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微电子器件的可靠性MicroelectronicsReliability 第五章热载流子效应 1 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 2 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 3 MOS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 4 MOS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 5 MOS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 6 MOS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 7 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 8 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 9 HC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 10 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 11 衬底电流模型 12 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 13 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 14 影响热电子效应的参数 15 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 16 NMOS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 17 NMOS结构的改进 18 LDD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 19 LDD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 20 NMOS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 21 NMOS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 22 PMOS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 23 PMOS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