热载流子效应

北京大学微电子学研究院何燕冬当电场强度大于105V/cm时，载流子从电场中获得的能量使得载流子能量大于晶格能量，这种具有高能量的载流子为热载流子。当载流子的能量超过Si－SiO2势垒高度时，部分高能载流子将越过Si－SiO2势垒进入SiO2，在栅氧化层中产生界面陷阱和体陷阱，从而造成器件特性的退化，这种效应称为热载流子效应。SiSiO23.1ev4.8ev高能载流子产生缺陷器件特性退化VdVgVdImpactIonisationSpacechargeregion•非均匀性•靠近漏端的空间电荷区内：–高电场–热载流子–电离碰撞产生电子空穴对VdVgVdImpactIonisationSpacechargeregion•正比于电离碰撞率在空间电荷区的积分•常用来衡量热载流子的能量水平•IsubvsVg@constantVdIsubVdVgVdImpactIonisationSpacechargeregion•沟道热载流子直接轰击：界面态陷阱•热载流子激发进入氧化层：氧化层陷阱3.1eVSiTrap界面态产生过程陷阱电荷形成过程热载流子氢原子/离子氢解析模型Si/SiO2界面处的Si-H键可以直接被热电子打断两种解析模型•单个高能电子导致的Si-H/D键断裂•多个载流子碰撞引起的键共振导致Si-H键断裂对低工作电压的深亚微米器件，两种过程将同时存在，共同引起器件退化•禁带中存在缺陷能级•施主型受主型•界面电荷的填充依赖于费米能级的位置SiSiOSiSiSiOOSiSiSiSiSi悬挂键EfVg0Vg0EcEv净正电荷净负电荷以nMOSFET为例•Vg会改变费米能级，界面电荷会随Vg变化•Id的下降幅度随Vg变大Vg0NetnegativechargesVg0IdBeforeAfter•缺陷电荷屏蔽来自栅的电场•阈值电压改变负电荷引起Vth正向移动给定电压下漏电流降低Vg=5VVg=3VIdVgBeforeAftertrappingDrainAvalancheHotcarrier(DAHC)InjectionChannelHotElectron(CHE)InjectionSubstrateHotElectron(SHE)InjectionSecondarygeneratedhotelectron(SGHE)injectionWhenVDVG,theaccelerationofchannelcarriercausesImpactIonization.Thegeneratedelectron–holespairgainenergytobreakthebarrierinSi-SiO2interfaceWhenbothVG&VDveryhigherthansourcevoltage,someelectronsdriventowardsgateoxide.OccurswhenthesubstratebackbiasisverypositiveorverynegativeCarriersofonetypeinthesubstratearedrivenbythesubstratefieldtowardtheSi-SiO2interface.PhotonemissionatdrainsideSecondaryImpactionizationwithhothole,generatednewe-hpairVgVd/2：主要是由于界面态的产生引起迁移率的退化VgVt,：空穴陷阱的产生引起电流的增加，可以等效为沟道尺度的缩短，同时界面态的产生会减少电流，二者作用会部分抵消VgVd：主要退化是由于漏端陷阱俘获电子引起的，同时界面陷阱的产生会加剧器件电流的退化按照所加应力电压的不同，有三种模式：VgVt：氧化层中产生的大量陷阱俘获电子，主要位于漏端附近；而空穴陷阱只有少量产生，离漏端有一点距离Vg=Vd/2：界面陷阱的产生起主要作用Vg=Vd：可以观察到氧化层正电荷，而界面陷阱将主要限制pMOSFET的可靠性.以上三种退化机制的共同作用，如负氧化层电荷、界面陷阱、正氧化层电荷的产生，将决定pMOSFET热载流子退化随时间的变化关系，即器件寿命器件结构◦磷扩散漏区(PD)结构（用于3m64KDRAM）◦双扩散漏结构(DoubleDiffusedDrain,DDD)◦轻掺杂漏结构(LightDopedDrain,LDD)◦埋沟结构(BuriedChannel,BC)工艺◦减少氧化层界面的硅－氢键数量◦改变栅绝缘层的成份,提高电子进入绝缘层的功函数,如采用氧化层表面氮化,Si-SiO2界面较难出现陷阱◦减少等离子损伤•加速实验：更高的应力电压•测量Isub，Id的变化，确定寿命•基于幸运电子模型luckyelectronmodel，器件寿命:DCdmdsubWIIIC/C－常数，依赖于工艺Isub/Id－倍增因子,反映电场强度Id/W－沟道电子浓度m－常数，通常2.73.2DCdmdsubWIIIC/DCmdsubdIICWI/DCdsubdIImCWIlogloglog0.0010.010.111010010000.0010.010.11Id/W(C/m)Isub/Idm=3•测量工作条件下的Isub,Id•从应力条件外推出工作条件下的Log()NormaloperationLifetimeWIILogmdmsub)1(DCdmdsubWIIIC/Q&A……