美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究院 （NIST） 的研究人員設(shè)計(jì)并測(cè)試了一種新的、高度靈敏的方法來(lái)檢測(cè)和計(jì)算晶體管中的缺陷。

　　缺陷會(huì)限制晶體管和電路的性能，并會(huì)影響產(chǎn)品的可靠性，而這種新工藝正值半導(dǎo)體行業(yè)為下一代設(shè)備開(kāi)發(fā)新材料的關(guān)鍵時(shí)刻。

　　晶體管的性能關(guān)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(xué)鍵，會(huì)中斷和破壞流動(dòng)，這些缺陷會(huì)立即或在一段時(shí)間內(nèi)顯現(xiàn)出來(lái)。

　　多年來(lái)，科學(xué)家們已經(jīng)找到了多種方法來(lái)對(duì)這些影響進(jìn)行分類(lèi)和最小化，但隨著晶體管尺寸變小和開(kāi)關(guān)速度加快，缺陷變得越來(lái)越難以識(shí)別。對(duì)于一些正在開(kāi)發(fā)的有前途的半導(dǎo)體材料——例如碳化硅 （SiC） 而不是單獨(dú)用于新型高能、高溫設(shè)備的硅 （Si）——還沒(méi)有簡(jiǎn)單直接的方法來(lái)詳細(xì)表征缺陷。

　　NIST 的 James Ashton說(shuō)：“我們開(kāi)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(guò)簡(jiǎn)單的直流測(cè)量來(lái)識(shí)別給定空間中的缺陷類(lèi)型，還可以識(shí)別缺陷的數(shù)量。”與 NIST 和賓夕法尼亞州立大學(xué)的同事進(jìn)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(fù)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(dāng)晶體管正常工作時(shí)，特定的電子電流會(huì)沿著所需的路徑流動(dòng)。如果電流遇到缺陷，電子會(huì)被捕獲或移位，然后可以與空穴結(jié)合，在稱(chēng)為復(fù)合的過(guò)程中形成電中性區(qū)域。

　　每次復(fù)合都會(huì)從電流中移除一個(gè)電子。多種缺陷會(huì)導(dǎo)致電流損失，從而導(dǎo)致故障。目標(biāo)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(lái)識(shí)別和量化缺陷，因?yàn)樗麄冋跍y(cè)試不同的新材料，”NIST的 Jason Ryan 說(shuō)?！拔覀兺ㄟ^(guò)創(chuàng)建一個(gè)缺陷檢測(cè)技術(shù)的物理模型來(lái)做到這一點(diǎn)，該技術(shù)已被廣泛使用，但直到現(xiàn)在還知之甚少。然后我們進(jìn)行了原理驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，證實(shí)了我們的模型。”

　　在經(jīng)典的金屬氧化物半導(dǎo)體設(shè)計(jì)中，稱(chēng)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(dǎo)體的塊體。

　　門(mén)的一側(cè)是輸入端，稱(chēng)為源極；另一個(gè)是輸出（漏極）?？茖W(xué)家們通過(guò)改變施加在柵極、源極和漏極上的“偏置”電壓來(lái)研究電流的動(dòng)態(tài)變化，所有這些都會(huì)影響電流的移動(dòng)方式。

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

　　“這一層非常重要，因?yàn)殡妷簩?duì)晶體管氧化物頂部金屬的影響會(huì)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(shuō)?！斑@一層的性能取決于存在多少缺陷。我們研究的檢測(cè)方法以前無(wú)法確定該層內(nèi)有多少缺陷?！?/p>

　　一種檢測(cè)通道缺陷的靈敏方法稱(chēng)為電檢測(cè)磁共振 （EDMR），其原理與醫(yī)學(xué) MRI 類(lèi)似。質(zhì)子和電子等粒子具有稱(chēng)為自旋的量子特性，這使得它們就像具有兩個(gè)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(shí)驗(yàn)者向設(shè)備施加磁場(chǎng)，并在測(cè)量輸出電流的同時(shí)逐漸改變其強(qiáng)度。

　　在頻率和場(chǎng)強(qiáng)的正確組合下，缺陷處的電子“翻轉(zhuǎn)”，即反轉(zhuǎn)它們的極點(diǎn)。這會(huì)導(dǎo)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(dòng)可能很難測(cè)量，因?yàn)榇罅康摹霸肼暋眮?lái)自半導(dǎo)體主體中的重組。

　　為了專(zhuān)注于通道中的活動(dòng)，研究人員使用了一種稱(chēng)為雙極放大效應(yīng) （BAE） 的技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)（見(jiàn)圖）?！耙虼耍捎谖覀?cè)?BAE 中使用了偏置，并且因?yàn)槲覀儨y(cè)量了漏極的電流水平，”Ashton 說(shuō)，“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?cè)谇乐嘘P(guān)心的缺陷?！?/p>

　　BAE 運(yùn)作的確切機(jī)制直到該團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)其模型才為人所知?！拔ㄒ坏臏y(cè)量結(jié)果是定性的，也就是說(shuō)，它們可以判斷通道中缺陷的種類(lèi)，但不能判斷數(shù)量，”賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)杰出教授帕特里克·勒納漢 （Patrick Lenahan） 說(shuō)。

　　在 BAE 模型之前，該方案被嚴(yán)格用作為 EDMR 測(cè)量施加電壓和控制電流的資源，這對(duì)于更定性的缺陷識(shí)別很有用。新模型使 BAE成為定量測(cè)量缺陷數(shù)量的工具，并且僅通過(guò)電流和電壓進(jìn)行測(cè)量。重要的參數(shù)是界面缺陷密度，它是一個(gè)數(shù)字，描述了半導(dǎo)體-氧化物界面的某個(gè)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(guān)的數(shù)學(xué)描述。

　　研究人員在一組金屬氧化物半導(dǎo)體晶體管的概念驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了該模型，使定量測(cè)量成為可能?！艾F(xiàn)在我們可以解釋整個(gè)通道區(qū)域中電荷載流子分布的變化，”Ashton 說(shuō)?！斑@開(kāi)辟了可以通過(guò)簡(jiǎn)單的電氣測(cè)量進(jìn)行測(cè)量的可能性?！?/p>

　　“這項(xiàng)技術(shù)可以提供對(duì)這些不穩(wěn)定晶體管缺陷的存在的獨(dú)特見(jiàn)解，并提供對(duì)其形成機(jī)制理解的途徑，”前英特爾公司、現(xiàn)任半導(dǎo)體計(jì)量學(xué)高級(jí)主管和理學(xué)研究員 Markus Kuhn 說(shuō)，他沒(méi)有參與這個(gè)調(diào)查?！坝辛诉@些知識(shí)，將有更大的機(jī)會(huì)控制和減少它們，以提高晶體管的性能和可靠性。這將是進(jìn)一步增強(qiáng)芯片電路設(shè)計(jì)和設(shè)備性能的機(jī)會(huì)，從而產(chǎn)生更好的產(chǎn)品性能?！?/p>

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