熱載流子效應(yīng)PPT課件

1、微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系1熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng)當(dāng)電場超過當(dāng)電場超過100 KV/cm100 KV/cm時(shí)時(shí), , 載流子從電場中獲載流子從電場中獲 得更得更多的能量多的能量, , 載流子的能量和晶格不再保持熱平衡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稱這種載流子為熱載流子. .當(dāng)載流子具有的額外能量超過禁帶寬度的當(dāng)載流子具有的額外能量超過禁帶寬度的3 3倍時(shí)倍時(shí), , 載載流子與晶格的碰撞電離成為主要的能量消耗形式之流子與晶格的碰撞電離成為主要的能量消耗形式之一一. . 載流子的能量超過載流子的能量超過Si-SiOSi-SiO2 2的的 勢壘高度勢壘高度

2、(3.5 eV)(3.5 eV)時(shí)時(shí), ,載流子載流子 能直接注入或通過隧道效應(yīng)能直接注入或通過隧道效應(yīng) 進(jìn)入進(jìn)入SiOSiO2 2 . .影響器件性能，這影響器件性能，這 效效 應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。應(yīng)稱為熱載流子效應(yīng)。第1頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系2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(jī)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。第2頁/共25頁微電子

3、器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系3MOS 器件中的熱載流子器件中的熱載流子1 溝道熱電子溝道熱電子(Channel Hot Electron )襯底熱電子襯底熱電子(SHE) 二次產(chǎn)生熱電子二次產(chǎn)生熱電子( SGHE)二次產(chǎn)生熱電子二次產(chǎn)生熱電子( SGHE)第3頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系4MOS MOS 器件中的熱載流子器件中的熱載流子2 2漏極雪崩倍增熱載流子漏極雪崩倍增熱載流子(DAHC)溝道熱電子在漏區(qū)溝道熱電子在漏區(qū)邊緣的強(qiáng)電場中邊緣的強(qiáng)電場中, 發(fā)生雪崩倍增發(fā)生雪崩倍增,產(chǎn)生新的電產(chǎn)生新的電子和空穴。這些新產(chǎn)生的子和空穴。這些新產(chǎn)生的電子和空穴就是漏區(qū)雪崩電子和

4、空穴就是漏區(qū)雪崩倍增熱載流倍增熱載流 .在電場的作用下在電場的作用下, 電子掃入電子掃入柵柵 區(qū)和部分進(jìn)入氧化層區(qū)和部分進(jìn)入氧化層, 空穴掃空穴掃 入襯底入襯底, 形成襯底形成襯底電流電流 第4頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系5MOS 器件中的熱載流子器件中的熱載流子 3襯底熱電子襯底熱電子(SHE) NMOS 器件中，當(dāng)器件中，當(dāng) VDS VBS,VGS VT 時(shí)，在襯底與源、時(shí)，在襯底與源、漏、溝道之間有反向電流流漏、溝道之間有反向電流流過。襯底中的電子被耗過。襯底中的電子被耗 盡區(qū)盡區(qū)的電場拉出并加速向溝道運(yùn)的電場拉出并加速向溝道運(yùn)動(dòng)，當(dāng)電場足夠高時(shí)，這些動(dòng)，當(dāng)電場足夠高

5、時(shí)，這些 電子就有了足夠的能量可以電子就有了足夠的能量可以到達(dá)到達(dá)Si-SiO2 界面，并注入到界面，并注入到 SiO2中。中。第5頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系6MOS 器件中的熱載流子器件中的熱載流子4二次產(chǎn)生熱電子二次產(chǎn)生熱電子( SGHE)由于碰撞電離在漏由于碰撞電離在漏 極附近發(fā)射的光子極附近發(fā)射的光子, 與熱空與熱空穴發(fā)生二次穴發(fā)生二次 碰撞電離碰撞電離, 從而出現(xiàn)從而出現(xiàn) 新的電子和新的電子和空穴空穴, 相相 應(yīng)的襯底電流和漏應(yīng)的襯底電流和漏 極電流。極電流。 第6頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系7 進(jìn)入二氧化硅的熱載流子進(jìn)入二氧化硅的熱載流子

6、1能量較低的熱載流子它們只在氧化層中擴(kuò)散能量較低的熱載流子它們只在氧化層中擴(kuò)散和漂移和漂移, 其中其中 部分被氧化層中的陷部分被氧化層中的陷 阱所俘阱所俘獲獲. 當(dāng)氧化層中的陷阱密度為當(dāng)氧化層中的陷阱密度為 NTT, 俘獲截面為俘獲截面為 , 陷阱電子平均距離為陷阱電子平均距離為 X, 俘獲形成的柵俘獲形成的柵電電 流為流為Ig, 可得到其有效陷阱電荷密度為可得到其有效陷阱電荷密度為 nT: nT = NTT 1- exp(- (1/q)Ig(t)Dt) X 陷阱電荷密度與氧化層中的陷阱密度成正陷阱電荷密度與氧化層中的陷阱密度成正比比: 有效電荷密度隨時(shí)間以指數(shù)方式增加有效電荷密度隨時(shí)間以指數(shù)

7、方式增加, 最后趨于飽和最后趨于飽和 。 第7頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系8進(jìn)入二氧化硅的熱載流子進(jìn)入二氧化硅的熱載流子2能量足夠高的熱載流子能量足夠高的熱載流子 它們可以在二氧化硅它們可以在二氧化硅中產(chǎn)生新的界面態(tài)；中產(chǎn)生新的界面態(tài)；界面態(tài)的形成：界面態(tài)的形成： Si-H 被打斷后被打斷后, 形成氫間隙形成氫間隙原子原子 Hi 和硅的懸掛鍵和硅的懸掛鍵 Si*( 即界面陷阱即界面陷阱) 。 新產(chǎn)生的陷阱密度新產(chǎn)生的陷阱密度 Nit，在開始時(shí)，在開始時(shí)Nit與時(shí)間與時(shí)間t 成成 正比正比: 在在Nit 大時(shí)大時(shí), 它與時(shí)間它與時(shí)間 t 0.5 成正比。成正比。 Ni t =

8、 Ct(Id/W)exp(- it/g Em)n =Atn , 一一 般般 n 在在 0.5 - 0.7 之之 間間.第8頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系9HC效應(yīng)對效應(yīng)對MOSFET電性能的影響電性能的影響熱載熱載 子使陷阱電荷密度隨時(shí)間而增加子使陷阱電荷密度隨時(shí)間而增加,導(dǎo)致開導(dǎo)致開啟啟電壓和的一系列參數(shù)發(fā)生漂移電壓和的一系列參數(shù)發(fā)生漂移. 開啟電壓開啟電壓 VT(t)= A tn 當(dāng)熱電子引起的襯底電流當(dāng)熱電子引起的襯底電流很大時(shí)很大時(shí), 可使源與襯底之間可使源與襯底之間處于正向偏置狀態(tài)處于正向偏置狀態(tài), 引起正引起正向注入向注入, 導(dǎo)致閂鎖效應(yīng)導(dǎo)致閂鎖效應(yīng) 第9頁/共2

9、5頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系10襯底電流模型襯底電流模型IsubC1Id exp(-Bi/Em)Isuba Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi) 其中其中a, b為常數(shù)為常數(shù).Ai,Bi為碰撞離化系數(shù)，為碰撞離化系數(shù)， a=2.24 10-80.10 10-5 Vdsat b = 6.4 襯底電流的另一種表示形式為：襯底電流的另一種表示形式為：Isub = 1.2(VDS-Vdsat)ID exp(-1.7 106/ ymax)=1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7 106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt) 第10頁/共25頁微電子器件的可靠性

10、復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系11襯底電流模型襯底電流模型第11頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系12柵電流模型柵電流模型 NMOS 器件中器件中, 當(dāng)柵當(dāng)柵 氧化層較薄時(shí)氧化層較薄時(shí) (小于小于150A), 柵電流主要由溝道熱電子注入所柵電流主要由溝道熱電子注入所引起的。引起的。第12頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系13影響熱電子效應(yīng)的參數(shù) 1. 溝道長度溝道長度 LMOS FET的有效溝道長度的有效溝道長度l和溝道中的最大場強(qiáng)和溝道中的最大場強(qiáng) max。 max (VDS-VDSsat)/ll 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nml 1.7 102tox1/

11、8 rj1/3L1/5 tox 15nm, L 0.5 m,式中式中rj 源、漏的結(jié)深，源、漏的結(jié)深，tox 柵氧化層厚度，柵氧化層厚度，L是溝道是溝道長度。長度。得到得到 m a x = (VD S-VD S s a t)/ 0.22tox1 / 3 rj1 / 3 tox 15nm max = (VDS-VDSsat)/(1.7 102tox1/8 rj1/3L1/5) tox 15nm, L 0.5 m第13頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系14影響熱電子效應(yīng)的參數(shù)第14頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系15改進(jìn)熱電子效應(yīng)的工藝措施減少氧化層界面的硅氫鍵減少氧

12、化層界面的硅氫鍵 由于熱電子所產(chǎn)由于熱電子所產(chǎn)生的陷阱與氧化層中已有的生的陷阱與氧化層中已有的 硅氫鍵的數(shù)量硅氫鍵的數(shù)量有關(guān)有關(guān), 因而要減少柵氧化產(chǎn)生因而要減少柵氧化產(chǎn)生 的硅氫鍵的的硅氫鍵的數(shù)量數(shù)量改變柵絕緣層的成份改變柵絕緣層的成份, 提高電子進(jìn)入絕緣層的提高電子進(jìn)入絕緣層的功函數(shù)功函數(shù), 如采用氧化層表面氮化如采用氧化層表面氮化, Si-SiO2界界面較難出現(xiàn)陷阱面較難出現(xiàn)陷阱.減少等離子損傷是改進(jìn)熱載流子效應(yīng)的必要措減少等離子損傷是改進(jìn)熱載流子效應(yīng)的必要措施施第15頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系16NMOS結(jié)構(gòu)的改進(jìn) 在在NMOSFET 中中, 熱載流子對器件的損傷

13、熱載流子對器件的損傷, 主要發(fā)主要發(fā)生在生在 靠近漏極的溝道區(qū)上方的氧化層中。熱載流靠近漏極的溝道區(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(qiáng)。子的數(shù)量直接受控于溝道中最大場強(qiáng)。 為改進(jìn)器件熱載流子效應(yīng)的可靠性，降低溝道中的為改進(jìn)器件熱載流子效應(yīng)的可靠性，降低溝道中的最大場強(qiáng)最大場強(qiáng).，在器件結(jié)構(gòu)上，在器件結(jié)構(gòu)上,提出了多種結(jié)構(gòu)：提出了多種結(jié)構(gòu)：磷擴(kuò)散漏區(qū)磷擴(kuò)散漏區(qū)( PD) 結(jié)構(gòu)（用于結(jié)構(gòu)（用于3 m 64KDRAM ）雙擴(kuò)散漏結(jié)構(gòu)雙擴(kuò)散漏結(jié)構(gòu) ( Double Diffused Drain, DDD ) 輕摻雜漏結(jié)構(gòu)輕摻雜漏結(jié)構(gòu) ( Light Doped Drain ,LDD

14、 ) 埋溝結(jié)構(gòu)埋溝結(jié)構(gòu)( Buried Channel , BC ) 第16頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系17NMOS結(jié)構(gòu)的改進(jìn)第17頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系18LDD結(jié)構(gòu) LDD結(jié)構(gòu)是結(jié)構(gòu)是1980年提出的。在柵的長度小于年提出的。在柵的長度小于1.25 m 的的5V工作的工作的CMOS器件器件,大都采用了大都采用了這種結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)。 LDD結(jié)構(gòu)將漏區(qū)由兩部分組成結(jié)構(gòu)將漏區(qū)由兩部分組成,一部分是重?fù)诫s一部分是重?fù)诫s的的的的N區(qū)區(qū),而在與溝道相鄰處為低摻雜的而在與溝道相鄰處為低摻雜的N區(qū)區(qū),它的長度為它的長度為Ln。 LDD結(jié)構(gòu)的主要優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)的主要

15、優(yōu)點(diǎn)： 它能將最大場強(qiáng)它能將最大場強(qiáng) 降低降低3040。第18頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系19LDD結(jié)構(gòu) LDD結(jié)構(gòu)后，漏極的空間電荷區(qū)展寬，結(jié)構(gòu)后，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。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(qiáng)結(jié)構(gòu)中溝道區(qū)的最大場強(qiáng) ymax (LDD)： MAX (LDD) (VDSVDS sat y max l)/0.22 t1/3 rj1/3 = y max Ln-/ 0.22 t1/3 rj1/3 與非與非LDD結(jié)構(gòu)比較，結(jié)構(gòu)比較，LDD結(jié)構(gòu)的夾斷區(qū)長結(jié)構(gòu)的夾斷區(qū)長度增加了度增加了Ln,最大場強(qiáng)也下

16、降最大場強(qiáng)也下降 第19頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系20NMOS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。從熱載流子注入引起陷阱密度的增加, 可可以得到器件估計(jì)器件在熱載流子作用下的壽以得到器件估計(jì)器件在熱載流子作用下的壽命命. = 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)是與氧化層生長工藝有關(guān)的參數(shù).2。在電路可靠性模擬中。在電路可靠性模擬中, 采用的熱載流子的采用的熱載流子的退化退化, 模型模型, 其命其命 = HW ISUBm/ IDm-1第20頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系21NMOS

17、器件熱載流子效應(yīng)的可靠壽命3。美國美國JEDEC發(fā)布的發(fā)布的JFP-122a 中中位壽命TF TFB Isub-N exp(Ea/KT) B 與摻雜分布，與摻雜分布，sidewall spacing尺寸尺寸等有關(guān)的常數(shù)。等有關(guān)的常數(shù)。Isub =加應(yīng)力的加應(yīng)力的 襯底峰值電流襯底峰值電流, N = 2 to 4Ea = -0.1 eV to -0.2 eV 注意！這是負(fù)值注意！這是負(fù)值第21頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系22PMOS器件的熱載流子效應(yīng)一般情況下，熱載流子對一般情況下，熱載流子對PMOS器件的影響器件的影響較較 N M OS F E T要 弱 得 多 。 而 在

18、 亞 微 米要 弱 得 多 。 而 在 亞 微 米PMOS FET中，熱載流子效應(yīng)引起人們的中，熱載流子效應(yīng)引起人們的注意。注意。PMOS FET 的熱載流子效應(yīng)表現(xiàn)在三個(gè)方的熱載流子效應(yīng)表現(xiàn)在三個(gè)方面：面： 熱電子引起的穿通效應(yīng)熱電子引起的穿通效應(yīng) 氧化層正電荷效應(yīng)氧化層正電荷效應(yīng) 熱空穴產(chǎn)生的界面態(tài)。熱空穴產(chǎn)生的界面態(tài)。第22頁/共25頁微電子器件的可靠性復(fù)旦大學(xué)材料科學(xué)系23PMOS中熱電子引起的穿通效應(yīng)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。由于這些陷落電子在靠近漏極處感中形成陷阱。由于這些陷落電子在靠近漏極處感應(yīng)了較多的空穴，類似于增加?xùn)艠O電壓，所以，應(yīng)了較多的空穴，類似于增加?xùn)艠O電壓，所以，降低了溝道中的電場。降低了溝道中的電場。重要的是這些陷落電子重要的是這些陷落電子 使靠近漏極的使靠近漏極的N