Cara Baru yang Sensitif untuk Mendeteksi Cacat Transistor
Para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) dan kolaborator telah merancang dan menguji metode yang sangat sensitif untuk mendeteksi dan menghitung cacat pada transistor — masalah yang menjadi perhatian mendesak bagi industri semikonduktor saat mengembangkan bahan baru untuk perangkat generasi berikutnya. Cacat ini membatasi kinerja transistor dan sirkuit dan dapat memengaruhi keandalan produk.
Transistor tipikal, untuk penggunaan digital, pada dasarnya adalah sakelar. Saat menyala, arus mengalir dari satu sisi semikonduktor ke sisi lainnya; mematikannya menghentikan arus. Tindakan tersebut menciptakan biner 1 dan 0 dari informasi digital.
Kinerja transistor sangat tergantung pada seberapa andal jumlah arus yang ditentukan akan mengalir. Cacat pada bahan transistor, seperti daerah "pengotor" yang tidak diinginkan atau ikatan kimia yang terputus, mengganggu dan mengacaukan aliran. Cacat ini dapat muncul dengan sendirinya atau dalam jangka waktu tertentu saat perangkat sedang beroperasi. Dan selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menemukan banyak cara untuk mengklasifikasikan dan meminimalkan efek tersebut.
Tetapi cacat menjadi lebih sulit untuk diidentifikasi karena dimensi transistor menjadi sangat kecil dan kecepatan switching sangat tinggi. Untuk beberapa bahan semikonduktor yang menjanjikan dalam pengembangan — seperti silikon karbida (SiC) alih-alih silikon (Si) saja untuk perangkat berenergi tinggi dan bersuhu tinggi yang baru — belum ada cara sederhana dan langsung untuk mengkarakterisasi cacat secara mendetail.
“Metode yang kami kembangkan bekerja dengan Si dan SiC tradisional, memungkinkan kami untuk pertama kalinya mengidentifikasi tidak hanya jenis cacat tetapi juga jumlah cacat tersebut dalam ruang tertentu dengan pengukuran DC sederhana,” kata James Ashton dari NIST, yang melakukan penelitian dengan rekan-rekan di NIST dan Pennsylvania State University. Penelitian ini berfokus pada interaksi antara dua jenis pembawa muatan listrik dalam transistor:elektron bermuatan negatif dan “lubang” bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom lokal.
Ketika transistor berfungsi dengan benar, arus elektron tertentu mengalir di sepanjang jalur yang diinginkan. Jika arus menemui cacat, elektron terperangkap atau dipindahkan, dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk area netral secara elektrik dalam proses yang dikenal sebagai rekombinasi.
Setiap rekombinasi menghilangkan elektron dari arus. Beberapa cacat menyebabkan kerugian saat ini yang menyebabkan kegagalan fungsi. Tujuannya adalah untuk menentukan di mana cacat, efek spesifiknya, dan — idealnya — jumlahnya.
“Kami ingin memberi produsen cara untuk mengidentifikasi dan menghitung cacat saat mereka menguji bahan baru yang berbeda,” kata rekan penulis NIST Jason Ryan. “Kami melakukannya dengan membuat model fisika dari teknik deteksi cacat yang telah banyak digunakan tetapi kurang dipahami sampai sekarang. Kami kemudian melakukan eksperimen pembuktian prinsip yang mengkonfirmasi model kami.”
Dalam desain semikonduktor oksida logam (MOS) klasik, elektroda logam yang disebut gerbang ditempatkan di atas lapisan silikon dioksida isolasi tipis. Di bawah antarmuka itu adalah tubuh sebagian besar semikonduktor. Di satu sisi gerbang adalah terminal input, yang disebut sumber; di sisi lain adalah output (menguras). Para ilmuwan menyelidiki dinamika aliran arus dengan mengubah tegangan bias yang diterapkan ke gerbang, sumber, dan saluran pembuangan, yang semuanya memengaruhi pergerakan arus.
Dalam karya baru ini, para peneliti berkonsentrasi pada satu wilayah tertentu yang biasanya hanya setebal 1 miliar meter dan panjang sepersejuta meter:batas, atau saluran, antara lapisan oksida tipis dan badan semikonduktor curah.
“Lapisan ini sangat penting karena efek tegangan pada logam di atas oksida transistor bertindak untuk mengubah berapa banyak elektron yang berada di dalam wilayah saluran di bawah oksida; wilayah ini mengontrol resistensi perangkat dari sumber ke saluran pembuangan, ”kata Ashton. “Kinerja lapisan ini tergantung pada berapa banyak cacat yang ada. Metode deteksi yang kami selidiki sebelumnya tidak dapat menentukan berapa banyak cacat dalam lapisan ini.”
Salah satu metode sensitif untuk mendeteksi cacat pada saluran disebut resonansi magnetik yang terdeteksi secara elektrik (EDMR), yang pada prinsipnya mirip dengan MRI medis. Partikel seperti proton dan elektron memiliki sifat kuantum yang disebut spin, yang membuatnya bertindak seperti magnet batang kecil dengan dua kutub magnet yang berlawanan.
Dalam EDMR, transistor disinari dengan gelombang mikro. Medan magnet diterapkan ke perangkat dan kekuatannya secara bertahap bervariasi, sementara arus keluaran diukur. Pada kombinasi frekuensi dan kekuatan medan yang tepat, elektron pada cacat “berbalik” — membalikkan kutubnya. Hal ini menyebabkan beberapa kehilangan energi yang cukup sehingga mereka bergabung kembali dengan lubang pada cacat di saluran, mengurangi arus. Namun, aktivitas saluran mungkin sulit diukur, karena banyaknya noise dari rekombinasi di sebagian besar semikonduktor.
Untuk fokus secara eksklusif pada aktivitas di saluran, para peneliti menggunakan teknik yang disebut efek amplifikasi bipolar (BAE), yang dicapai dengan mengatur tegangan bias yang diterapkan ke sumber, gerbang, dan saluran dalam konfigurasi tertentu yang dirancang untuk menghilangkan gangguan dari hal-hal lain. terjadi di transistor.
BAE telah digunakan secara ketat sebagai sumber daya untuk menerapkan tegangan dan mengendalikan arus untuk pengukuran EDMR, yang berguna untuk identifikasi cacat yang lebih kualitatif. Model baru memungkinkan BAE sebagai alat untuk mengukur jumlah cacat secara kuantitatif dan melakukannya hanya dengan arus dan tegangan. Parameter penting adalah kerapatan cacat antarmuka, yang merupakan angka yang menjelaskan berapa banyak cacat dalam beberapa area antarmuka semikonduktor-oksida. Model BAE memberi peneliti deskripsi matematis tentang bagaimana arus BAE terkait dengan kerapatan cacat.
Model, yang diuji para peneliti dalam serangkaian eksperimen pembuktian konsep pada transistor semikonduktor oksida logam, memungkinkan pengukuran kuantitatif. “Sekarang kami dapat menjelaskan variasi dalam distribusi pembawa muatan di seluruh wilayah saluran,” kata Ashton. “Ini membuka kemungkinan apa yang dapat diukur dengan pengukuran listrik sederhana.”
“Teknik ini dapat memberikan wawasan unik tentang keberadaan cacat transistor yang tidak stabil ini dan jalan menuju pemahaman mekanistik tentang pembentukannya,” kata Markus Kuhn, sebelumnya di Intel dan sekarang direktur senior metrologi semikonduktor dan rekan di Rigaku, yang tidak terlibat dalam penelitian. “Dengan pengetahuan seperti itu, akan ada peluang lebih besar untuk mengontrol dan menguranginya untuk meningkatkan kinerja dan keandalan transistor. Ini akan menjadi peluang untuk lebih meningkatkan desain sirkuit chip dan kinerja perangkat yang mengarah ke produk dengan kinerja lebih baik.”
