Metode Canggih Mendeteksi Cacat Transistor dengan Sensitivitas Tidak Tertandingi
Para peneliti di National Institute of Standards and Technology (NIST) dan mitra telah merancang dan menguji metode yang sangat sensitif untuk mendeteksi dan menghitung cacat dalam transistor — masalah yang mendesak bagi industri semiconductor saat mengembangkan materi baru untuk perangkat generasi depan. Cacat ini membatasi performa transistor dan sirkuit dan dapat mempengaruhi keandalan produk.
Sebuah transistor yang umum, untuk penggunaan digital, pada dasarnya adalah saklar. Saat menyala, arus mengalir dari satu sisi semiconductor ke sisi lain; mematikannya menghentikan arus. Aksi-aksi ini menciptakan 1 dan 0 biner informasi digital.
Performa transistor secara kritis bergantung pada seberapa andal jumlah arus tertentu akan mengalir. Cacat dalam materi transistor, seperti wilayah “impuritas” yang tidak diinginkan atau ikatan kimia yang rusak, mengganggu dan menstabilkan aliran. Cacat ini dapat muncul segera atau selama periode waktu saat perangkat beroperasi. Dan selama bertahun-tahun, para ilmuwan telah menemukan berbagai cara untuk mengklasifikasikan dan meminimalkan efek tersebut.
Tetapi cacat semakin sulit diidentifikasi saat dimensi transistor menjadi hampir tidak dapat dibayangkan kecil dan kecepatan perpindahan sangat tinggi. Untuk beberapa materi semiconductor yang menjanjikan dalam pengembangan — seperti karbida silikon (SiC) daripada silikon (Si) saja untuk perangkat energi tinggi, suhu tinggi baru — tidak ada cara sederhana dan langsung untuk mengkarakterisasi cacat secara detail.
“Metode yang kami kembangkan bekerja dengan Si tradisional dan SiC, memungkinkan kami untuk pertama kali untuk mengidentifikasi tidak hanya jenis cacat tetapi jumlahnya dalam ruang tertentu dengan pengukuran DC sederhana,” kata James Ashton dari NIST, yang melakukan penelitian bersama rekan di NIST dan Pennsylvania State University. Penelitian ini berfokus pada interaksi antara dua jenis penangkap muatan listrik dalam transistor: elektron yang bermuatan negatif dan “lubang” yang bermuatan positif, yang merupakan ruang di mana elektron hilang dari struktur atom lokal.
Saat transistor berfungsi dengan benar, arus elektron tertentu mengalir di jalur yang diinginkan. Jika arus bertemu cacat, elektron tertangkap atau tergeser, dan kemudian dapat bergabung dengan lubang untuk membentuk area yang netral listrik dalam proses yang dikenal sebagai rekombinasi.
Setiap rekombinasi menghapus satu elektron dari arus. Banyak cacat menyebabkan kehilangan arus yang mengarah pada gangguan. Tujuan adalah untuk menentukan di mana cacat berada, efek spesifiknya, dan — idealnya — jumlahnya.
“Kami ingin memberikan cara kepada produsen untuk mengidentifikasi dan mengukur cacat saat mereka menguji materi baru yang berbeda,” kata Jason Ryan, ko-penulis NIST. “Kami melakukan itu dengan menciptakan model fisika teknik deteksi cacat yang telah banyak digunakan tetapi dipahami buruk hingga saat ini. Kami kemudian melakukan eksperimen bukti prinsip yang mengonfirmasi model kami.”
Dalam desain MOS klasik, elektroda logam yang disebut gate ditempatkan di atas lapisan isolasi silikon dioksida tipis. Di bawah antarmuka itu adalah tubuh massa semiconductor. Di satu sisi gate adalah terminal input, disebut source; di sisi lain adalah output (drain). Para ilmuwan menyelidiki dinamika aliran arus dengan mengubah bias tegangan yang diterapkan ke gate, source, dan drain, semuanya mempengaruhi cara arus bergerak.
Dalam karya baru ini, para peneliti berfokus pada satu wilayah khusus yang biasanya hanya tebal sekitar 1 miliar meter dan panjang satu juta meter: batas, atau saluran, antara lapisan oksida tipis dan tubuh massa semiconductor.
“Lapisan ini sangat penting karena efek tegangan pada logam di atas oksida transistor bertindak untuk mengubah berapa banyak elektron yang berada di wilayah saluran di bawah oksida; wilayah ini mengontrol resistansi perangkat dari source ke drain,” kata Ashton. “Performa lapisan ini bergantung pada berapa banyak cacat yang ada. Metode deteksi yang kami investigasikan sebelumnya tidak dapat menentukan berapa banyak cacat yang ada di dalam lapisan ini.”
Salah satu metode sensitif untuk mendeteksi cacat di saluran disebut resonansi magnetik terdeteksi secara listrik (EDMR), yang mirip secara prinsip dengan MRI medis. Partikel seperti proton dan elektron memiliki properti kuantum yang disebut spin, yang membuatnya bertindak seperti magnet batang kecil dengan dua kutub magnetik berlawanan.
Dalam EDMR, transistor diirradiasi dengan mikrogelombang. Medan magnet diterapkan pada perangkat dan kekuatannya bervariasi secara bertahap, sementara arus output diukur. Pada kombinasi yang tepat frekuensi dan kekuatan medan, elektron pada cacat “terbalik” — membalik kutub mereka. Ini menyebabkan beberapa kehilangan cukup energi sehingga mereka merekombinasikan dengan lubang pada cacat di saluran, mengurangi arus. Aktivitas saluran dapat sulit diukur, namun, karena jumlah besar kebisingan dari rekombinasi di massa semiconductor.
Untuk fokus secara eksklusif pada aktivitas di saluran, para peneliti menggunakan teknik yang disebut efek amplifikasi bipolar (BAE), yang dicapai dengan mengatur bias tegangan yang diterapkan ke source, gate, dan drain dalam konfigurasi tertentu yang dirancang untuk menghilgang interferensi dari hal lain yang terjadi di dalam transistor.
BAE telah digunakan secara ketat sebagai sumber untuk menerapkan tegangan dan mengontrol 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 untuk melakukannya hanya dengan arus dan tegangan. Parameter yang penting adalah densitas cacat antarmuka, yang adalah angka yang menggambarkan berapa banyak cacat dalam beberapa area antarmuka semiconductor-oksida. Model BAE memberikan deskripsi matematis kepada peneliti tentang bagaimana arus BAE terkait dengan densitas cacat.
Model, yang diuji peneliti dalam serangkaian eksperimen bukti konsep pada transistor MOS, membuat pengukuran kuantitatif mungkin. “Sekarang kita dapat menghitung variasi dalam distribusi penangkap 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 kehadiran cacat transistor yang menstabilkan ini dan jalur ke pemahaman mekanisme pembentukan mereka,” kata Markus Kuhn, sebelumnya di Intel dan kini direktur senior metrologi semiconductor dan fellow di Rigaku, yang tidak terlibat dalam penelitian. “Dengan pengetahuan semacam itu, akan ada kesempatan yang lebih besar untuk mengontrol dan mengurangi mereka untuk meningkatkan performa dan keandalan transistor. Ini akan menjadi kesempatan untuk meningkatkan desain sirkuit chip dan performa perangkat lebih lanjut yang menghasilkan produk yang berkinerja lebih baik.”
