트랜지스터 결함 전례 없는 감도로 검출하는 첨단 교정법

미국 국립표준기술연구소(NIST) 연구원들과 협력자들이 트랜지스터 결함을 감지하고 계수하는 고감도 방법을 고안하고 테스트했다. 이는 차세대 소재 개발 중인 반도체 업계에 시급한 문제다. 이 결함들은 트랜지스터와 회로 성능을 제한하고 제품 신뢰성에 영향을 줄 수 있다.

디지털 용도 일반 트랜지스터는 기본적으로 스위치다. 켜지면 전류가 반도체 한 쪽에서 다른 쪽으로 흐르고, 끄면 전류 차단. 이 동작이 디지털 정보의 이진 1과 0을 만든다.

트랜지스터 성능은 지정된 전류량이 얼마나 안정적으로 흐르는지에 결정적으로 의존한다. 원치 않는 '불순물' 영역이나 끊어진 화학 결합 같은 트랜지스터 소재 결함이 전류 흐름을 방해하고 불안정하게 만든다. 이런 결함은 즉시 나타나거나 장치 작동 중 일정 기간 후 나타날 수 있다. 오랜 세월 과학자들은 그런 효과 분류와 최소화 방법을 많이 찾아냈다.

하지만 트랜지스터 치수가 상상하기 힘들 만큼 작아지고 스위칭 속도가 매우 빨라지면서 결함 식별이 더 어려워진다. 개발 중인 일부 유망 반도체 소재(예: 실리콘 카바이드 SiC를 실리콘 Si 대신 써서 신규 고에너지·고온 소자 만듦)에는 결함을 상세히 특성화할 간단하고 직관적 방법이 없었다.

"우리가 개발한 방법은 기존 Si와 SiC 모두에 작동해, 처음으로 결함 유형뿐 아니라 주어진 공간 내 결함 개수를 단순 DC 측정으로 식별할 수 있게 했다"라고 NIST 제임스 애슈턴(James Ashton)은 말했다. 그는 NIST 동료들과 펜실베이니아 주립대 연구진과 연구 수행. 연구는 트랜지스터 내 두 종류 전하 운반체(음전하 전자, 양전하 '정공') 간 상호작용에 초점 맞췄다. 정공은 지역 원자 구조에서 전자가 빠진 공간이다.

트랜지스터가 올바르게 작동하면 특정 전자 전류가 원하는 경로 따라 흐른다. 전류가 결함 만나면 전자 갇히거나 밀려나 정공과 결합해 전기적 중성 영역 형성, 재결합(recombination) 과정 발생.

각 재결합이 전류에서 전자 하나 제거. 다중 결함은 전류 손실 일으켜 오작동 유발. 목표는 결함 위치, 특정 효과, 이상적으로는 결함 개수 결정.

"제조사들이 다양한 새 소재 테스트할 때 결함 식별·정량화 방법 제공하고 싶었다"라고 NIST 공동저자 제이슨 라이언(Jason Ryan) 말했다. "물리 모델 만들어 널리 쓰이지만 잘 이해되지 않던 결함 검출 기술로 정량 측정 가능하게 했다. 개념증명 실험으로 모델 확인."

전형적 금속산화물반도체(MOS) 설계에서 금속 전극 게이트가 얇은 산화실리콘 층 위에 놓인다. 그 아래 인터페이스 아래가 벌크 반도체 본체. 게이트 한쪽에 입력 단자 소스(source), 다른 쪽에 출력(드레인). 게이트, 소스, 드레인에 가해지는 바이어스 전압 변화로 전류 흐름 역학 조사.

이 새 연구에서 연구자들은 두께 약 10억 분의 1미터, 길이 약 100만 분의 1미터 특정 영역에 집중: 얇은 산화층과 벌크 반도체 본체 사이 경계, 즉 채널(channel).

"이 층은 엄청 중요하다. 산화물 위 금속 전압 효과가 산화물 아래 채널 영역 내 전자 수 변화시켜 소스-드레인 간 소자 저항 제어하기 때문"이라고 애슈턴 말했다. "이 층 성능은 결함 수에 의존. 우리가 조사한 검출법은 이전 이 층 내 결함 수 결정 못 했다."

채널 결함 감지 민감한 방법 중 하나가 전기적 검출 자기공명(EDMR)으로, 의료 MRI와 원리 유사. 양성자와 전자 같은 입자들은 스핀이란 양자 속성 가져 작은 자석처럼 양극·음극 두 반대 자기극 가진다.

EDMR에서 트랜지스터에 마이크로파 조사. 자기장 가해 장치 강도 점차 변화시키며 출력 전류 측정. 정확히 적절한 주파수와 자기장 강도 조합에서 결함 전자들 '플립(flip)' - 극성 반전. 이로 인해 일부가 충분한 에너지 잃고 채널 결함에서 정공과 재결합해 전류 감소. 하지만 반도체 벌크 내 재결합 많은 노이즈 때문에 채널 활동 측정 어려움.

채널 활동 독점적 초점 위해 연구자들은 양극성 증폭 효과(BAE)라 불리는 기술 사용. 소스, 게이트, 드레인 바이어스 전압을 특수 배열해 트랜지스터 내 다른 간섭 제거.

BAE는 EDMR 측정용 전압 인가·전류 제어 자원으로만 엄격히 쓰여왔으며, 정성적 결함 식별에 유용. 새 모델로 BAE를 결함 수 정량 측정 도구로 활용 가능, 전류·전압만으로. 중요 매개변수는 계면 결함 밀도(interface defect density), 반도체-산화물 인터페이스 단위 면적당 결함 수 설명 숫자. BAE 모델은 BAE 전류가 결함 밀도와 어떻게 관련되는지 수학적 설명 제공.

모델은 금속산화물반도체 트랜지스터 개념증명 실험 세트로 테스트, 정량 측정 가능하게 함. "이제 채널 영역 전하 운반체 분포 변동 고려 가능" 애슈턴 말. "단순 전기 측정으로 측정 가능 범위 열린다."

"이 기술은 불안정 트랜지스터 결함 존재에 독특한 통찰과 형성 메커니즘 이해 길 제공" 인텔 출신 마르쿠스 쿤(Markus Kuhn) 현 리가쿠(Rigaku) 수석 디렉터 말(연구 불참). "그런 지식으로 결함 제어·감소 기회 늘어나 트랜지스터 성능·신뢰성 개선. 칩 회로 설계와 소자 성능 추가 향상 기회로 이어져 더 나은 제품 나올 것."