热载流子效应实用教案

1、微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系1热载流子效应热载流子效应(xioyng)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, , 称这称这种载流子为热载流子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, , 载流载流子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一. . 载流子的能量超过载流

2、子的能量超过Si-SiOSi-SiO2 2的的 势垒高度势垒高度(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。第1页/共25页第一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系2热载流子的器件(qjin)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，PN极漏电流增加。在MOS器件中，热载流子效应造

3、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。第2页/共25页第二页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系3MOS 器件器件(qjin)中的热载流子中的热载流子1 沟 道 热 电 子沟 道 热 电 子( C h a n n e l 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)第3页/共25页第三页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f

4、dn d xu)材料科学系4MOS MOS 器件器件(qjin)(qjin)中的热载流子中的热载流子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, 发生雪崩倍增发生雪崩倍增,产生新的电产生新的电子和空穴。这些新产生的子和空穴。这些新产生的电子和空穴就是漏区雪崩电子和空穴就是漏区雪崩倍增热载流倍增热载流 .在电场的作用下在电场的作用下, 电子扫入电子扫入栅栅 区和部分进入氧化层区和部分进入氧化层, 空空穴扫穴扫 入衬底入衬底, 形成衬底电流形成衬底电流 第4页/共25页第四页，共25页。微电子器件(din z q jin)

5、的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系5MOS 器件器件(qjin)中的热载流子中的热载流子 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。第5页/共25页第五页，共25页。微电子器件(din

6、z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系6MOS 器件器件(qjin)中的热载流子中的热载流子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, 与热空穴发与热空穴发生二次生二次 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。 第6页/共25页第六页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系7 进入进入(jnr)二氧化硅的热载流子二氧化硅的热载流子 1能量较低的热载流子它们只在

7、氧化层中扩散和漂能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移移, 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 流为流为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

8、和于饱和 。 第7页/共25页第七页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系8进入进入(jnr)二氧化硅的热载流子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它们可以在二氧化硅中产生新的界面态；中产生新的界面态；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

9、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 间间.第8页/共25页第八页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系9HC效应效应(xioyng)对对MOSFET电性能电性能的影响的影响热载热载 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

10、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 第9页/共25页第九页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系10衬底电流衬底电流(dinli)模型模型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，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(V

11、DS-Vdsat)ID exp(-1.7 106/ ymax)=1.2(VDS-VD S sat)IDexp(-3.7 106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt) 第10页/共25页第十页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系11衬底电流衬底电流(dinli)(dinli)模型模型第11页/共25页第十一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系12栅电流栅电流(dinli)模型模型 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),

12、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。第12页/共25页第十二页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系13影响热电子效应(xioyng)的参数 1. 沟道长度沟道长度 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

13、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 0.5 m第13页/共25页第十三页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系14影响(yngxing)热电子效应的参数第14页/共25页第十四页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系15改进热电子效应的工艺(gngy)措施减少氧化层界

14、面的硅氢键减少氧化层界面的硅氢键 由于热电子所产生的由于热电子所产生的陷阱与氧化层中已有的陷阱与氧化层中已有的 硅氢键的数量有关硅氢键的数量有关, 因因而要减少栅氧化产生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减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施施第15页/共25页第十五页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu

15、)材料科学系16NMOS结构(jigu)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, 主要发生主要发生在在 靠近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数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。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最大场强.，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 Dr

16、ain, DDD ) 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 ) 第16页/共25页第十六页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系17NMOS结构(jigu)的改进第17页/共25页第十七页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系18LDD结构(jigu) 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

17、都采用了这种大都采用了这种结构。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,它它的长度为的长度为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将最大场强 降低降低3040。第18页/共25页第十八页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系19LDD结构(jigu) 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 的的一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。一部分可以降落在轻掺杂的漏区

18、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结构的夹断区长度增结构的夹断区长度增加了加了Ln,最大场强也下降最大场强也下降 第19页/共25页第十九页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系20NMOS器件热载流子效应(xioyng)的可靠寿命1。从热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

19、, 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化采用的热载流子的退化, 模型模型, 其命其命 = HW ISUBm/ IDm-1第20页/共25页第二十页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系21NMOS器件热载流子效应(xioyng)的可靠寿命3。美国美国JEDEC发布的发布的JFP-122a 中中位寿命TF T

20、FB Isub-N exp(Ea/KT) B 与掺杂分布，与掺杂分布，sidewall spacing尺寸等尺寸等有关的常数。有关的常数。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！这是负值第21页/共25页第二十一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系22PMOS器件(qjin)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。第22页/共25页第二十二页，共25页。微电子