(四)MOSFET及其IC的热载流子失效

MOSFET 及其IC 的失效的失效——————热载流子效应热载流子效应
Xie Meng-xian. (电子科大，成都市)
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（200～250o C ）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一种失效现象。

（1）热载流子热载流子及其及其及其效应效应效应：：
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。

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 ），如图1所示。

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。

（2）热载流子引起MOSFET 性能的退化性能的退化：：
热载流子对器件和IC 所造成的影响主要表现在以下两个方面。

① 产生寄生晶体管效应。

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（Isub×Rsub ），这会使源-衬底的n+-p 结正偏（因为源极通常是接地的），从而形成一个“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 ，这图1 n-MOSFET 的热电子效应
样一来寄生晶体管就不能导通工作了。

② 产生热载流子退化。

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/SiO 2界面的势垒（电子势垒高度E b 约为3.2eV ，空穴的约为4.9eV ）而注入到栅SiO 2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（详见“（六）MOSFET 栅氧化层的性能退化”）。

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。

（3）对MOSFET 热载流子热载流子退化退化退化寿命寿命寿命的评估的评估的评估：：
虽然MOS 器件由于热载流子效应而发生的性能退化与衬底电流I b 无关，但却可以通过检测此衬底电流来了解有关器件性能因热电子而产生退化的状况，因为衬底电流与栅极电流和源-漏电流都存在一定的关系。

由于热电子效应所导致MOSFET 性能的退化过程，可能与打断Si/SiO 2界面上的Si-H 键有关，或者说与界面陷阱（密度为N it ）的形成有关。

这种性能的退化很类似于热氧化速率的过程，则从这种概念出发，即可得到MOSFET 的寿命。

为了通过测量来得到失效时间t ，以研究热载流子退化的作用机理。

可以在高于正常偏置条件下来进行应力测量（可用衬底电流和监测时间来代表应力的积累），即在衬底电流最大时让器件持续工作、并观察作为失效标志的性能参数变化；例如观察阈值电压，当阈值电压变化超过一定值（譬如10mV ）时，即认为已失效，由此器件持续正常工作的时间即可得知失效时间，并可推算出器件的寿命。

（4）改善器件热载流子退化特性的措施改善器件热载流子退化特性的措施：：
为了提高器件的稳定性和可靠性，如何削弱或消除热电子效应的影响是一个很重要的问题。

根据以上的讨论得知，为了防止热载流子效应，主要是减弱MOSFET 夹断区中的电场。

而为了避免寄生晶体管效应，还可以适当地降低衬底电阻。

总之，为了改善MOSFET 的热电子退化性能，可以采取的措施有如：
①提高栅绝缘层的质量，否则热电子退化效应将限制着器件往深亚微米的缩小。

②合理设计漏极区结构（让漏极区也承受一部分电压），这就发展出所谓轻掺杂漏极区结构（LDD ，lighth doped drain ），如图2所示。

LDD 结构即是在有效沟道和漏极区之间增加一个高阻区（n-区，掺杂浓度约为1018cm -3），使得漏极区附近夹断区的耗尽层展宽，以减弱该处的电场。

实际上，大多数VLSI 中的MOSFET 都采用了这种结构；不过这种LDD 结构对于很小尺寸的MOSFET 在工艺上比较难以控制。

③适当地增大沟道长度或者限制源-漏电压，以避免强电场产生。

但这些措施有时候难以实现。

④适当采用p-MOSFET 。

因为Si 中空穴的电离率较小，空穴的氧化层界面势垒也较高，则热载流子效应对于p-MOSFET 较不容易发生（例如3µm 的器件，n-MOSFET 在10V 时即产生热电子；而p-MOSFET 在20V 时也不会产生热空穴）。

一般，对L>0.5mm 的p-MOSFET ，热电子退化不严重；但是对L<0.5mm 的p-MOSFET ，则仍必须考虑热电子退化问题。

⑤适当选取最高源-漏电压V DSmax ，因为在不同的沟道长度L 和不同的V DSmax 时，热电子作用的机理不同，如图3所示。

最后需要指出，对于开关工作的MOSFET ，因为要么没有沟道（关态）、要么沟道完全导通（开态），故一般不容易产生热载流子效应，只是在开态与关态之间转换的过程中才有可能发生。

因此开关MOSFET 的抗热载流子效应能力较强一些。

不过，值得注意的是MOSFET 在关断状态时的泄漏电流也与栅氧化层质量有关。

因为
栅极与漏极的交叠区将形成一个栅控MOS二极管。

对于氧化层很薄的突变结，在某种偏置条件下该二极管会发生雪崩倍增，并产生从漏极p-n结流到衬底的泄漏电流；栅控MOS二
栅极感应漏极的泄漏电流（GIDL）。

在一定的源-漏电压下，极管的这种雪崩电流称为栅极感应漏极的泄漏电流
栅极感应漏极的泄漏电流
n-MOSFET的沟道电流将随着栅极电压的减小而降低（最后进入亚阈区）；则在某些栅极电压下，漏极电流将会变成为GIDL电流。

在短沟道器件中，当处于关断状态（即栅极电压为0）时，GIDL电流即是主要的截止电流成分。

图2 MOSFET的LDD结构
图3 不同的热载流子作用机理。