热载流子效应

1、第五章第五章 热载流子效应热载流子效应热载流子效应热载流子效应当电场超过当电场超过100 kv/cm100 kv/cm时时, , 载流子从电场中获载流子从电场中获 得更多的得更多的能量能量, , 载流子的能量和晶格不再保持热平衡载流子的能量和晶格不再保持热平衡, , 称这种称这种载流子为热载流子载流子为热载流子. .当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的3 3倍时倍时, , 载流子载流子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一. . 载流子的能量超过载流子的能量超过si-siosi-sio2 2的的 势垒高度势垒高度

2、(3.5 ev)(3.5 ev)时时, ,载流子载流子 能直接注入或通过隧道效应能直接注入或通过隧道效应 进入进入siosio2 2 . .影响器件性能，这影响器件性能，这 效效 应称为热载流子效应。应称为热载流子效应。热载流子的器件的影响热载流子的器件的影响热载流子对热载流子对mos器件和双极型器件的可靠性都有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。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，在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预，pn极漏电流增加。极漏电流增加。在在mos器件中，热载流子效应造成器件中，热载流子效应造成mos晶体管的晶体管的阈

3、值电压阈值电压vt、漏极电流、漏极电流ids和跨导和跨导g等的漂移。等的漂移。在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可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。靠性的危害更大。mos 器件中的热载流子器件中的热载流子1 沟道热电子沟道热电子(channel hot electron )衬底热电子衬底热电子(she) 二次产生热电子二次产生热电子( sghe)二次产生热电子二次产生热电子( sghe)mos mos 器件中的热载流子器件中的热载流子2 2漏极雪崩倍增热载流子漏极雪崩倍增热载流子(dahc)沟道热电子在漏区沟道热电子在漏区边缘的强电场中边缘的强电场中, 发生雪崩倍

4、增发生雪崩倍增,产生新的电子产生新的电子和空穴。这些新产生的电和空穴。这些新产生的电子和空穴就是漏区雪崩倍子和空穴就是漏区雪崩倍增热载流增热载流 .在电场的作用下在电场的作用下, 电子扫入栅电子扫入栅 区和部分进入氧化层区和部分进入氧化层, 空穴空穴扫扫 入衬底入衬底, 形成衬底电流形成衬底电流 mos 器件中的热载流子器件中的热载流子 3衬底热电子衬底热电子(she) nmos 器件中，当器件中，当 vds vbs,vgs vt 时，在衬底与源、时，在衬底与源、漏、沟道之间有反向电流流漏、沟道之间有反向电流流过。衬底中的电子被耗过。衬底中的电子被耗 尽区尽区的电场拉出并加速向沟道运的电场拉出

5、并加速向沟道运动，当电场足够高时，这些动，当电场足够高时，这些 电子就有了足够的能量可以电子就有了足够的能量可以到达到达si-sio2 界面，并注入到界面，并注入到 sio2中。中。mos 器件中的热载流子器件中的热载流子4二次产生热电子二次产生热电子( sghe)由于碰撞电离在漏由于碰撞电离在漏 极附近发射的光子极附近发射的光子, 与热空穴与热空穴发生二次发生二次 碰撞电离碰撞电离, 从而出现从而出现 新的电子和空穴新的电子和空穴, 相相 应的衬底电流和漏应的衬底电流和漏 极电流。极电流。 进入二氧化硅的热载流子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能量较低的热载

6、流子它们只在氧化层中扩散和漂移漂移, 其中其中 部分被氧化层中的陷部分被氧化层中的陷 阱所俘获阱所俘获. 当氧化层中的陷阱密度为当氧化层中的陷阱密度为 ntt, 俘获截面为俘获截面为 , 陷阱电子平均距离为陷阱电子平均距离为 x, 俘获形成的栅电俘获形成的栅电 流流为为ig, 可得到其有效陷阱电荷密度为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有效电荷密度随时间以指数方式增加, 最后趋最后趋于饱和于饱和 。 进入二氧化硅的

7、热载流子进入二氧化硅的热载流子2能量足够高的热载流子能量足够高的热载流子 它们可以在二氧化硅中它们可以在二氧化硅中产生新的界面态；产生新的界面态；界面态的形成：界面态的形成： si-h 被打断后被打断后, 形成氢间隙原子形成氢间隙原子 hi 和硅的悬挂键和硅的悬挂键 si*( 即界面陷阱即界面陷阱) 。 新产生的陷阱密度新产生的陷阱密度 nit，在开始时，在开始时nit与时间与时间t 成成 正比正比: 在在nit 大时大时, 它与时间它与时间 t 0.5 成正比。成正比。 nit = ct(id/w)exp(- it/g em)n =atn , 一一 般般 n 在在 0.5 - 0.7 之之

8、间间.hc效应对效应对mosfet电性能的影响电性能的影响热载热载 子使陷阱电荷密度随时间而增加子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启导致开启电压和的一系列参数发生漂移电压和的一系列参数发生漂移. 开启电压开启电压 vt(t)= a tn 当热电子引起的衬底电流当热电子引起的衬底电流很大时很大时, 可使源与衬底之间可使源与衬底之间处于正向偏置状态处于正向偏置状态, 引起正引起正向注入向注入, 导致闩锁效应导致闩锁效应 衬底电流模型衬底电流模型isubc1id exp(-bi/em)isuba id (vds-vdsat)b (ai/bi) 其中其中a, b为常数为常数.ai,bi为碰撞离化系数

9、，为碰撞离化系数， a=2.24 10-80.10 10-5 vdsat b = 6.4 衬底电流的另一种表示形式为：衬底电流的另一种表示形式为：isub = 1.2(vds-vdsat)id exp(-1.7 106/ ymax)=1.2(vds-vdssat)idexp(-3.7 106tox1/3rj1/3/(vds-vdsatt) 衬底电流模型衬底电流模型栅电流模型栅电流模型 nmos 器件中器件中, 当栅当栅 氧化层较薄时氧化层较薄时 (小于小于150a), 栅电流主要由沟道热电子注入所引栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。起的。影响热电子效应的参数影响热电子效应的参数1. 沟道长度

10、沟道长度 lmos fet的有效沟道长度的有效沟道长度l和沟道中的最大场强和沟道中的最大场强 max。 max (vds-vdssat)/ll 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nml 1.7 102tox1/8 rj1/3l1/5 tox 15nm, l 0.5 m,式中式中rj 源、漏的结深，源、漏的结深，tox 栅氧化层厚度，栅氧化层厚度，l是沟道长度。是沟道长度。得到得到 max = (vds-vdssat)/ 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nm max = (vds-vdssat)/(1.7 102tox1/8 rj1/3l1/5) tox 15nm, l

11、 0.5 m影响热电子效应的参数影响热电子效应的参数改进热电子效应的工艺措施改进热电子效应的工艺措施减少氧化层界面的硅氢键减少氧化层界面的硅氢键 由于热电子所产生由于热电子所产生的陷阱与氧化层中已有的的陷阱与氧化层中已有的 硅氢键的数量有硅氢键的数量有关关, 因而要减少栅氧化产生因而要减少栅氧化产生 的硅氢键的数量的硅氢键的数量改变栅绝缘层的成份改变栅绝缘层的成份, 提高电子进入绝缘层的功提高电子进入绝缘层的功函数函数, 如采用氧化层表面氮化如采用氧化层表面氮化, si-sio2界面较界面较难出现陷阱难出现陷阱.减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措

12、施nmos结构的改进结构的改进 在在nmosfet 中中, 热载流子对器件的损伤热载流子对器件的损伤, 主要发生在主要发生在 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。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场强.，在器件结构上，在器件结构上,提出了多种结构：提出了多种结构：磷扩散漏区磷扩散漏区( pd) 结构（用于结构（用于3 m 64kdram ）双扩散漏结构双扩散漏结构 ( double diffused drain, ddd

13、 ) 轻掺杂漏结构轻掺杂漏结构 ( light doped drain ,ldd ) 埋沟结构埋沟结构( buried channel , bc ) nmos结构的改进结构的改进ldd结构结构ldd结构是结构是1980年提出的。在栅的长度小于年提出的。在栅的长度小于1.25 m 的的5v工作的工作的cmos器件器件,大都采用了这大都采用了这种结构。种结构。 ldd结构将漏区由两部分组成结构将漏区由两部分组成,一部分是重掺杂的一部分是重掺杂的的的n区区,而在与沟道相邻处为低掺杂的而在与沟道相邻处为低掺杂的n区区,它的它的长度为长度为ln。ldd结构的主要优点：结构的主要优点： 它能将最大场强它能

14、将最大场强 降低降低3040。ldd结构结构ldd结构后，漏极的空间电荷区展宽，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。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结构中沟道区的最大场强 ymax (ldd)： max (ldd) (vdsvds sat y max l)/0.22 t1/3 rj1/3 = y max ln-/ 0.22 t1/3 rj1/3与非与非ldd结构比较，结构比较，ldd结构的夹断区长度结构的夹断区长度增加了增加了ln,最大场强也下降最大场强也下降 nmos器件热载流子效应的可靠寿命器件热载流子效应的可靠寿命1。从热

15、载流子注入引起陷阱密度的增加。从热载流子注入引起陷阱密度的增加, 可以可以得到器件估计器件在热载流子作用下的寿命得到器件估计器件在热载流子作用下的寿命. = h isub-2.9 id1.9 vt1.5 w h 是与氧化层生长工艺有关的参数是与氧化层生长工艺有关的参数.2。在电路可靠性模拟中。在电路可靠性模拟中, 采用的热载流子的退采用的热载流子的退化化, 模型模型, 其命其命 = hw isubm/ idm-1nmos器件热载流子效应的可靠寿命器件热载流子效应的可靠寿命3。美国美国jedec发布的发布的jfp-122a 中中位寿命中中位寿命tf tfb isub-n exp(ea/kt) b

16、 与掺杂分布，与掺杂分布，sidewall spacing尺寸等有尺寸等有关的常数。关的常数。isub =加应力的加应力的 衬底峰值电流衬底峰值电流, n = 2 to 4ea = -0.1 ev to -0.2 ev 注意！这是负值注意！这是负值pmos器件的热载流子效应器件的热载流子效应一般情况下，热载流子对一般情况下，热载流子对pmos器件的影响较器件的影响较nmos fet要弱得多。而在亚微米要弱得多。而在亚微米pmos fet中，热载流子效应引起人们的注意。中，热载流子效应引起人们的注意。pmos fet 的热载流子效应表现在三个方面：的热载流子效应表现在三个方面： 热电子引起的穿通效应热电子引起的穿通效应 氧化层正电荷效应氧化层正电荷效应 热空穴产生的界面态。热空穴产生的界面态。pmos中热电子引起的穿通效应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，降低了沟多的空穴，类似于增加栅极电压，所以，降低