热载流子效应

微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系1微电子器件的可靠性MicroelectronicsReliability第五章热载流子效应微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系2热载流子效应当电场超过100KV/cm时,载流子从电场中获得更多的能量,载流子的能量和晶格不再保持热平衡,称这种载流子为热载流子.当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的3倍时,载流子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一.载流子的能量超过Si-SiO2的势垒高度(3.5eV)时,载流子能直接注入或通过隧道效应进入SiO2.影响器件性能，这效应称为热载流子效应。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系3热载流子的器件的影响热载流子对MOS器件和双极型器件的可靠性都有影响，是属于磨损型失效机理。在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预，P－N极漏电流增加。在MOS器件中，热载流子效应造成MOS晶体管的阈值电压VT、漏极电流IDS和跨导G等的漂移。在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可靠性的危害更大。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系4MOS器件中的热载流子1沟道热电子(ChannelHotElectron)衬底热电子(SHE)二次产生热电子(SGHE)二次产生热电子(SGHE)微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系5MOS器件中的热载流子2漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)沟道热电子在漏区边缘的强电场中,发生雪崩倍增,产生新的电子和空穴。这些新产生的电子和空穴就是漏区雪崩倍增热载流.在电场的作用下,电子扫入栅区和部分进入氧化层,空穴扫入衬底,形成衬底电流微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系6MOS器件中的热载流子3衬底热电子(SHE)NMOS器件中，当VDS＝VBS,VGSVT时，在衬底与源、漏、沟道之间有反向电流流过。衬底中的电子被耗尽区的电场拉出并加速向沟道运动，当电场足够高时，这些电子就有了足够的能量可以到达Si-SiO2界面，并注入到SiO2中。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系7MOS器件中的热载流子4二次产生热电子(SGHE)由于碰撞电离在漏极附近发射的光子,与热空穴发生二次碰撞电离,从而出现新的电子和空穴,相应的衬底电流和漏极电流。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系8进入二氧化硅的热载流子1能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移,其中部分被氧化层中的陷阱所俘获.当氧化层中的陷阱密度为NTT,俘获截面为,陷阱电子平均距离为X,俘获形成的栅电流为Ig,可得到其有效陷阱电荷密度为nT:nT=NTT[1-exp(-(1/q)Ig(t)Dt)]X陷阱电荷密度与氧化层中的陷阱密度成正比:有效电荷密度随时间以指数方式增加,最后趋于饱和。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9进入二氧化硅的热载流子2能量足够高的热载流子它们可以在二氧化硅中产生新的界面态；界面态的形成：Si-H被打断后,形成氢间隙原子Hi和硅的悬挂键Si*(即界面陷阱)。新产生的陷阱密度Nit，在开始时Nit与时间t成正比:在Nit大时,它与时间t0.5成正比。Nit=C[t(Id/W)exp(-it/gEm)]n=Atn,一般n在0.5--0.7之间.微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系10HC效应对MOSFET电性能的影响热载子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启电压和的一系列参数发生漂移.开启电压VT(t)=Atn当热电子引起的衬底电流很大时,可使源与衬底之间处于正向偏置状态,引起正向注入,导致闩锁效应微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11衬底电流模型Isub＝C1Idexp(-Bi/Em)Isub＝aId(Vds-Vdsat)b(Ai/Bi)其中a,b为常数.Ai,Bi为碰撞离化系数，a=2.2410-8－0.1010-5Vdsatb=6.4衬底电流的另一种表示形式为：Isub=1.2(VDS-Vdsat)IDexp(-1.7106/ymax)=1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt)微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系12衬底电流模型微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系13栅电流模型NMOS器件中,当栅氧化层较薄时(小于150A),栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系14影响热电子效应的参数1.沟道长度LMOSFET的有效沟道长度l和沟道中的最大场强max。max＝(VDS-VDSsat)/ll＝0.22tox1/3rj1/3tox15nml＝1.710－2tox1/8rj1/3L1/5tox15nm,L0.5m,式中rj源、漏的结深，tox栅氧化层厚度，L是沟道长度。得到max=(VDS-VDSsat)/0.22tox1/3rj1/3tox15nmmax=(VDS-VDSsat)/(1.710－2tox1/8rj1/3L1/5)tox15nm,L0.5m微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15影响热电子效应的参数微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16改进热电子效应的工艺措施减少氧化层界面的硅－氢键由于热电子所产生的陷阱与氧化层中已有的硅－氢键的数量有关,因而要减少栅氧化产生的硅－氢键的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.减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17NMOS结构的改进在NMOSFET中,热载流子对器件的损伤,主要发生在靠近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量直接受控于沟道中最大场强。为改进器件热载流子效应的可靠性，降低沟道中的最大场强.，在器件结构上,提出了多种结构：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)微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系18NMOS结构的改进微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系19LDD结构LDD结构是1980年提出的。在栅的长度小于1.25m的5V工作的CMOS器件,大都采用了这种结构。LDD结构将漏区由两部分组成,一部分是重掺杂的的N＋区,而在与沟道相邻处为低掺杂的N－区,它的长度为Ln－。LDD结构的主要优点：它能将最大场强降低30－40％。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系20LDD结构LDD结构后，漏极的空间电荷区展宽，VDS的一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。LDD结构中沟道区的最大场强ymax(LDD)：MAX(LDD)＝(VDS－VDSsat－ymaxl)/0.22t1/3rj1/3=ymax－Ln-/0.22t1/3rj1/3与非LDD结构比较，LDD结构的夹断区长度增加了Ln－,最大场强也下降微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系21NMOS器件热载流子效应的可靠寿命1。从热载流子注入引起陷阱密度的增加,可以得到器件估计器件在热载流子作用下的寿命.=HISUB-2.9ID1.9VT1.5WH是与氧化层生长工艺有关的参数.2。在电路可靠性模拟中,采用的热载流子的退化,模型,其命=HWISUB－m/IDm-1微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系22NMOS器件热载流子效应的可靠寿命3。美国JEDEC发布的JFP-122a中中位寿命TFTF＝BIsub-Nexp(Ea/KT)B与掺杂分布，sidewallspacing尺寸等有关的常数。Isub=加应力的衬底峰值电流,N=2to4Ea=-0.1eVto-0.2eV注意！这是负值微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系23PMOS器件的热载流子效应一般情况下，热载流子对PMOS器件的影响较NMOSFET要弱得多。而在亚微米PMOSFET中，热载流子效应引起人们的注意。PMOSFET的热载流子效应表现在三个方面：热电子引起的穿通效应氧化层正电荷效应热空穴产生的界面态。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系24PMOS中热电子引起的穿通效应碰撞电离产生的热电子，在栅电场作用下加速注入到靠近漏极的栅氧化层，在靠近漏极的栅氧化层中形成陷阱。由于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较多的空穴，类似于增加栅极电压，所以，降低了沟道中的电场。重要的是这些陷落电子使靠近漏极的N型Si衬底表面反型，使的有效沟道衬底降低。微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系25PMOS氧化层正电荷效应和热空穴产生的界面态沟道长度、界面态和氧化层电荷附近的阈值电压随时间的变化曲线a.沟道长度的变化短路b.界面态的变化c.氧化层电荷附近的阈值电压