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1、微电子器件的可靠性,复旦大学材料科学系,1,微电子器件的可靠性Microelectronics Reliability,第五章 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,2,复旦大学材料科学系,热载流子的器件的影
2、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，PN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。,微电子器件的可靠性,3,复旦大学材料科学系,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,4,复旦大学材料科学系,MOS 器件中的热载流子2,漏极雪崩倍增热载流子(DAHC
3、)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,5,复旦大学材料科学系,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,6,复旦大学材料科学系,MOS 器件中的
4、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,7,复旦大学材料科学系,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
5、式增加, 最后趋于饱和 。,微电子器件的可靠性,8,复旦大学材料科学系,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 = Ct(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,9,复旦大学材料科学系,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
6、,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,10,复旦大学材料科学系,衬底电流模型,IsubC1Id exp(-Bi/Em)Isuba Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi) 其中a, b为常数.Ai,Bi为碰撞离化系数， a=2.2410-80.1010-5 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(
7、-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt),微电子器件的可靠性,11,复旦大学材料科学系,衬底电流模型,微电子器件的可靠性,12,复旦大学材料科学系,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,13,复旦大学材料科学系,影响热电子效应的参数,1. 沟道长度 LMOS FET的有效沟道长度l和沟道中的最大场强max。max (VDS-VDSsat)/ll 0.22tox1/3 rj1/3 tox 15nml 1.7102tox1/8 rj1/3L1/5 tox 15nm, L 0.5m,式中
8、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 15nmmax = (VDS-VDSsat)/(1.7102tox1/8 rj1/3L1/5) tox 15nm, L 0.5m,微电子器件的可靠性,14,复旦大学材料科学系,影响热电子效应的参数,微电子器件的可靠性,15,复旦大学材料科学系,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
9、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,微电子器件的可靠性,16,复旦大学材料科学系,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 Ch
10、annel , BC ),微电子器件的可靠性,17,复旦大学材料科学系,NMOS结构的改进,微电子器件的可靠性,18,复旦大学材料科学系,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3040。,微电子器件的可靠性,19,复旦大学材料科学系,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)：
11、 MAX (LDD) (VDSVDS saty max l)/0.22 t1/3 rj1/3 = y max Ln-/ 0.22 t1/3 rj1/3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,微电子器件的可靠性,20,复旦大学材料科学系,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 ISUBm/ IDm-1,微电子器件的可靠性,21
12、,复旦大学材料科学系,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 TFB 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 4Ea = -0.1 eV to -0.2 eV 注意！这是负值,微电子器件的可靠性,22,复旦大学材料科学系,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
13、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。,微电子器件的可靠性,23,复旦大学材料科学系,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。,微电子器件的可靠性,24,复旦大学材料科学系,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,微电子器件的可靠性,25,复旦大学材料科学系,
