HCI 效应

tox越薄, Vbs 越大，二次电子注入效应越严重。
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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。
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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
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不同器件结构下的电场分布
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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。
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Thanks!
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VDsat ) n1
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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”；
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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
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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
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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。
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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
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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。
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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。
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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
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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
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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
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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。
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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。
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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。
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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
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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。
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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+
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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。
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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。
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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
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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。
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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）”
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LDD 器件结构及电场
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考虑横向扩散LDD结构 LDD长度：
LDD结构
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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%。
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衬底热电子(SHE)