硅 （Si）——還沒有簡單直接的方法來詳細表征缺陷。

　　NIST 的 James Ashton說：“我們開發(fā)的方法適用于傳統(tǒng)的 Si 和 SiC，這使我們第一次不僅可以通過簡單的直流測量來識別給定空間中的缺陷類型，還可以識別缺陷的數(shù)量。”與 NIST 和賓夕法尼亞州立大學的同事進行的研究。該研究側(cè)重于晶體管中兩種電荷載流子之間的相互作用：帶負電的電子和帶正電的“空穴”，即局部原子結(jié)構(gòu)中缺少電子的空間。

　　當晶體管正常工作時，特定的電子電流會沿著所需的路徑流動。如果電流遇到缺陷，電子會被捕獲或移位，然后可以與空穴結(jié)合，在稱為復合的過程中形成電中性區(qū)域。

　　每次復合都會從電流中移除一個電子。多種缺陷會導致電流損失，從而導致故障。目標是確定缺陷的位置及其數(shù)量。

　　“我們希望為制造商提供一種方法來識別和量化缺陷，因為他們正在測試不同的新材料，”NIST的 Jason Ryan 說。“我們通過創(chuàng)建一個缺陷檢測技術的物理模型來做到這一點，該技術已被廣泛使用，但直到現(xiàn)在還知之甚少。然后我們進行了原理驗證實驗，證實了我們的模型。”

　　在經(jīng)典的金屬氧化物半導體設計中，稱為柵極的金屬電極放置在薄絕緣二氧化硅層的頂部。在該界面下方是半導體的塊體。

　　門的一側(cè)是輸入端，稱為源極；另一個是輸出（漏極）。科學家們通過改變施加在柵極、源極和漏極上的“偏置”電壓來研究電流的動態(tài)變化，所有這些都會影響電流的移動方式。

　　NIST 和賓夕法尼亞州立大學的研究人員專注于一個通常只有約十億分之一米厚和百萬分之一米長的特定區(qū)域：薄氧化物層和塊狀半導體主體之間的邊界或通道。

　　“這一層非常重要，因為電壓對晶體管氧化物頂部金屬的影響會改變氧化物下方溝道區(qū)域內(nèi)的電子數(shù)量；該區(qū)域控制著器件從源極到漏極的電阻，”Ashton 說。“這一層的性能取決于存在多少缺陷。我們研究的檢測方法以前無法確定該層內(nèi)有多少缺陷。”

　　一種檢測通道缺陷的靈敏方法稱為電檢測磁共振 （EDMR），其原理與醫(yī)學 MRI 類似。質(zhì)子和電子等粒子具有稱為自旋的量子特性，這使得它們就像具有兩個相反磁極的微小條形磁鐵。在 EDMR 中，晶體管被微波照射的頻率大約是微波爐的四倍。實驗者向設備施加磁場，并在測量輸出電流的同時逐漸改變其強度。

　　在頻率和場強的正確組合下，缺陷處的電子“翻轉(zhuǎn)”，即反轉(zhuǎn)它們的極點。這會導致一些損失足夠的能量，以至于它們與通道缺陷處的空穴重新結(jié)合，從而降低了電流。然而，通道活動可能很難測量，因為大量的“噪聲”來自半導體主體中的重組。

　　為了專注于通道中的活動，研究人員使用了一種稱為雙極放大效應 （BAE） 的技術，該技術通過將施加到源極、柵極和漏極的偏置電壓安排在特定配置中來實現(xiàn)（見圖）。“因此，由于我們在 BAE 中使用了偏置，并且因為我們測量了漏極的電流水平，”Ashton 說，“我們可以消除晶體管中發(fā)生的其他事情的干擾。我們可以只選擇我們在渠道中關心的缺陷。”

　　BAE 運作的確切機制直到該團隊開發(fā)其模型才為人所知。“唯一的測量結(jié)果是定性的，也就是說，它們可以判斷通道中缺陷的種類，但不能判斷數(shù)量，”賓夕法尼亞州立大學工程科學與力學杰出教授帕特里克·勒納漢 （Patrick Lenahan） 說。

　　在 BAE 模型之前，該方案被嚴格用作為 EDMR 測量施加電壓和控制電流的資源，這對于更定性的缺陷識別很有用。新模型使 BAE成為定量測量缺陷數(shù)量的工具，并且僅通過電流和電壓進行測量。重要的參數(shù)是界面缺陷密度，它是一個數(shù)字，描述了半導體-氧化物界面的某個區(qū)域內(nèi)有多少缺陷。BAE 模型為研究人員提供了 BAE 電流如何與缺陷密度相關的數(shù)學描述。

　　研究人員在一組金屬氧化物半導體晶體管的概念驗證實驗中測試了該模型，使定量測量成為可能。“現(xiàn)在我們可以解釋整個通道區(qū)域中電荷載流子分布的變化，”Ashton 說。“這開辟了可以通過簡單的電氣測量進行測量的可能性。”

　　“這項技術可以提供對這些不穩(wěn)定晶體管缺陷的存在的獨特見解，并提供對其形成機制理解的途徑，”前英特爾公司、現(xiàn)任半導體計量學高級主管和理學研究員 Markus Kuhn 說，他沒有參與這個調(diào)查。“有了這些知識，將有更大的機會控制和減少它們，以提高晶體管的性能和可靠性。這將是進一步增強芯片電路設計和設備性能的機會，從而產(chǎn)生更好的產(chǎn)品性能。”

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