트랜지스터 결함을 감지하는 민감한 새로운 방법

NIST(National Institute of Standards and Technology)의 연구원들과 협력자들은 트랜지스터의 결함을 감지하고 계산하는 매우 민감한 방법을 고안하고 테스트했습니다. 이는 차세대 장치를 위한 새로운 재료를 개발하는 반도체 산업에서 시급한 문제입니다. 이러한 결함은 트랜지스터 및 회로 성능을 제한하고 제품 신뢰성에 영향을 미칠 수 있습니다.

일반적인 트랜지스터는 디지털 용도로 기본적으로 스위치입니다. 켜져 있으면 전류가 반도체의 한쪽에서 다른 쪽으로 흐릅니다. 끄면 전류가 멈춥니다. 이러한 작업은 디지털 정보의 이진 1과 0을 생성합니다.

트랜지스터 성능은 지정된 양의 전류가 얼마나 안정적으로 흐를 것인가에 달려 있습니다. 원하지 않는 "불순물" 영역이나 끊어진 화학 결합과 같은 트랜지스터 재료의 결함은 흐름을 방해하고 불안정하게 만듭니다. 이러한 결함은 장치가 작동하는 동안 즉시 또는 일정 기간 동안 나타날 수 있습니다. 그리고 수년에 걸쳐 과학자들은 이러한 영향을 분류하고 최소화하는 다양한 방법을 찾았습니다.

그러나 트랜지스터 크기가 상상할 수 없을 정도로 작아지고 스위칭 속도가 매우 빨라짐에 따라 결함을 식별하기가 더 어려워집니다. 새로운 고에너지, 고온 장치를 위한 실리콘(Si) 대신 탄화규소(SiC)와 같이 개발 중인 일부 유망한 반도체 재료의 경우 결함을 자세히 특성화하는 간단하고 직접적인 방법이 없었습니다.

NIST의 James Ashton은 "우리가 개발한 방법은 기존 Si 및 SiC 모두에서 작동하므로 간단한 DC 측정으로 결함 유형뿐만 아니라 주어진 공간에서 결함 수를 식별할 수 있게 되었습니다."라고 말했습니다. NIST 및 Pennsylvania State University의 동료들과의 연구. 이 연구는 트랜지스터에서 두 종류의 전하 운반체, 즉 음전하를 띤 전자와 양전하를 띤 "정공" 사이의 상호작용에 초점을 맞추며, 이 공간은 국부 원자 구조에서 전자가 누락된 공간입니다.

트랜지스터가 올바르게 작동하면 특정 전자 전류가 원하는 경로를 따라 흐릅니다. 전류가 결함을 만나면 전자가 갇히거나 옮겨지고 정공과 결합하여 재결합이라고 알려진 과정에서 전기적으로 중성인 영역을 형성할 수 있습니다.

각 재결합은 전류에서 전자를 제거합니다. 다중 결함은 오작동으로 이어지는 전류 손실을 일으킵니다. 목표는 결함의 위치, 특정 효과, 이상적으로는 결함 수를 결정하는 것입니다.

NIST의 공동 저자인 제이슨 라이언(Jason Ryan)은 “제조업체가 다양한 신소재를 테스트할 때 결함을 식별하고 정량화할 수 있는 방법을 제공하고자 했습니다. "우리는 널리 사용되었지만 지금까지 제대로 이해되지 않은 결함 감지 기술의 물리학 모델을 만들어 이를 수행했습니다. 그런 다음 우리 모델을 확인하는 원리 증명 실험을 수행했습니다.”

고전적인 금속 산화물 반도체(MOS) 설계에서 게이트라고 하는 금속 전극은 얇은 절연 이산화규소 층 위에 배치됩니다. 그 인터페이스 아래에는 반도체의 벌크 본체가 있습니다. 게이트의 한쪽에는 소스라고 하는 입력 단자가 있습니다. 다른 하나는 출력(드레인)입니다. 과학자들은 게이트, 소스 및 드레인에 적용되는 바이어스 전압을 변경하여 전류 흐름의 역학을 조사합니다. 이러한 전압은 모두 전류 이동 방식에 영향을 미칩니다.

이 새로운 연구에서 연구원들은 일반적으로 두께가 약 10억분의 1m이고 길이가 100만분의 1m에 불과한 한 특정 영역, 즉 얇은 산화물 층과 벌크 반도체 본체 사이의 경계 또는 채널에 집중했습니다.

“이 층은 트랜지스터의 산화물 위에 있는 금속에 대한 전압의 영향이 산화물 아래의 채널 영역 내에 얼마나 많은 전자가 있는지를 변경하는 작용을 하기 때문에 매우 중요합니다. 이 영역은 소스에서 드레인까지 디바이스의 저항을 제어합니다.”라고 Ashton은 말했습니다. "이 레이어의 성능은 얼마나 많은 결함이 존재하는지에 달려 있습니다. 우리가 조사한 탐지 방법은 이전에 이 레이어에 얼마나 많은 결함이 있는지 확인할 수 없었습니다."

채널의 결함을 감지하는 한 가지 민감한 방법은 전기적으로 감지된 자기 공명(EDMR)이라고 하며, 이는 원칙적으로 의료 MRI와 유사합니다. 양성자 및 전자와 같은 입자는 스핀이라는 양자 특성을 가지고 있어 두 개의 반대 자극이 있는 작은 막대 자석처럼 작용합니다.

EDMR에서 트랜지스터는 마이크로파로 조사됩니다. 소자에 자기장을 가하여 그 세기를 서서히 변화시키면서 출력 전류를 측정한다. 주파수와 전계 강도의 정확한 조합에서 결함이 있는 전자는 "뒤집기"—극을 뒤집습니다. 이로 인해 일부는 채널의 결함에 있는 구멍과 재결합할 만큼 충분한 에너지를 잃게 되어 전류가 감소합니다. 그러나 대부분의 반도체에서 재결합으로 인한 노이즈가 많기 때문에 채널 활동을 측정하기 어려울 수 있습니다.

채널의 활동에만 집중하기 위해 연구원들은 BAE(Bipolar Amplification Effect)라는 기술을 사용합니다. 이 기술은 소스, 게이트 및 드레인에 인가되는 바이어스 전압을 다른 것들의 간섭을 제거하도록 설계된 특정 구성으로 배열함으로써 달성됩니다. 트랜지스터에서 진행 중입니다.

BAE는 EDMR 측정을 위해 전압을 인가하고 전류를 제어하기 위한 리소스로 엄격하게 사용되었으며, 이는 보다 정성적인 결함 식별에 유용합니다. 새로운 모델을 통해 BAE는 결함 수를 정량적으로 측정하고 전류와 전압만으로 측정할 수 있는 도구로 사용할 수 있습니다. 중요한 매개변수는 계면 결함 밀도이며, 이는 반도체-산화물 계면의 일부 영역 내에 얼마나 많은 결함이 있는지를 설명하는 숫자입니다. BAE 모델은 연구원들에게 BAE 전류가 결함 밀도와 어떻게 관련되는지에 대한 수학적 설명을 제공합니다.

연구원들이 금속 산화물 반도체 트랜지스터에 대한 일련의 개념 증명 실험에서 테스트한 이 모델은 정량적 측정을 가능하게 합니다. Ashton은 “이제 우리는 채널 영역 전체에 걸쳐 전하 캐리어 분포의 변화를 설명할 수 있습니다. "이것은 간단한 전기 측정으로 측정할 수 있는 가능성을 열어줍니다."

"이 기술은 이러한 불안정한 트랜지스터 결함의 존재에 대한 독특한 통찰력과 그 형성에 대한 기계론적 이해 경로를 제공할 수 있습니다."라고 이전 Intel의 Markus Kuhn이자 현재 반도체 계측 수석 이사이자 Rigaku의 펠로우이며 여기에 관여하지 않았습니다. 연구. “이러한 지식이 있으면 트랜지스터 성능과 신뢰성을 향상시키기 위해 이를 제어하고 줄일 수 있는 더 큰 기회가 있을 것입니다. 이것은 칩 회로의 설계와 장치 성능을 더욱 향상시켜 더 나은 성능의 제품을 만드는 기회가 될 것입니다.”