Wetenschappers van UT-onderzoeksinstituut MESA+ hebben een methode gevonden om individuele defecten in transistoren te bestuderen. In elke computerchip, die op zijn beurt bestaat uit grote hoeveelheden transistoren, bevinden zich normaliter miljoenen kleine ‘foutjes’.
Voorheen was het alleen mogelijk om deze in grote hoeveelheden tegelijk te bestuderen, maar dankzij het fundamentele onderzoek van wetenschappers van de Universiteit Twente kun je voortaan op één individueel defect inzoomen en dit bestuderen. Deze kennis is op termijn zeer relevant voor de verdere ontwikkeling in de halfgeleiderindustrie. De onderzoeksresultaten zijn vandaag gepubliceerd in het toonaangevende wetenschappelijke tijdschrift Scientific Reports van de Nature Publishing Group.
Computerchips bevatten doorgaans extreem veel kleine defecten. Tien miljard defecten per vierkante centimeter is niet ongebruikelijk. Het leeuwendeel van deze defecten levert geen enkel probleem op in de praktijk, maar het grote aantal defecten plaatst de industrie voor flinke uitdagingen. Ze zijn een van de redenen die zorgen dat verdere miniaturisering van chips, op basis van de bestaande technologie, nauwelijks meer mogelijk is. Het is dus van groot belang om tot in detail te kunnen onderzoeken hoe de defecten ontstaan, waar ze zich bevinden en hoe ze zich gedragen. Door het grote aantal defecten in een chip en het gegeven dat dicht bij elkaar gelegen defecten elkaar beïnvloeden, was het tot op heden niet mogelijk om individuele defecten te bestuderen. Daarom werden de defecten altijd met miljoenen tegelijk bestudeerd, met als nadeel dat je slechts een beperkte hoeveelheid informatie over individuele defecten kon achterhalen.
Hoofdkraan
UT-onderzoekers, onder leiding van dr. ir. Floris Zwanenburg, hebben nu een slimme methode gevonden waarmee je eindelijk individuele defecten in transistoren kunt bestuderen. Eerst creëerden de onderzoekers in het UT NanoLab chips met daarin elf elektroden; tien elektroden van 35 nanometer breed en loodrecht daaroverheen een lange elektrode van 80 nanometer breed (een nanometer is een miljoen keer kleiner dan een millimeter). Zwanenburg vergelijkt deze elektroden met kranen – niet voor water, maar voor elektronen – die door de onderzoekers open en dicht gedraaid kunnen worden. De onderzoekers zetten eerst de lange elektrode, de hoofdkraan, open. Door vervolgens, bij een temperatuur van -270 graden Celsius, de andere kranen open of dicht te zetten, konden ze zien waar het lekte: oftewel onder welke elektroden er defecten zaten. Dat bleek het geval onder alle elektroden.
Defecten neutraliseren
In een vervolgstap wisten de onderzoekers ruim tachtig procent van de defecten te neutraliseren door de chips in een oven gevuld met argon te verhitten tot 300 graden Celsius. Onder sommige elektroden bleef er een enkel defect aanwezig. Doordat de dichtheid van defecten in het materiaal zo laag was geworden, konden de onderzoekers voor het eerst individuele defecten bestuderen. Zwanenburg: “Het gedrag van individuele defecten is van groot belang voor een beter begrip van defecten in de hedendaagse elektronica. Uiteraard werken deze elektronica bij kamertemperatuur en niet bij de extreem lage temperaturen zoals in ons onderzoek. Toch is dit nu al een belangrijke stap voor het fundamentele onderzoek en op termijn voor verdere ontwikkeling van de hedendaagse IC-technologie.”
Onderzoek
Het onderzoek is uitgevoerd door Paul-Christiaan Spruijtenburg, Sergey Amitonov, Filipp Mueller, Wilfred van der Wiel en Floris Zwanenburg uit de vakgroep NanoElectronics van het MESA+ institute for Nanotechnology van de Universiteit Twente. Het onderzoek is financieel mede mogelijk gemaakt door de Europese Commissie en de Stichting FOM.
