热载流子效应

热载流子效应微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系1第一页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系2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。第二页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系3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。第三页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系4MOS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)第四页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系5MOS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,形成衬底电流第五页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系6MOS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。第六页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系7MOS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。

第七页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系8

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。第八页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系9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/gEm)]n=Atn,

一般n在0.5--0.7之间.第九页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系10HC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,导致闩锁效应第十页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系11

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=2.2410-8－0.1010-5Vdsatb=6.4

衬底电流的另一种表示形式为：Isub=1.2(VDS-Vdsat)IDexp(-1.7106/ymax)=1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt)第十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系12衬底电流模型第十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系13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。第十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系14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＝0.22tox1/3rj1/3

tox

15nml＝1.710－2tox1/8rj1/3L1/5tox

15nm,L0.5m,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)/0.22tox1/3rj1/3

tox15nmmax

=(VDS-VDSsat)/(1.710－2tox1/8rj1/3L1/5)tox

15nm,L0.5m第十四页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系15影响热电子效应的参数第十五页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系16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第十六页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系17NMOS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3m64KDRAM）双扩散漏结构(DoubleDiffusedDrain,DDD)轻掺杂漏结构(LightDopedDrain,LDD)埋沟结构(BuriedChannel,BC)

第十七页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系18NMOS结构的改进第十八页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系19LDD结构LDD结构是1980年提出的。在栅的长度小于1.25m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％。第十九页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系20LDD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－VDS

sat－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

第二十页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系21NMOS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第二十一页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系22NMOS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！这是负值第二十二页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系23PMOS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。第二十三页，共二十五页，编辑于2023年，星期三微电子器件的可靠性复旦大学材料科学系24PMOS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