热载流子效应对器件可靠性的影响

重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2011-2012学年第2学期考试科目微电子器件可靠性姓名徐辉年级2011级专业微电子与固体电子学学号S11040301020120122年5月25日热载流子效应对器件可靠性的影响徐辉（重庆邮电大学光电工程学院，重庆400065）摘要：介绍了几种热载流子以及MOSFET的热载流子注入效应。

在此基础上总结了热载流子注入效应对MOS器件可靠性的影响。

随着MOS器件尺寸的缩小和集成电路规模的增大，热载流子效应显得更加显著。

最后介绍了几种提高抗热载流子效应的措施。

关键词：热载流子；热载流子注入效应；可靠性Effects of Hot-carriers Injection Effect on the ReliabilityXu Hui(College of Photoelectric Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,P.R.China)Abstract:The effect of hot carrier and the MOSFET hot-carriers injection are reviewed.On this basis,the hot-carriers injection effect on the reliability of MOS devices are summed up.With the increasing size of MOS devices shrink in size and integrated circuits,the hot-carriers effect is even more significant.Finally,several measures to improve the thermal carrier effects are introducted. Key wards:hot carrier;hot-carriers injection effect;reliability0前言随着VLSI集成度的日益提高，MOS器件尺寸不断缩小至亚微米乃至深亚微米级，热载流子效应已成为影响器件可靠性的重要因素之一。

从第一次意识到热载流子可导致器件退化以来，有关MOSFET热载流子效应的研究已持续了近30年。

热载流子注入效应对MOS器件性能的影响也越来越引起人们的关注。

1热载流子当载流子从外界获得了很大能量时，即可成为热载流子。

例如在强电场作用下，载流子沿着电场方向不断漂移，不断加速，即可获得很大的动能，从而可成为热载流子。

对于半导体器件，当器件的特征尺寸很小时，即使在不很高的电压下，也可产生很强的电场，从而易于导致出现热载流子。

因此，在小尺寸器件以及大规模集成电路中，容易出现热载流子。

在使用条件下，MOSFET会遇到四种类型的热载流子[1]；沟道热载流子(CHC)；衬底热载流子(SHC)，漏端雪崩热载流子(DAHC)；和二次产生热电子(SGHE)。

沟道热载流子(CHC)：热电子来源于表面沟道电流，是从源区向漏区运动的电子，在漏结附近受到势垒区电场加速，电子获得了能量而被加速，成为热电子。

衬底热载流子(SHC)：热电子来源于衬底电流，在势垒区电场的加速下运动到Si-SiO2界面，其中部分电子的能量可以达到或超过Si-SiO2势垒高度，便注入到栅氧化层中去。

漏端雪崩热载流子(DAHC)：晶体管处在饱和状态时，一部分载流子在夹断区域与晶格原子相撞，通过碰撞电离，激发电子-空穴对。

二次产生热电子(SGHE)：由二次碰撞电离产生的少子或Bremsst-rahlung辐射所产生的。

2热载流子注入效应热载流子又称高能载流子，产生于MOSFET漏端的大沟道电场，这个沟道电场会加速载流子，使其有效温度高于晶格的温度。

这些热载流子通过声子发射的形式把能量传递给晶格，这会造成在Si-SiO2界面处能键的断裂，热载流子也会注入到SiO2中而被俘获。

键的断裂和被俘获的载流子会产生氧化层陷阱电荷和界面态，这会影响沟道载流子的迁移率和有效沟道势能。

能量达到甚至超过Si-SiO2势垒(3.2eV)便会注入到SiO2中去，当能量等于或大于4.2eV时就会打断共价键而产生界面陷阱，这就是热载流子注入效应，它是超大规模集成电路的一个重要失效机理[2]。

而在半导体中，热载流子效应主要有两个方面：一、非线性的速度—电场关系：Si中的载流子在高电场时即呈现出漂移速度饱和现象，这就是由于热载流子发射光学波声子(约0.05eV)的结果。

GaAs中的电子当被电场“加热”到能量0.31eV，即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。

二、碰撞电离效应：热电子与晶格碰撞、并打破价键，即把价电子激发到导带而产生电子—空穴对的一种作用，碰撞电离需要满足能量和动量守恒，所需要的能量Ei≈3 Eg/2，碰撞电离的程度可用所谓电离率α来表示，α与电场E有指数关系：α=A exp(－Ei/kTe)=A exp(－B/E)。

当倍增效应很严重时，即导致产生击穿现象[3]。

3对器件可靠性的影响3.1热载流子对器件寿命的影响热载流子注入效应改变了氧化层中电荷的分布，引起器件参数的退化，大大降低了器件的可靠性和工作寿命。

3.2热载流子效应的失效现象对于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（200-2500C）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失效现象。

3.2.1雪崩倍增效应在小尺寸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[4]。

3.2.2阈值电压漂移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（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（I DS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（I sub），通过测量I sub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[5]。

3.2.3MOSFET性能的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I G。

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。

可见，MOS器件性能的退化主要是与较小的栅极电流I G有关，而与比它大几个数量级的衬底电流I sub无关[6]。

3.2.4寄生晶体管效应当有较大的I sub流过衬底（衬底电阻为R sub）时将产生电压降（I sub×R sub），这会使源-衬底的n+-p结正偏（因为源极通常是接地的）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R sub，以使得乘积(I sub×R sub)<0.6V，这样一来寄生晶体管就不能导通工作了。

这就是寄生晶体管效应[6]。

3.3热载流子效应对MOS结构I-V 特性的影响由于热载流子效应的存在，严重影响了MOS集成电路集成度及电路和器件的长期可靠性，根据热载流子效应对MOS结构的影响，讨论I-V特性曲性畸变。

热载流子注入引起的SiO2漏电，宁[6]等提出了既考虑势垒降低，有考虑隧道发射的“幸运电子”模型。

而如图2，热载流子效应对I-V特性的影响可以看出恒定电压下，栅电流随着时间的增加而减小。

已经知道，从硅注入到SiO2流的栅电极的热电子形成的电流与SiO2-Si界面处导电的电子密度成正比[7]。

因此，由于热载流子效应导致电荷陷落，必然引起Si-SiO2界面处的载流子密度的减小，如图1所示。

因此，栅电流的减小也服从电荷陷落的t n指数关系。

图1电荷陷落的物理模型图2MOS电容栅电流随时间的变化关系4提高抗热载流子效应的措施4.1影响热载流子效应的主要因素4.1.1器件的物理几何结构在短沟道器件中，为避免短沟道效应，总是取相当高的衬底掺杂浓度，而较高的衬底掺杂浓度，将导致较高的沟道电场，加剧载流子效应。

漏区结越深，曲率半径越小，漏结附近电场增强，热载流子效应愈加明显。

4.1.2横向电场增加热载流子注入效率横向电场增加热载流子注入效率。

MOS器件在使用时，若超过额定值的功率源电压，将会增加横向电场，从而加快电子或空穴进入栅介质的注入效率。

栅尺寸缩小，也将产生高的氧化层电场，从而加剧了载流注入效率。

4.1.3陷阱密度与俘获截面栅氧化层中俘获载流子数量，取决于陷阱密度和俘获截面。

在氧化时，水的存在产生了与OH有关的陷阱，这种陷阱在水汽生长的氧化层中比较普遍。

在VLSI的制造中，不少工艺将会引起辐射损伤或软X射线损伤。

如X射线曝光、电子束曝光、等离子刻蚀、反应离子溅射、离子注入等均会在Si02层中或Si-Si02界面产生缺陷。

因此，VLSI比普通方法制造器件更易产生热载流子效应。

4.2提高抗热载流子效应的措施热载流子效应无疑是由强电场引起的，降低工作电压可以缓解。