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1、微电子器件与IC的可靠性与失效分析（四）热载流子效应2010-08-19 15:57:39|分类：微电子电路|标签：热载流子衬底器件mosfet ic |字号订阅作者：Xie M. X. （UESTC，成都市）对于MOSFET及其IC,在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移； 但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200250 OC）几个小时之后，即可部分或者全部恢 复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。这就是热载流子效应所造成 的一种失效现象。（1）热载流子及其效应：在小尺寸MOSFET中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场;特别是， 当MOSFET工作
2、于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在 强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过 夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这 些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次 级的电子-空穴对一一次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输 出源-漏电流（IDS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流dsub），如图1所示。 通过测量Isub就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。若夹断区中的一些
3、热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热 载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于 氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能 的变化。对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧 化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无 热载流子的状态。据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效。图1 n-MOSFET的热电子效应-（2）热载流子引起MOSFET性能的退化：热载流子对器件和IC所造成的影响主要表现在以下两个方面。 产生寄生晶
4、体管效应。当有较大的Isub流过衬底（衬底电阻为Rsub）时将产生电 压降（IsubxRsub），这会使源-衬底的n+-p结正偏（因为源极通常是接地的），从而形成一 个“源-衬底-漏”的寄生n+-p-n+晶体管;这个寄生晶体管与原来的MOSFET相并联而构成一 个复合结构的器件，这种复合结构往往是导致短沟道MOSFET发生源-漏击穿的原因，并且 还会使伏安特性曲线出现回滞现象，在CMOS电路中还将会导致闩锁效应。为了提高短沟道MOSFET的源-漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有 关的寄生晶体管起作用。因此，就需要减小衬底电阻Rsub，以使得乘积（IsubxRsub）0.6V， 这
5、样一来寄生晶体管就不能导通工作了。 产生热载流子退化。沟道中有一小部分具有足够高能量的热载流子可以越过Si/SiO2 界面的势垒（电子势垒高度Eb约为3.2eV，空穴的约为4.9eV）而注入到栅SiO2层中，并 多数形成了栅极电流IG。虽然此栅极电流很小，但是它所造成的后果却很严重，因为热电 子注入到栅SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，经过一段时间的电荷积累即会使得器件 性能发生退化（阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿），这将危 及到小尺寸MOSFET及其VLSI的可靠性（详见“（三）MOSFET栅氧化层的性能退化”）。 可见，MOS器件性能的退化主要是与较小的栅极电
6、流IG有关，而与比它大几个数量级的 衬底电流Isub无关。（3）对MOSFET热载流子退化寿命的评估：虽然MOS器件由于热载流子效应而发生的性能退化与衬底电流Ib无关，但却可以通 过检测此衬底电流来了解有关器件性能因热电子而产生退化的状况，因为衬底电流与栅极电流和源-漏电流都存在一定的关系。由于热电子效应所导致MOSFET性能的退化过程，可能与打断Si/SiO2界面上的Si-H 键有关，或者说与界面陷阱（密度为Nit）的形成有关。这种性能的退化很类似于热氧化速 率的过程，则从这种概念出发，即可得到MOSFET的寿命。为了通过测量来得到失效时间t，以研究热载流子退化的作用机理。可以在高于正常偏
7、置条件下来进行应力测量（可用衬底电流和监测时间来代表应力的积累），即在衬底电流最 大时让器件持续工作、并观察作为失效标志的性能参数变化；例如观察阈值电压，当阈值电 压变化超过一定值（譬如10mV）时，即认为已失效，由此器件持续正常工作的时间即可得 知失效时间，并可推算出器件的寿命。（4）改善器件热载流子退化特性的措施：为了提高器件的稳定性和可靠性，如何削弱或消除热电子效应的影响是一个很重要的问 题。根据以上的讨论得知，为了防止热载流子效应，主要是减弱MOSFET夹断区中的电场。 而为了避免寄生晶体管效应，还可以适当地降低衬底电阻。总之，为了改善MOSFET的热 电子退化性能，可以采取的措施有如
8、： 提高栅绝缘层的质量，否则热电子退化效应将限制着器件往深亚微米的缩小。 合理设计漏极区结构（让漏极区也承受一部分电压），这就发展出所谓轻掺杂漏极区 结构（LDD，lighth doped drain），如图2所示。LDD结构即是在有效沟道和漏极区之间增 加一个高阻区（n-区，掺杂浓度约为1018cm-3），使得漏极区附近夹断区的耗尽层展宽，以 减弱该处的电场。实际上，大多数VLSI中的MOSFET都采用了这种结构；不过这种LDD 结构对于很小尺寸的MOSFET在工艺上比较难以控制。 适当地增大沟道长度或者限制源-漏电压，以避免强电场产生。但这些措施有时候难 以实现。 适当采用p-MOSFET
9、。因为Si中空穴的电离率较小，空穴的氧化层界面势垒也较高， 则热载流子效应对于p-MOSFET较不容易发生（例如3mm的器件，n-MOSFET在10V时 即产生热电子；而p-MOSFET在20V时也不会产生热空穴）。一般，对L0.5mm的 p-MOSFET，热电子退化不严重；但是对L0.5mm的p-MOSFET，则仍必须考虑热电子 退化问题。 适当选取最高源-漏电压VDSmax，因为在不同的沟道长度L和不同的VDSmax时， 热电子作用的机理不同，如图3所示。最后需要指出，对于开关工作的MOSFET，因为要么没有沟道（关态X要么沟道完全 导通（开态），故一般不容易产生热载流子效应，只是在开态与
10、关态之间转换的过程中才有 可能发生。因此开关MOSFET的抗热载流子效应能力较强一些。不过，值得注意的是MOSFET在关断状态时的泄漏电流也与栅氧化层质量有关。因为栅极 与漏极的交叠区将形成一个栅控MOS二极管。对于氧化层很薄的突变结，在某种偏置条件 下该二极管会发生雪崩倍增，并产生从漏极p-n结流到衬底的泄漏电流；栅控MOS二极管 的这种雪崩电流称为栅极感应漏极的泄漏电流（GIDL）。在一定的源-漏电压下，n-MOSFET 的沟道电流将随着栅极电压的减小而降低（最后进入亚阈区）；则在某些栅极电压下，漏极 电流将会变成为GIDL电流。在短沟道器件中，当处于关断状态（即栅极电压为0）时，GIDL 电流即是主要的截止电流成分。一一去宇p型村底图2 MOSFET的LDD结构w”热电子注入生BJT字性（in）图3不同的热载流子作用机理h
