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微电子器件与ic的可靠性与失效分析 （四）热载 作者：xie m. x. (uestc，成都市) 对于mosfet及其ic，在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200250 oc）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。这就是热载流子效应所造成的一种失效现象。（1）热载流子及其效应：在小尺寸mosfet中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当mosfet工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次级的电子-空穴对次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输出源-漏电流（ids），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（isub），如图1所示。通过测量isub就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化。对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无热载流子的状态。据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效。（2）热载流子引起mosfet性能的退化：热载流子对器件和ic所造成的影响主要表现在以下两个方面。 产生寄生晶体管效应。当有较大的isub流过衬底（衬底电阻为rsub）时将产生电压降（isubrsub），这会使源-衬底的n+-p结正偏（因为源极通常是接地的），从而形成一个“源-衬底-漏”的寄生n+-p-n+晶体管；这个寄生晶体管与原来的mosfet相并联而构成一个复合结构的器件，这种复合结构往往是导致短沟道mosfet发生源-漏击穿的原因，并且还会使伏安特性曲线出现回滞现象，在cmos电路中还将会导致闩锁效应。为了提高短沟道mosfet的源-漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有关的寄生晶体管起作用。因此，就需要减小衬底电阻rsub，以使得乘积(isubrsub)0.5mm的p-mosfet，热电子退化不严重；但是对l0.5mm的p-mosfet，则仍必须考虑热电子退化问题。适当选取最高源-漏电压vdsmax，因为在不同的沟道长度l和不同的vdsmax时，热电子作用的机理不同，如图3所示。最后需要指出，对于开关工作的mosfet，因为要么没有沟道（关态）、要么沟道完全导通（开态），故一般不容易产生热载流子效应，只是在开态与关态之间转换的过程中才有可能发生。因此开关mosfet的抗热载流子效应能力较强一些。不过，值得注意的是mosfet在关断状态时的泄漏电流也与栅氧化层质量有关。因为栅极与漏极的交叠区将形成一个栅控mos二极管。对于氧化层很薄的突变结，在某种偏置条件下该二极管会发生雪崩倍增，并产生从漏极p-n结流到衬底的泄漏电流；栅控mos二极管的这种雪崩电流称为栅极感应漏极的泄漏电流（gidl）。在一定的源-漏电压下，n-mosfet的沟道电流将随着栅极电压的减小而降低（最后进入亚阈区