热载流子效应讲课讲稿.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,*,微电子器件的可靠性,Microelectronics Reliability,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100 KV/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-SiO,2,的,势垒高度(3.5 eV)时,载流子,能直接注入或通过隧道效应,进入SiO,2,.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，PN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V,T,、漏极电流I,DS,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(Channel Hot Electron),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 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 V,DS,V,BS,V,GS,V,T,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-SiO,2,界面，并注入到,SiO,2,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 N,TT,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 n,T,:,n,T,=N,TT,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。,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N,it,大时,它与时间 t,0.5,成正比。,N,it,=Ct(I,d,/W)exp(-,it/g,Em),n,=At,n,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,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,V,T,(t)=A t,n,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,I,sub,C,1,I,d,exp(-Bi/Em),I,sub,a I,d,(V,ds,-V,dsat,),b,(Ai/Bi),其中a,b为常数.A,i,B,i,为碰撞离化系数，,a=2.24,10,-8,0.10,10,-5,V,dsat,b=6.4,衬底电流的另一种表示形式为：,I,sub,=1.2(V,DS,-V,dsat,)I,D,exp(-1.7,10,6,/,ymax,),=1.2(V,DS,-V,DSsa,t,)I,D,exp(-3.7,10,6,t,ox,1/3,r,j,1/3,/(V,DS,-V,dsat,t,),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,L,MOS FET的有效沟道长度,l,和沟道中的最大场强,max,。,max,(V,DS,-V,DSsat,)/,l,l,0.22tox,1/3,r,j,1/3,t,ox,15nm,l,1.7,10,2,tox,1/8,r,j,1/3,L,1/5,t,ox,15nm,L,0.5,m,式中r,j,源、漏的结深，t,ox,栅氧化层厚度，L是沟道长度。,得到,max,=(V,DS,-V,DSsat,)/0.22tox,1/3,r,j,1/3,t,ox,15nm,max,=(V,DS,-V,DSsat,)/(1.7,10,2,tox,1/8,r,j,1/3,L,1/5,),t,ox,15nm,L,0.5,m,微电子器件的可靠性,14,复旦大学材料科学系,影响热电子效应的参数,微电子器件的可靠性,15,复旦大学材料科学系,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-SiO,2,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,微电子器件的可靠性,16,复旦大学材料科学系,NMOS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3,m 64KDRAM）,双扩散漏结构(Double Diffused Drain,DDD),轻掺杂漏结构(Light Doped Drain,LDD),埋沟结构(Buried Channel,BC),微电子器件的可靠性,17,复旦大学材料科学系,NMOS结构的改进,微电子器件的可靠性,18,复旦大学材料科学系,LDD结构,LDD结构是1980年提出的。在栅的长度小于1.25,m 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L,n,。,LDD结构的主要优点：,它能将最大场强,降低3040。,微电子器件的可靠性,19,复旦大学材料科学系,LDD结构,LDD结构后，漏极的空间电荷区展宽，V,DS,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)(V,DS,V,DS,sat,y max,l),/0.22 t,1/3,r,j,1/3,=,y max,L,n,-/,0.22 t,1/3,r,j,1/3,与非LDD结构比较，LDD结构的夹断区长度增加了L,n,最大场强也下降,微电子器件的可靠性,20,复旦大学材料科学系,NMOS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.,=H I,SUB,-2.9,I,D,1.9,V,T,1.5,W,H 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,=HW I,SUB,m,/I,D,m-1,微电子器件的可靠性,21,复旦大学材料科学系,NMOS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,T,F,T,F,B,I,sub,-N,exp(Ea/KT),B,与掺杂分布，,sidewall spacing,尺寸等有关的常数。,Isub,=,加应力的,衬底峰值电流,N,=2 to 4,Ea,=-0.1 eV to-0.2 eV,注意！这是负值,微电子器件的可靠性,22,复旦大学材料科学系,PMOS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NMOS FET要弱得多。而在亚微米PMOS FET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：,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。,微电子器件的可靠性,23,复旦大学材料科学系,PMOS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，降低了沟道中的电场。,重要的是这些陷落电子 使靠近漏极的N型Si衬底 表面反型，使的有效沟 道衬底降低。,微电子器件的可靠性,24,复旦大学材料科学系,PMOS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,氧化层电荷附近的阈值,电压随时间的变化曲线,a.沟道长度的变化短路,b.界面态的变化,c.氧化层电荷附近的,阈值电压,微电子器件的可靠性,25,复旦大学材料科学系,