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微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 14
影响热电子效应的参数
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
15
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
复旦大学材料科学系
10
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)
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 6
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。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
7
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 。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 5
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。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 8
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.
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
11
衬底电流模型
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
12
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引 起的。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
13
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
微电子器件的可靠性
复旦பைடு நூலகம்学材料科学系
16
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 )
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 2
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。
热载流子效应
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。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
3
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)
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
4
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
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
9
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
微电子器件的可靠性
影响热电子效应的参数
微电子器件的可靠性
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15
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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10
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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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。
微电子器件的可靠性
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7
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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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。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 8
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.
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
11
衬底电流模型
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
12
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引 起的。
微电子器件的可靠性
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13
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
微电子器件的可靠性
复旦பைடு நூலகம்学材料科学系
16
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 )
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 2
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。
热载流子效应
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。
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
3
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)
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
4
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
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
9
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
微电子器件的可靠性