热载流子效应

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HC效应对MOSFET电性能的影响
热载 子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启 电压和的一系列参数发生漂移. 开启电压 VT(t)= A tn 当热电子引起的衬底电流 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, 导致闩锁效应
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衬底电流模型
Isub＝C1Id exp(-Bi/Em) Isub＝a Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi) 其中a, b为常数.Ai,Bi为碰撞离化系数， a=2.2410-8－0.1010-5 Vdsat b = 6.4 衬底电流的另一种表示形式为：
Isub = 1.2(VDS-Vdsat)ID exp(-1.7106/ymax) =1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt)
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PMOS器件的热载流子效应
一般情况下，热载流子对PMOS器件的影响较 NMOS FET 要 弱 得 多 。 而 在 亚 微 米 PMOS FET中，热载流子效应引起人们的注意。 PMOS FET 的热载流子效应表现在三个方面： 热电子引起的穿通效应 氧化层正电荷效应 热空穴产生的界面态。
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MOS 器件中的热载流子 3
衬底热电子(SHE) NMOS 器件中，当 VDS ＝VBS, VGS VT 时，在衬底与源、 漏、沟道之间有反向电流流 过。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。
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PMOS氧化层正电荷效应和热空穴产生的界面态
沟道长度、界面态和 氧化层电荷附近的阈值 电压随时间的变化曲线 a. 沟道长度的变化短路 b. 界面态的变化 c. 氧化层电荷附近的 阈值电压
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NMOS结构的改进
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LDD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－。 LDD结构的主要优点： 它能将最大场强 降低30－40％。
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影响热电子效应的参数
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改进热电子效应的工艺措施
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, 因而要减少栅氧化产生 的硅－氢键的数量 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. 减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施
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热载流子的器件的影响
热载流子对MOS器件和双极型器件的可靠性都有 影响，是属于磨损型失效机理。 在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预， P－N极漏电流增加。 在MOS器件中，热载流子效应造成MOS晶体管的 阈值电压VT、漏极电流IDS和跨导G等的漂移。 在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可 靠性的危害更大。
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MOS 器件中的热载流子4
二次产生热电子( SGHE) 由于碰撞电离在漏 极附近发射的光子, 与热空穴 发生二次 碰撞电离, 从而出现 新的电子和空穴, 相 应的衬底电流和漏 极电流。
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进入二氧化硅的热载流子 1
能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和 漂移, 其中 部分被氧化层中的陷 阱所俘获. 当氧化层中的陷阱密度为 NTT, 俘获截面为 , 陷阱电子平均距离为 X, 俘获形成的栅电 流 为Ig, 可得到其有效陷阱电荷密度为 nT: nT = NTT[ 1- exp(-(1/q)Ig(t)Dt)] X 陷阱电荷密度与氧化层中的陷阱密度成正比: 有效电荷密度随时间以指数方式增加, 最后趋 于饱和 。
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LDD结构
LDD结构后，漏极的空间电荷区展宽，VDS 的一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。 LDD结构中沟道区的最大场强 ymax (LDD)：
MAX (LDD) ＝(VDS－VDS sat－y max l)/0.22 t1/3 rj1/3 = y max－ Ln-/ 0.22 t1/3 rj1/3
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NMOS器件热载流子效应的可靠寿命
3。美国JEDEC发布的JFP-122a 中中位寿命TF TF＝B Isub-N exp(Ea/KT) B 与掺杂分布，sidewall spacing尺寸等有 关的常数。 Isub =加应力的 衬底峰值电流, N = 2 to 4 Ea = -0.1 eV to -0.2 eV 注意！这是负值
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进入二氧化硅的热载流子2
能量足够高的热载流子 它们可以在二氧化硅中 产生新的界面态； 界面态的形成： Si-H 被打断后, 形成氢间隙原子 Hi 和硅的悬挂键 Si*( 即界面陷阱) 。 新产生的陷阱密度 Nit，在开始时Nit与时间t 成 正比: 在Nit 大时, 它与时间 t 0.5 成正比。 Nit = C[t(Id/W)exp(-it/gEm)]n =Atn , 一 般 n 在 0.5 -- 0.7 之 间.
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衬底电流模型
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栅电流模型
NMOS 器件中, 当栅 氧化层较薄时 (小于 150A), 栅电流主要由沟道热电子注入所来自 起的。微电子器件的可靠性
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影响热电子效应的参数
1. 沟道长度 L MOS FET的有效沟道长度l和沟道中的最大场强max。 max ＝(VDS-VDSsat)/l l ＝0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nm l ＝1.710－2tox1/8 rj1/3L1/5 tox 15nm, L 0.5m, 式中rj 源、漏的结深，tox 栅氧化层厚度，L是沟道长度。 得到 max = (VDS-VDSsat)/ 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nm max = (VDS-VDSsat)/(1.710－2tox1/8 rj1/3L1/5) tox 15nm, L 0.5m
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MOS 器件中的热载流子1
沟 道 热 电 子 (Channel Hot Electron ) 衬底热电子(SHE) 二次产生热电子( SGHE) 二次产生热电子( SGHE)
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MOS 器件中的热载流子2
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 子和空穴就是漏区雪崩倍 增热载流 . 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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NMOS结构的改进
在NMOSFET 中, 热载流子对器件的损伤, 主要发生在 靠近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量 直接受控于沟道中最大场强。 为改进器件热载流子效应的可靠性，降低沟道中的最大 场强.，在器件结构上,提出了多种结构： 磷扩散漏区( PD) 结构（用于3m 64KDRAM ） 双扩散漏结构 ( Double Diffused Drain, DDD ) 轻掺杂漏结构 ( Light Doped Drain ,LDD ) 埋沟结构( Buried Channel , BC )
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第五章 热载流子效应
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热载流子效应
当电场超过100 KV/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. 当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的3倍时, 载流子 与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一. 载流子的能量超过Si-SiO2的 势垒高度(3.5 eV)时,载流子 能直接注入或通过隧道效应 进入SiO2 .影响器件性能，这 效 应称为热载流子效应。
与非LDD结构比较，LDD结构的夹断区长度 增加了Ln－,最大场强也下降
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NMOS器件热载流子效应的可靠寿命
1。从热载流子注入引起陷阱密度的增加, 可以 得到器件估计器件在热载流子作用下的寿命. = H ISUB-2.9 ID1.9 VT1.5 W H 是与氧化层生长工艺有关的参数. 2。在电路可靠性模拟中, 采用的热载流子的退 化, 模型, 其命 = HW ISUB－m/ IDm-1
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PMOS中热电子引起的穿通效应
碰撞电离产生的热电子，在栅电场作用下加速注入到 靠近漏极的栅氧化层，在靠近漏极的栅氧化层中形 成陷阱。由于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较 多的空穴，类似于增加栅极电压，所以，降低了沟 道中的电场。 重要的是这些陷落电子 使靠近漏极的N型Si衬底 表 面反型，使的有效沟 道衬底降低。