美国NIST提出改进检测晶体管缺陷技术

在过去十年中，高性能计算微芯片中的晶体管组件不断的缩小，以至于传统的电荷泵(charge pumping)方法不再能够准确计算缺陷。NIST改进检测晶体管缺陷的方法与技术，可提高检测的灵敏度，并对可能损害晶体管性能与限制其微芯片可靠性的缺陷，提供准确的评估。

晶体管是智能手机和电脑等现代电子设备的组成部分。美国国家标准与技术研究院(NIST)的研究人员改进一种曾经可靠、并应用于识别和计算晶体管中缺陷的技术。

晶体管不断微缩，传统电荷泵检测技术可能失效
晶体管中的缺陷会干扰电流的稳定流动，并显著降低晶体管的性能，这些缺陷可能是晶体管材料中的化学键断裂，或可能是材料中捕获电子的原子杂质。

在金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)的传统设计中，栅极(gate)的金属电极位于二氧化硅薄绝缘层的顶部。绝缘层下方是分离绝缘层和半导体主体的界面区域。在一个典型的晶体管中，电流通过一个只有几纳米(10 ^-9 m)厚的窄通道，该通道从栅极一侧的源极(source)延伸到另一侧的汲极(drain)，通过栅极控制通道中的电流量。

电荷泵是一个两步骤过程，其中经由交替用正、负测试电压对栅极进行脉冲。在传统电荷泵中，都设定为单一频率的交流电压脉冲施加。测试第一步，正电压将带负电的电子吸引或泵送到栅极绝缘层和晶体管主体之间的边界或界面，界面处的缺陷中会困住一些泵浦电子，但界面上仍残留许多电子；第二步，施加负电压，清除界面上多余的电子，留下被缺陷俘获的电子。负电压也将正电荷载子(电洞)吸引到缺陷中，与缺陷中俘获的电子结合。此过程产生的电流大小与缺陷数量成比例，若输出电流越大，表示缺陷数越多。

过去，电流确实是衡量晶体管缺陷的可靠方法。然而，当晶体管中的绝缘氧化物层非常薄时(约10到20个氢原子宽；3到6纳米左右)，量子效应就显得非常重要，会搅乱或限制传统电荷泵方法的量测。当材料层越薄，电子逃逸的可能性就越高，因而产生穿隧电流。随着晶体管尺寸的缩小，通过绝缘氧化层的穿隧电流让利用传统电荷泵方法几乎检测不到缺陷。因此，这项技术几乎快被放弃。获 取 更多前沿科技 研究 进展访问：https://byteclicks.com

调频电荷泵方法使检测灵敏度提高，且可检测超小特征缺陷
NIST研究人员找到了一种挽救该技术的方法，使其不仅适用于超薄晶体管组件，而且更加灵敏，并能够记录来自单个缺陷的信号。解决关键在于无论电荷泵的正、负电压脉冲的频率如何，量子穿隧产生的电流几乎保持不变。

研究人员利用调频电荷泵(frequency modulated charge pumping，FMCP)方法，施加两种不同频率交替的正、负电压来修改原来单一频率电荷泵技术。以两种不同频率施加的电压提供了两种不同的输出电流。通过从一个输出电流减去另一个输出电流，消除了缺陷造成混杂的穿隧电流信号，因而能够检测出晶体管中小至氢原子直径的超小特征缺陷，且可非常敏感地测量与控制单一电子电荷的自旋特性。因此，可从输出电流量测中了解产生出多少倍数的电子电荷。

由于调频电荷泵(FMCP)方法可检测单个电子，因此可作为电子自旋的灵敏探针，为正在探索未来电脑储存和传输信息的电子自旋研究提供有价值的指引。其也在量子计量学(quantum metrology)中被证明是有用的，可作为确定电流量子标准的潜在新方法。该调频电荷泵技术研究成果发表于Applied Physics Letters期刊上。