美國NIST提出改進檢測電晶體缺陷技術 - 工程師

美國NIST提出改進檢測電晶體缺陷技術

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在過去十年中，高性能運算晶片中的電晶體組件不斷的微縮，以至於傳統的電荷泵
(charge pumping)方法不再能夠準確計算缺陷。NIST改進其方法與技術，可提高檢測的靈
敏度，並對可能損害電晶體性能與限制其晶片可靠性的缺陷，提供準確的評估。

電晶體是智慧型手機和電腦等現代電子設備的組成部分。美國國家標準與技術研究院
(NIST)的研究人員改進一種曾經可靠、並應用於辨識和運算電晶體中缺陷的技術。

電晶體不斷微縮，傳統電荷泵檢測技術可能失效
電晶體中的缺陷會干擾電流的穩定流動，並顯著降低電晶體的性能，這些缺陷可能是電晶
體材料中的化學鍵斷裂，或可能是材料中捕獲電子的原子雜質。

在金屬氧化物半導體場效應電晶體(MOSFET)的傳統設計中，柵極(gate)的金屬電極位於二
氧化矽薄絕緣層的頂部。絕緣層下方是分離絕緣層和半導體主體的界面區域。在一個典型
的電晶體中，電流通過一個只有幾奈米(10-9 m)厚的窄通道，該通道從柵極一側的源極
(source)延伸到另一側的汲極(drain)，透過柵極控制通道中的電流量。

電荷泵是一個兩步驟過程，其中藉由交替用正、負測試電壓對柵極進行脈衝。在傳統電荷
泵中，都設定為單一頻率的交流電壓脈衝施加。測試第一步，正電壓將帶負電的電子吸引
或泵送到柵極絕緣層和電晶體主體之間的邊界或界面，界面處的缺陷中會困住一些泵浦電
子，但界面上仍殘留許多電子；第二步，施加負電壓，清除界面上多餘的電子，留下被缺
陷俘獲的電子。負電壓也將正電荷載子(電洞)吸引到缺陷中，與缺陷中俘獲的電子結合。
此過程產生的電流大小與缺陷數量成比例，若輸出電流越大，表示缺陷數越多。

過去，電流確實是衡量電晶體缺陷的可靠方法。然而，當電晶體中的絕緣氧化物層非常薄
時(約10到20個氫原子寬；3到6奈米左右)，量子效應就顯得非常重要，會攪亂或限制傳統
電荷泵方法的量測。當材料層越薄，電子逃逸的可能性就越高，因而產生穿隧電流。隨著
電晶體尺寸的縮小，通過絕緣氧化層的穿隧電流讓利用傳統電荷泵方法幾乎檢測不到缺陷
。因此，這項技術幾乎快被放棄。

調頻電荷泵方法使檢測靈敏度提高，且可檢測超小特徵缺陷
NIST研究人員找到了一種挽救該技術的方法，使其不僅適用於超薄電晶體組件，而且更加
靈敏，並能夠記錄來自單個缺陷的訊號。解決關鍵在於無論電荷泵之正、負電壓脈衝的頻
率如何，量子穿隧產生的電流幾乎保持不變。

研究人員利用調頻電荷泵(frequency modulated charge pumping，FMCP)方法，施加兩種
不同頻率交替的正、負電壓來修改原來單一頻率電荷泵技術。以兩種不同頻率施加的電壓
提供了兩種不同的輸出電流。透過從一個輸出電流減去另一個輸出電流，消除了缺陷造成
混雜的穿隧電流訊號，因而能夠檢測出電晶體中小至氫原子直徑的超小特徵缺陷，且可非
常敏感地測量與控制單一電子電荷的自旋特性。因此，可從輸出電流量測中了解產生出多
少倍數之電子電荷。

由於調頻電荷泵(FMCP)方法可檢測單個電子，因此可作為電子自旋的靈敏探針，為正在探
索未來電腦儲存和傳輸資訊之電子自旋研究提供有價值的指引。其也在量子計量學
(quantum metrology)中被證明是有用的，可作為確定電流量子標準的潛在新方法。該調
頻電荷泵技術研究成果發表於Applied Physics Letters期刊上。

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