热载流子效应.ppt

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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1复旦大学材料科学系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2复旦大学材料科学系热

2、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3复旦大学材料科学系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)微电子器件的可靠性4复旦大学材料科学系MOS

3、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5复旦大学材料科学系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

4、SiO2中。微电子器件的可靠性6复旦大学材料科学系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。微电子器件的可靠性7复旦大学材料科学系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

5、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8复旦大学材料科学系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9复旦大学材料科学系HC效应对MO

6、SFET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10复旦大学材料科学系衬底电流模型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)IDe

7、xp(-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11复旦大学材料科学系衬底电流模型微电子器件的可靠性12复旦大学材料科学系栅电流模型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13复旦大学材料科学系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/

8、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