熱載流子效應(yīng)(精品課件）

1、微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,1,微電子器件的可靠性Microelectronics Reliability,第五章 熱載流子效應(yīng),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,2,熱載流子效應(yīng),當電場超過100 KV/cm時, 載流子從電場中獲 得更多的能量, 載流子的能量和晶格不再保持熱平衡, 稱這種載流子為熱載流子. 當載流子具有的額外能量超過禁帶寬度的3倍時, 載流子與晶格的碰撞電離成為主要的能量消耗形式之一. 載流子的能量超過Si-SiO2的 勢壘高度(3.5 eV)時,載流子 能直接注入或通過隧道效應(yīng) 進入SiO2 .影響器件性能，這 效 應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。,微電子器件的可靠

2、性,復(fù)旦大學材料科學系,3,熱載流子的器件的影響,熱載流子對MOS器件和雙極型器件的可靠性都有影響，是屬于磨損型失效機理。 在雙極型器件中，熱載流子造成擊穿電壓的弛預(yù)，PN極漏電流增加。 在MOS器件中，熱載流子效應(yīng)造成MOS晶體管的閾值電壓VT、漏極電流IDS和跨導(dǎo)G等的漂移。 在亞微米和深亞微米器件中，熱載流子效應(yīng)對可靠性的危害更大。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,4,MOS 器件中的熱載流子1,溝道熱電子(Channel Hot Electron ) 襯底熱電子(SHE) 二次產(chǎn)生熱電子( SGHE) 二次產(chǎn)生熱電子( SGHE),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,5,M

3、OS 器件中的熱載流子2,漏極雪崩倍增熱載流子 (DAHC)溝道熱電子在漏區(qū)邊緣的強電場中, 發(fā)生雪崩倍增,產(chǎn)生新的電子和空穴。這些新產(chǎn)生的電子和空穴就是漏區(qū)雪崩倍增熱載流 . 在電場的作用下, 電子掃入柵 區(qū)和部分進入氧化層, 空穴掃 入襯底, 形成襯底電流,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,6,MOS 器件中的熱載流子 3,襯底熱電子(SHE) NMOS 器件中，當 VDS VBS, VGS VT 時，在襯底與源、 漏、溝道之間有反向電流流 過。襯底中的電子被耗 盡區(qū) 的電場拉出并加速向溝道運 動，當電場足夠高時，這些 電子就有了足夠的能量可以 到達Si-SiO2 界面，并注入到 S

4、iO2中。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,7,MOS 器件中的熱載流子4,二次產(chǎn)生熱電子( SGHE) 由于碰撞電離在漏 極附近發(fā)射的光子, 與熱空穴發(fā)生二次 碰撞電離, 從而出現(xiàn) 新的電子和空穴, 相 應(yīng)的襯底電流和漏 極電流。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,8,進入二氧化硅的熱載流子 1,能量較低的熱載流子它們只在氧化層中擴散和漂移, 其中 部分被氧化層中的陷 阱所俘獲. 當氧化層中的陷阱密度為 NTT, 俘獲截面為 , 陷阱電子平均距離為 X, 俘獲形成的柵電 流為Ig, 可得到其有效陷阱電荷密度為 nT: nT = NTT 1- exp(-(1/q)Ig(t)Dt)

5、 X 陷阱電荷密度與氧化層中的陷阱密度成正比: 有效電荷密度隨時間以指數(shù)方式增加, 最后趨于飽和 。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,9,進入二氧化硅的熱載流子2,能量足夠高的熱載流子 它們可以在二氧化硅中產(chǎn)生新的界面態(tài)； 界面態(tài)的形成： Si-H 被打斷后, 形成氫間隙原子 Hi 和硅的懸掛鍵 Si*( 即界面陷阱) 。 新產(chǎn)生的陷阱密度 Nit，在開始時Nit與時間t 成 正比: 在Nit 大時, 它與時間 t 0.5 成正比。 Nit = Ct(Id/W)exp(-it/gEm)n =Atn , 一 般 n 在 0.5 - 0.7 之 間.,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系

6、,10,HC效應(yīng)對MOSFET電性能的影響,熱載 子使陷阱電荷密度隨時間而增加,導(dǎo)致開啟 電壓和的一系列參數(shù)發(fā)生漂移. 開啟電壓 VT(t)= A tn 當熱電子引起的襯底電流 很大時, 可使源與襯底之間 處于正向偏置狀態(tài), 引起正 向注入, 導(dǎo)致閂鎖效應(yīng),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,11,襯底電流模型,IsubC1Id exp(-Bi/Em) Isuba Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi) 其中a, b為常數(shù).Ai,Bi為碰撞離化系數(shù)， a=2.2410-80.1010-5 Vdsat b = 6.4 襯底電流的另一種表示形式為： Isub = 1.2(VDS-Vds

7、at)ID exp(-1.7106/ymax) =1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,12,襯底電流模型,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,13,柵電流模型,NMOS 器件中, 當柵 氧化層較薄時 (小于150A), 柵電流主要由溝道熱電子注入所引起的。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,14,影響熱電子效應(yīng)的參數(shù),1. 溝道長度 L MOS FET的有效溝道長度l和溝道中的最大場強max。 max (VDS-VDSsat)/l l 0.22tox1/3 rj1/3 tox

8、 15nm l 1.7102tox1/8 rj1/3L1/5 tox 15nm, L 0.5m, 式中rj 源、漏的結(jié)深，tox 柵氧化層厚度，L是溝道長度。 得到 max = (VDS-VDSsat)/ 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nm max = (VDS-VDSsat)/(1.7102tox1/8 rj1/3L1/5) tox 15nm, L 0.5m,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,15,影響熱電子效應(yīng)的參數(shù),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,16,改進熱電子效應(yīng)的工藝措施,減少氧化層界面的硅氫鍵 由于熱電子所產(chǎn)生的陷阱與氧化層中已有的 硅氫鍵的數(shù)量有關(guān)

9、, 因而要減少柵氧化產(chǎn)生 的硅氫鍵的數(shù)量 改變柵絕緣層的成份, 提高電子進入絕緣層的功函數(shù), 如采用氧化層表面氮化, Si-SiO2界面較難出現(xiàn)陷阱. 減少等離子損傷是改進熱載流子效應(yīng)的必要措施,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,17,NMOS結(jié)構(gòu)的改進,在NMOSFET 中, 熱載流子對器件的損傷, 主要發(fā)生在 靠近漏極的溝道區(qū)上方的氧化層中。熱載流子的數(shù)量直接受控于溝道中最大場強。 為改進器件熱載流子效應(yīng)的可靠性，降低溝道中的最大場強.，在器件結(jié)構(gòu)上,提出了多種結(jié)構(gòu)： 磷擴散漏區(qū)( PD) 結(jié)構(gòu)（用于3m 64KDRAM ） 雙擴散漏結(jié)構(gòu) ( Double Diffused Drai

10、n, DDD ) 輕摻雜漏結(jié)構(gòu) ( Light Doped Drain ,LDD ) 埋溝結(jié)構(gòu)( Buried Channel , BC ),微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,18,NMOS結(jié)構(gòu)的改進,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,19,LDD結(jié)構(gòu),LDD結(jié)構(gòu)是1980年提出的。在柵的長度小于1.25m 的5V工作的CMOS器件,大都采用了這種結(jié)構(gòu)。 LDD結(jié)構(gòu)將漏區(qū)由兩部分組成,一部分是重摻雜的的N區(qū),而在與溝道相鄰處為低摻雜的N區(qū),它的長度為Ln。 LDD結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點： 它能將最大場強 降低3040。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,20,LDD結(jié)構(gòu),LDD結(jié)構(gòu)后

11、，漏極的空間電荷區(qū)展寬，VDS 的一部分可以降落在輕摻雜的漏區(qū)上。 LDD結(jié)構(gòu)中溝道區(qū)的最大場強 ymax (LDD)： MAX (LDD) (VDSVDS saty max l)/0.22 t1/3 rj1/3 = y max Ln-/ 0.22 t1/3 rj1/3 與非LDD結(jié)構(gòu)比較，LDD結(jié)構(gòu)的夾斷區(qū)長度增加了Ln,最大場強也下降,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,21,NMOS器件熱載流子效應(yīng)的可靠壽命,1。從熱載流子注入引起陷阱密度的增加, 可以得到器件估計器件在熱載流子作用下的壽命. = H ISUB-2.9 ID1.9 VT1.5 W H 是與氧化層生長工藝有關(guān)的參數(shù).

12、2。在電路可靠性模擬中, 采用的熱載流子的退化, 模型, 其命 = HW ISUBm/ IDm-1,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,22,NMOS器件熱載流子效應(yīng)的可靠壽命,3。美國JEDEC發(fā)布的JFP-122a 中中位壽命TF TFB Isub-N exp(Ea/KT) B 與摻雜分布，sidewall spacing尺寸等有關(guān)的常數(shù)。 Isub =加應(yīng)力的 襯底峰值電流, N = 2 to 4 Ea = -0.1 eV to -0.2 eV 注意！這是負值,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,23,PMOS器件的熱載流子效應(yīng),一般情況下，熱載流子對PMOS器件的影響較NMOS FET要弱得多。而在亞微米PMOS FET中，熱載流子效應(yīng)引起人們的注意。 PMOS FET 的熱載流子效應(yīng)表現(xiàn)在三個方面： 熱電子引起的穿通效應(yīng) 氧化層正電荷效應(yīng) 熱空穴產(chǎn)生的界面態(tài)。,微電子器件的可靠性,復(fù)旦大學材料科學系,24,PMOS中熱電子引起的穿通效應(yīng),碰撞電離產(chǎn)生的熱電子，在柵電場作用下加速注入到靠近漏極的柵氧化層，在靠近漏極的柵氧化層中形成陷阱。由于這些陷落電