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1、第五章第五章 热载流子效应热载流子效应热载流子效应热载流子效应当当电电场场超超过过100 100 KV/cmKV/cm时时, , 载载流流子子从从电电场场中中获获 得得更更多多的的能能量量, , 载载流流子子的的能能量量和和晶晶格格不不再再保保持持热热平平衡衡, , 称称这这种种载流子为热载流子载流子为热载流子. .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, , 载流子载流子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一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子的能量超过Si-SiOSi-SiO2 2的的 势垒高度势垒高度
2、(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。热载流子的器件的影响热载流子的器件的影响热载流子对热载流子对MOS器件和双极型器件的可靠性都有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。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，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。极漏电流增加。在在MOS器件中，热载流子效应造成器件中，热载流子效应造成MOS晶体管的晶体管的阈
3、值电压阈值电压VT、漏极电流、漏极电流IDS和跨导和跨导G等的漂移。等的漂移。在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可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。靠性的危害更大。MOS 器件中的热载流子器件中的热载流子1 沟沟 道道 热热 电电 子子 (Channel 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)MOS MOS 器件中的热载流子器件中的热载流子2 2漏极雪崩倍增热载流子漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)沟沟道道热热电电子子在在漏漏区区边缘的强电场中边缘的强电场中,
4、发发生生雪雪崩崩倍倍增增,产产生生新新的的电电子子和和空空穴穴。这这些些新新产产生生的的电电子子和和空空穴穴就就是是漏漏区区雪雪崩崩倍倍增热载流增热载流 .在在电电场场的的作作用用下下, 电电子子扫扫入入栅栅 区区和和部部分分进进入入氧氧化化层层, 空空穴穴扫扫 入衬底入衬底, 形成衬底电流形成衬底电流 MOS 器件中的热载流子器件中的热载流子 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
5、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。MOS 器件中的热载流子器件中的热载流子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, 与热空穴与热空穴发生二次发生二次 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。 进入二氧化硅的热载流子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能量较
6、低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移漂移, 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 流流为为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 陷陷阱阱电电荷荷密密度度与与氧氧化化层层中中的的陷陷阱阱密密度度成成正正比比: 有有效效电电荷荷密密度度随随时时间间以以指指数数方方式式增增加加, 最最后后趋趋于饱和于饱和 。 进入二
7、氧化硅的热载流子进入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中它们可以在二氧化硅中产生新的界面态；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) 。 新新产产生生的的陷陷阱阱密密度度 Nit，在在开开始始时时Nit与与时时间间t 成成 正比正比: 在在Nit 大时大时, 它与时间它与时间 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
8、之之 间间.HC效应对效应对MOSFET电性能的影响电性能的影响热载热载 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 衬底电流模型衬底电流模型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
9、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(VDS-Vdsat)ID exp(-1.7 106/ ymax)=1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7 106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt) 衬底电流模型衬底电流模型栅电流模型栅电流模型 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), 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。影响热电子效应的参数影响热电子效应的参数w1.
10、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 10 2tox1/8 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 15
11、nm, L 0.5 m影响热电子效应的参数影响热电子效应的参数改进热电子效应的工艺措施改进热电子效应的工艺措施减减少少氧氧化化层层界界面面的的硅硅氢氢键键 由由于于热热电电子子所所产产生生的的陷陷阱阱与与氧氧化化层层中中已已有有的的 硅硅氢氢键键的的数数量量有有关关, 因而要减少栅氧化产生因而要减少栅氧化产生 的硅氢键的数量的硅氢键的数量改改变变栅栅绝绝缘缘层层的的成成份份, 提提高高电电子子进进入入绝绝缘缘层层的的功功函函数数, 如如采采用用氧氧化化层层表表面面氮氮化化, Si-SiO2界界面面较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施减少等离子损伤是改进热载流子效
12、应的必要措施NMOS结构的改进结构的改进 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, 主要发生在主要发生在 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。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 Drain
13、, 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 ) NMOS结构的改进结构的改进LDD结构结构wLDD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,大都采用了这大都采用了这种结构。种结构。 wLDD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,它的它的长度为长度为Ln。wLDD结构的主要优点：结构的主要优点： 它
14、能将最大场强它能将最大场强 降低降低3040。LDD结构结构wLDD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上。wLDD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 rj1/3w与非与非LDD结构比较，结构比较，LDD结构的夹断区长度结构的夹断区长度增加了增加了Ln,最大场强也下降最大场强也下降 NMOS器件热载流子效应的可靠寿命器件热载流子
15、效应的可靠寿命1。从从热热载载流流子子注注入入引引起起陷陷阱阱密密度度的的增增加加, 可可以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。在在电电路路可可靠靠性性模模拟拟中中, 采采用用的的热热载载流流子子的的退退化化, 模模型型, 其其命命 = HW ISUBm/ IDm-1NMOS器件热载流子效应的可靠寿命器件热载流子效应的可靠寿命3。美国美国JEDEC发布的发布的JFP-122a 中中位寿命中中位寿命TF TFB Isub-N exp
16、(Ea/KT) B 与掺杂分布，与掺杂分布，sidewall spacing尺寸等有尺寸等有关的常数。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PMOS器件的热载流子效应器件的热载流子效应一一般般情情况况下下，热热载载流流子子对对PMOS器器件件的的影影响响较较NMOS FET要要弱弱得得多多。而而在在亚亚微微米米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
17、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。PMOS中热电子引起的穿通效应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。由于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较成陷阱。由于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较多的空穴，类似于增加栅极电压，所以，降低了沟多的空穴，类似于增加栅极电压，所以，降低了沟道中的电场。道中的电场。重要的是这些陷落电子重要的是这些陷落电子 使靠近漏极的使靠近漏极的N N型型SiSi衬底衬底 表表面反型，使的有效沟面反型，使的有效沟 道衬底降低。道衬底降低。 PMOS氧化层正电荷效应和热空穴产生的界面态氧化层正电荷效应和热空穴产生的界面态沟道长度、界面态和沟道长度、界面态和氧化层电荷附近的阈值氧化层电荷附近的阈值电压随时间的变化曲线电压随时间的变化曲线a.a.沟道长度的变化短路沟道长度的变化短路b. b. 界面态的变化界面态的变化c. c. 氧化层电荷附近的氧化层电荷附近的 阈值电压阈值电压
