HCI 效应
合集下载
相关主题
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
tox越薄, Vbs 越大，二次电子注入效应越严重。
16
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称为漏区雪崩倍增热载流子 。
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。
20
衬底电流：碰撞产生的空穴被衬底收集形成的电流。
I sub
I
D
E n1 m
I D (VDS
VDsat ) n1
NMOS给定Vds 下，为什么Isub 随Vgs 先增大后减小？
由于Vdsat 随着Vgs 的增加而增加，而Vdsat 的增加反过来又导致沟道电场 Em 减小，这样Isub 先增加，达到峰值后开始减小。
热载流子： 当电场超过100KV/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。
按照载流子的速度： 速度低于105V/cm时称为暖电子; 速度高于105V/cm时称为热电子。
固体中的载流子在电场中，先速度随电 场的增加而增加，以后趋于饱和。
双扩散漏结构 ( Double Diffused Drain, DDD ) 轻掺杂漏结构 ( Light Doped Drain ,LDD )
常规结构
DDD结构
LDD结构
31
不同器件结构下的电场分布
32
LDD 结构是最有价值的降低电场结构:
LDD结构是1980年提出的。在栅的长度小于1.25m 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Ln－。 主要优点：它能将最大场强降低30－40％。
减少工艺过程中的等离子损伤。
37
Thanks!
38
VDsat ) n1
10
热载流子注入
沟道热载流子能够达到（注入）栅极，需要满足：
1）热载流子能够从沟道电场中获得足够的动能（大于Si-SiO2 势垒高度）；
2）其必须经历一次弹性碰撞，动能变为垂直于势垒方向的动量；
3）其达到界面前不能有任何非弹性碰撞。
Gate
过程如下：
1）右图中表示A点一个沟道电子从沟道电 场获得能量到达B点成为“热电子”；
1
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
2
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
3
HCI: Hot Carrier Injection effect（热载流子注入效应）
移动单位距离内所发生的碰撞电离的次数称为电离率 。 ~ Aiexp(Bi/E) 其中Ai与Bi是已知的常数； 空穴碰撞电离的Bi大致上是电子的2.2倍。
9
衬底电流
碰撞电离产生的电子使漏极电流增大，另一方面空穴被衬底 收集，形成衬底电流Isub。
I sub
I
D
E n1 m
I D (VDS
4
HCI: Hot Carrier Injection effect（热载流子注入效应）
热载流子注入效应： 源漏极间所产生的高电场,导致载流子在移动时被加速产生热 载子, 此热载子能量超过Si-SiO2的势垒高度(3.5eV)时,载流 子能直接注入或通过隧道效应进入SiO2，效应会对gate oxide造成破坏, 造成器件性能退化或者损伤。这种效应称为 热载流子注入效应。
22
栅电流：沟道热载流子注入到栅极氧化层中形成。
Ig≈ C2 ID exp ( - Фb / qEmλ )
给定Vds 下，为什么Ig 随Vg 先增大后 减小？
1）Vd < Vg，在漏端最大沟道电场点，氧化 层的电场之取向有利于注入电子的收集（电 场向下）。
2）当Vd = Vg，在漏端氧化层电场为零。 3）Vd > Vg时，漏端氧化层电场方向反对热 电子的注入。
Ig 在Vd = Vg时达峰值。
23
CI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
25
器件退化--栅电流因素：
最简单的模型是认为热电子轰击界面，界面态由破化学键而成，破 的键可能是Si-H键，对热电子打破Si-H键形成界面态，产生界面陷 阱。陷阱以及氧化层中电荷的增加将导致迁移率下降以及阈值电压 下降。
峰值电场
NMOS器件出现夹断效应后，有效 沟道长度减小。Vd 都降在夹断区上， 电场的峰值点在夹断区边缘处。
Source
Drain
沟道电场接近于漏断几乎是指数上升。 最大沟道电场（峰值电场）：
Source
Drain
8
碰撞电离
在漏极(Drain端) 附近，电子被电场加速，发生碰撞电离， 产生电子空穴对，电子空穴对又撞击形成电子空穴对，以致 产生雪崩电流。
Esat是达到速度饱和的临界电场（约为5104 V/cm） L为有效沟道长度
21
衬底电流双强电场模型：
NLDMOS
NLDMOS 的Isub为什么会出现第二个峰？
1）当工作电压比较低的时候，只有靠近漏极的沟道区存在一个峰值电场，此峰值 电场引起了衬底电流的第一次升高到峰值，形成Isubmax1； 2）当随着工作电压不断升高，在漏极n+区产生一个与沟道强电场并存的强电场区， 该新的强电场区引起新的碰撞电离产生新的电子-空穴对，其中空穴被衬底收集引 起衬底电流的再次升高，形成Isubmax2。
14
沟道热电子 （CHE）
沟道中的电子在电场的加速下，获得足够的能量可以到达 Si-SiO2 界面， 并注入到 SiO2中。
15
二次产生热电子( SGHE)
沟道热电子在漏区边缘的强电场中, 发生雪崩倍增, 产生衬底空穴电流， 该空穴电流又通过碰撞形成二次电子-空穴对，这些二次电子一样会被注 入到氧化层中。
28
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
29
影响因素：
源/漏结深 Xj： Xj 越浅， HCI 越大； 有效沟道长度 L： L越小， HCI 越大； 栅氧化层厚度 tox ： tox越薄， HCI 越大； 衬底浓度 NA ： NA越高， HCI 越大； 温度：温度越低， HCI 越大； 栅氧化层和界面的质量：缺陷密度越高， HCI 越大。
26
器件退化--衬底电流因素：
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,寄生NPN被触发。
Source N+
Gate PW
Drain N+
27
器件退化--温度因素：
在低温下，Si原子的振动变弱，运动的电子与硅原子碰撞减少，电 子自由程增加，从电场中获得动能增加，容易产生热电子，提高了 注入氧化层的概率。
空穴引起的碰撞产生率低
（空穴的碰撞离化率系数比电子小。）
空穴更不容易穿过SiO2 界面
（电子穿越Si-SiO2 势垒需要动能为3.2eV, 空穴需要4.9eV。）
当工艺发展到了深亚微米技术，沟道缩短到一定程度之后，则需考虑 PMOS的热载流子注入效应。
19
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
36
工艺上改善HCI：
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, 在栅氧制造完成之后可以采取高温退 火工艺，可以减小这些陷阱和悬挂键。
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-SiO2界面较难出现陷阱。
5
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
6
NMOS 沟道
在Vg>VT时不同的Vds下沟道中 的情况： 1) Vd = 0 2) Vd = Vdsat 3) Vd > Vdsat
7
Gate
2）在B点重新取向到C点（C位于界面）； 3）假定热电子未损失能量，即保留需克服
势垒的能量，热电子到达D将被辅助的 氧化层电场扫向栅电极。
N+ Source
D
C N+
AB Drain
电子穿越Si-SiO2 势垒需要动能为3.2eV, 空穴需要4.9eV。
11
热载流子注入
进入栅介质的电流有三种走向： 1) 一部分被陷于氧化层内，或引起附加的界面态，最后使VT增加， 驱动电流减小。 2) 因为不同栅氧化层位置的电势不同，一部分则在反向电场的作 用下再次回到沟道。 3) 剩下很小一部分热载流子则最终能穿过SiO2层，被栅电极收集， 形成栅极电流。这部分热载流子被称为“幸运电子（lucky electron）”
33
LDD 器件结构及电场
34
考虑横向扩散LDD结构 LDD长度：
LDD结构
35
LDD 结构特性：
LDD区属于低掺杂区域，增加器件的串联电阻，通常LDD与常规器 件相比，电流和跨导损失20%；
LDD器件中栅/源、栅/漏交叠电容较低，这样就部分地弥补了电路 的性能，总的对电路的损失约为4%—8%。
17
衬底热电子(SHE)
当Vds=0, Vgs>0, 并施加较大的Vbs 时，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-SiO2 界面，并注入到 SiO2中。
18
一般情况下，为什么说热载流子对PMOS的影响较NMOS 要弱得多？
12
光发射电流
高能电子被杂质离子突然减速时会发射出光子，这种辐射称为轫致辐射。
13
热载流子注入效应，包含热载流子产生、注入和氧化层中热载流子的 俘获等过程。
热载流子注入是一种局部现象，仅仅发生在整个沟道的一部分区域。 对于NMOS 器件，大致有4种热载流子产生、注入的机制：
1) 沟道热电子（CHE） 2) 二次产生热电子( SGHE) 3) 漏极雪崩倍增热载流子(DAHC) 4) 衬底热电子(SHE)
改善方法：
缩小热载流子总数的器件结构； 通过改进结构、材料、工艺和电路，以减小已存在热载流子的影响。
30
HCI根源是漏断附近沟道中的高电场
最有效抑制HCI的方法是在器件中引入降低电场的结构。
渐变漏掺杂结构
渐变漏掺杂结构：在漏结的边缘处形成一个空间电荷过渡区，将一些电压降 落在这个过渡区中，因而使沟道区中的峰值电场降低，这种结构称为渐变漏 掺杂结构。
16
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称为漏区雪崩倍增热载流子 。
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。
20
衬底电流：碰撞产生的空穴被衬底收集形成的电流。
I sub
I
D
E n1 m
I D (VDS
VDsat ) n1
NMOS给定Vds 下，为什么Isub 随Vgs 先增大后减小？
由于Vdsat 随着Vgs 的增加而增加，而Vdsat 的增加反过来又导致沟道电场 Em 减小，这样Isub 先增加，达到峰值后开始减小。
热载流子： 当电场超过100KV/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。
按照载流子的速度： 速度低于105V/cm时称为暖电子; 速度高于105V/cm时称为热电子。
固体中的载流子在电场中，先速度随电 场的增加而增加，以后趋于饱和。
双扩散漏结构 ( Double Diffused Drain, DDD ) 轻掺杂漏结构 ( Light Doped Drain ,LDD )
常规结构
DDD结构
LDD结构
31
不同器件结构下的电场分布
32
LDD 结构是最有价值的降低电场结构:
LDD结构是1980年提出的。在栅的长度小于1.25m 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Ln－。 主要优点：它能将最大场强降低30－40％。
减少工艺过程中的等离子损伤。
37
Thanks!
38
VDsat ) n1
10
热载流子注入
沟道热载流子能够达到（注入）栅极，需要满足：
1）热载流子能够从沟道电场中获得足够的动能（大于Si-SiO2 势垒高度）；
2）其必须经历一次弹性碰撞，动能变为垂直于势垒方向的动量；
3）其达到界面前不能有任何非弹性碰撞。
Gate
过程如下：
1）右图中表示A点一个沟道电子从沟道电 场获得能量到达B点成为“热电子”；
1
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
2
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
3
HCI: Hot Carrier Injection effect（热载流子注入效应）
移动单位距离内所发生的碰撞电离的次数称为电离率 。 ~ Aiexp(Bi/E) 其中Ai与Bi是已知的常数； 空穴碰撞电离的Bi大致上是电子的2.2倍。
9
衬底电流
碰撞电离产生的电子使漏极电流增大，另一方面空穴被衬底 收集，形成衬底电流Isub。
I sub
I
D
E n1 m
I D (VDS
4
HCI: Hot Carrier Injection effect（热载流子注入效应）
热载流子注入效应： 源漏极间所产生的高电场,导致载流子在移动时被加速产生热 载子, 此热载子能量超过Si-SiO2的势垒高度(3.5eV)时,载流 子能直接注入或通过隧道效应进入SiO2，效应会对gate oxide造成破坏, 造成器件性能退化或者损伤。这种效应称为 热载流子注入效应。
22
栅电流：沟道热载流子注入到栅极氧化层中形成。
Ig≈ C2 ID exp ( - Фb / qEmλ )
给定Vds 下，为什么Ig 随Vg 先增大后 减小？
1）Vd < Vg，在漏端最大沟道电场点，氧化 层的电场之取向有利于注入电子的收集（电 场向下）。
2）当Vd = Vg，在漏端氧化层电场为零。 3）Vd > Vg时，漏端氧化层电场方向反对热 电子的注入。
Ig 在Vd = Vg时达峰值。
23
CI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
25
器件退化--栅电流因素：
最简单的模型是认为热电子轰击界面，界面态由破化学键而成，破 的键可能是Si-H键，对热电子打破Si-H键形成界面态，产生界面陷 阱。陷阱以及氧化层中电荷的增加将导致迁移率下降以及阈值电压 下降。
峰值电场
NMOS器件出现夹断效应后，有效 沟道长度减小。Vd 都降在夹断区上， 电场的峰值点在夹断区边缘处。
Source
Drain
沟道电场接近于漏断几乎是指数上升。 最大沟道电场（峰值电场）：
Source
Drain
8
碰撞电离
在漏极(Drain端) 附近，电子被电场加速，发生碰撞电离， 产生电子空穴对，电子空穴对又撞击形成电子空穴对，以致 产生雪崩电流。
Esat是达到速度饱和的临界电场（约为5104 V/cm） L为有效沟道长度
21
衬底电流双强电场模型：
NLDMOS
NLDMOS 的Isub为什么会出现第二个峰？
1）当工作电压比较低的时候，只有靠近漏极的沟道区存在一个峰值电场，此峰值 电场引起了衬底电流的第一次升高到峰值，形成Isubmax1； 2）当随着工作电压不断升高，在漏极n+区产生一个与沟道强电场并存的强电场区， 该新的强电场区引起新的碰撞电离产生新的电子-空穴对，其中空穴被衬底收集引 起衬底电流的再次升高，形成Isubmax2。
14
沟道热电子 （CHE）
沟道中的电子在电场的加速下，获得足够的能量可以到达 Si-SiO2 界面， 并注入到 SiO2中。
15
二次产生热电子( SGHE)
沟道热电子在漏区边缘的强电场中, 发生雪崩倍增, 产生衬底空穴电流， 该空穴电流又通过碰撞形成二次电子-空穴对，这些二次电子一样会被注 入到氧化层中。
28
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
29
影响因素：
源/漏结深 Xj： Xj 越浅， HCI 越大； 有效沟道长度 L： L越小， HCI 越大； 栅氧化层厚度 tox ： tox越薄， HCI 越大； 衬底浓度 NA ： NA越高， HCI 越大； 温度：温度越低， HCI 越大； 栅氧化层和界面的质量：缺陷密度越高， HCI 越大。
26
器件退化--衬底电流因素：
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,寄生NPN被触发。
Source N+
Gate PW
Drain N+
27
器件退化--温度因素：
在低温下，Si原子的振动变弱，运动的电子与硅原子碰撞减少，电 子自由程增加，从电场中获得动能增加，容易产生热电子，提高了 注入氧化层的概率。
空穴引起的碰撞产生率低
（空穴的碰撞离化率系数比电子小。）
空穴更不容易穿过SiO2 界面
（电子穿越Si-SiO2 势垒需要动能为3.2eV, 空穴需要4.9eV。）
当工艺发展到了深亚微米技术，沟道缩短到一定程度之后，则需考虑 PMOS的热载流子注入效应。
19
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
36
工艺上改善HCI：
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, 在栅氧制造完成之后可以采取高温退 火工艺，可以减小这些陷阱和悬挂键。
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-SiO2界面较难出现陷阱。
5
HCI 的定义 HCI 的形成过程及注入机制 HCI 的监测方法 HCI 对器件的影响 影响HCI 的因素以及改善方法
6
NMOS 沟道
在Vg>VT时不同的Vds下沟道中 的情况： 1) Vd = 0 2) Vd = Vdsat 3) Vd > Vdsat
7
Gate
2）在B点重新取向到C点（C位于界面）； 3）假定热电子未损失能量，即保留需克服
势垒的能量，热电子到达D将被辅助的 氧化层电场扫向栅电极。
N+ Source
D
C N+
AB Drain
电子穿越Si-SiO2 势垒需要动能为3.2eV, 空穴需要4.9eV。
11
热载流子注入
进入栅介质的电流有三种走向： 1) 一部分被陷于氧化层内，或引起附加的界面态，最后使VT增加， 驱动电流减小。 2) 因为不同栅氧化层位置的电势不同，一部分则在反向电场的作 用下再次回到沟道。 3) 剩下很小一部分热载流子则最终能穿过SiO2层，被栅电极收集， 形成栅极电流。这部分热载流子被称为“幸运电子（lucky electron）”
33
LDD 器件结构及电场
34
考虑横向扩散LDD结构 LDD长度：
LDD结构
35
LDD 结构特性：
LDD区属于低掺杂区域，增加器件的串联电阻，通常LDD与常规器 件相比，电流和跨导损失20%；
LDD器件中栅/源、栅/漏交叠电容较低，这样就部分地弥补了电路 的性能，总的对电路的损失约为4%—8%。
17
衬底热电子(SHE)
当Vds=0, Vgs>0, 并施加较大的Vbs 时，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-SiO2 界面，并注入到 SiO2中。
18
一般情况下，为什么说热载流子对PMOS的影响较NMOS 要弱得多？
12
光发射电流
高能电子被杂质离子突然减速时会发射出光子，这种辐射称为轫致辐射。
13
热载流子注入效应，包含热载流子产生、注入和氧化层中热载流子的 俘获等过程。
热载流子注入是一种局部现象，仅仅发生在整个沟道的一部分区域。 对于NMOS 器件，大致有4种热载流子产生、注入的机制：
1) 沟道热电子（CHE） 2) 二次产生热电子( SGHE) 3) 漏极雪崩倍增热载流子(DAHC) 4) 衬底热电子(SHE)
改善方法：
缩小热载流子总数的器件结构； 通过改进结构、材料、工艺和电路，以减小已存在热载流子的影响。
30
HCI根源是漏断附近沟道中的高电场
最有效抑制HCI的方法是在器件中引入降低电场的结构。
渐变漏掺杂结构
渐变漏掺杂结构：在漏结的边缘处形成一个空间电荷过渡区，将一些电压降 落在这个过渡区中，因而使沟道区中的峰值电场降低，这种结构称为渐变漏 掺杂结构。