第一次综述热载流子注入效应对MOS器件性能的影响讲解

热载流子效应及其对器件特性的影响组长：尹海滨09023105 整合资料撰写综述组员：马祥晖09023106 查找问题三资料王小果09023128 查找问题二资料李洋09023318 查找问题一资料目录一绪论————————————————————————————————3 二正文主题——————————————————————————————4 1热载流子与热载流子注入效应—————————————————————4 1.1载流子的概念1. 2热载流子的概念及产生1. 3热载流子注入效应1.4热载流子效应的机理2热载流子注入效应对MOS器件性能的影响———————————————6 2.1热载流子对器件寿命的影响2. 2热载流子效应的失效现象2.2.1雪崩倍增效应2.2.2阈值电压漂移2.2.3 MOSFET性能的退化2.2.4寄生晶体管效应2.3热载流子注入对MOS结构C-V和I-V特性的影响2.3.1热载流子注入对MOS结构C-V特性的影响2.3.2热载流子注入对MOS结构I-V特性的影响3提高抗热载流子效应的措施——————————————————————10 3.1影响热载流子效应的主要因素3.2提高抗热载流子效应的措施三结论————————————————————————————————12 四主要参考文献————————————————————————————12一绪论随着科学技术的发展，半导体器件在未来将会有着良好的发展前景，据世界半导体贸易统计歇会（WSTS）日前发布的一份预测报告，世界半导体市场发展未来三年将会保持两位数的增长，这份报告中还表明，全球半导体业之所以能保持高增长，集成电路IC芯片的高需求功不可没，给全球半导体业注入了新的活力。

在最近三年里，三网融合的大趋势有力的推动着芯片业的发展。

无论是在移动通信业，无线数据传输业，还是PC机芯片都有着良好的发展趋势。

而缩小芯片体积和提高芯片性能是阻碍集成电路发展的两大重要因素，为了进一步缩小芯片体积，科学家们正在研制一系列的采用非硅材料制造的芯片，例如砷化镓，氮化镓等；另外芯片器件性能的提高也是重中之重，其中芯片器件可靠性是衡量其性能的重要指标，尤其是在航天，航海等军事方面尤为重要。

本综述报告讨论的就是对器件特性和可靠性的影响因素之一的热载流子效应及其应用。

二正文主题1热载流子与热载流子效应载流子和热载流子是半导体学中一个重要的概念，它影响着半导体器件的性能以及可靠性，尤其是其产生的热载流子效应更是左右我们半导体器件寿命的重要因素，所以首先先让我们了解一下他们的概念。

1.1载流子的概念电流载体，称载流子。

在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒，如电子和离子。

在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为载流子。

金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴。

在电场作用下能作定向运动的带电粒子。

如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离子，放电气体中的离子等１。

在半导体中载运电流的带电粒子——电子和空穴,又称自由载流子。

在一定温度下,半导体处于热平衡状态,半导体中的导电电子浓度n0和空穴浓度p0都保持一个稳定的数值,这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平衡载流子。

1. 2热载流子的概念及产生所谓热载流子，是指比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子,一般比费米能级大几个ＫＴ以上的载流子，因此其速度也一定很高。

零电场下，载流子通过吸收和发射声子与晶格交换能量，并与之处于热平衡状态，其温度与晶格温度相等。

在有电场的作用存在时，载流子可以从电场直接获取能量，而晶格却不能。

晶格只能借助载流子从电场直接获取能量，就从电场获取并积累能量又将能量传递给晶格的稳定之后，载流子的平均动能将高于晶格的平均动能，自然也高于其本身在零电场下的动能，成为热载流子２。

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。

1. 3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SifSiO2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SiO2一Si 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３。

而在半导体中，热载流子所表现出来的重要效应主要有两个方面：其一是非线性的速度-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kTe 达到0.31eV 时（Te 是所谓热载流子温度），即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。

其二是碰撞电离效应：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４。

1.4热载流子效应的机理众所周知，在Si-SiO 2界面有一个几纳米的过渡区，在这个过渡区中，由于硅和氧的非化学配比及一些杂质和缺陷，存在大量的电子和空穴陷阱及界面态。

硅的氧化有如下反应：2Si-SiO图1 硅氧反应式从这个反应式知2Si-SiO 界面态和2SiO 中正电荷的形成。

在MOS 结构的制备过程中，无论有无氢退火工艺，无论是HCl 气氛中生成的2SiO ，还是干湿干工艺生长的2SiO ，在2S i O -S i 系统中，都会存在Si OH ≡—键，Si O Si ≡≡——键和Si Si ≡≡—键。

因此，热载流子注入2SiO -Si 系统后，就会发生下列反应：s s s s +s o o s Si H+hot Si +H Si OH+hot Si O +H Si H+Si O Si hot Si +Si +Si OH ee e'≡'≡'≡≡≡-≡≡——（）———— 其中，s Si 中的下标为界面，o Si 中的下标表示2SiO 体内，这样就形成了界面态s Si '和s Si O '（）及2SiO 中的正电荷+o Si ≡。

另外，热空穴打断s s Si Si ≡≡—键和s s Si O Si ≡≡——键形成界面态3s O Si '≡和s s `Si Si ≡。

热电子打断s s Si Si ≡≡—键和o o Si O Si ≡≡——键，形成中性的正电荷陷阱2SiO ，SiO 和23Si O ，以及中性的负电荷陷阱3Si Si O '≡—和3O Si O '≡—。

这些中性的陷阱能俘获电子和空穴，形成负电中心和正电中心，这就是电荷陷落。

2 热载流子注入效应对MOS 器件性能的影响2.1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。

当载流子在一个大的电场下运动，例如MOSFET 中电子沿着沟道方向运动，在很短的距离内，电子的动能快速上升，被加速的电子的动能可以用表达式c e E E kT kT -=>表示，其中e T 称为有效温度。

即使器件本身温度为室温，有效温度却可以比室温T 高很多。

热载流子还可以加速老化（测试MOS 器件可靠性）对晶体管进行最恶劣情况下的加速老化试验，可以推算出常规条件下器件的寿命，通过这个方法，可以衡量出热载流子特性的优劣。

正常使用情况下要求晶体管的寿命不低于10a （10年）。

换算成最恶劣的情况下的寿命，应该除以经验因子50，也就是说最恶劣情况下的寿命应该不小于10/50=0.2a=3.15E7 s ５。

2. 2热载流子效应的失效现象对于MOSFET （金氧半场效晶体管）及其IC （集成电路），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（200～250 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失效现象。

2. 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6。

2.2.2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（IDS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（Isub），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6。

2.2.3 MOSFET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。