热载流子效应学习教案.pptx

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1、会计学1热载流子效应热载流子效应(xioyng)第一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系2热载流子效应热载流子效应热载流子效应热载流子效应(xioyng)(xioyng)当当当当电电电电场场场场超超超超过过过过100 100 100 100 KV/cmKV/cmKV/cmKV/cm时时时时,载载载载流流流流子子子子从从从从电电电电场场场场中中中中获获获获 得得得得更更更更多多多多的的的的能能能能量量量量,载载载载流流流流子子子子的的的的能能能能量量量量和和和和晶晶晶晶格格格格不不不不再再再再保保保保持持持持热热热热平平平平衡衡衡衡,

2、称称称称这这这这种种种种载载载载流流流流子子子子为为为为热热热热载流子载流子载流子载流子.当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的当载流子具有的额外能量超过禁带宽度的3 3 3 3倍时倍时倍时倍时,载流子与晶格的载流子与晶格的载流子与晶格的载流子与晶格的碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一碰撞电离成为主要的能量消耗形式之一.载流子的能量超过载流子的能量超过载流子的能量超过载流子的能量超过Si-SiOSi-SiOSi-SiOSi-SiO2 2 2 2的的的的 势垒

3、高度势垒高度势垒高度势垒高度(3.5 eV)(3.5 eV)(3.5 eV)(3.5 eV)时时时时,载流子载流子载流子载流子 能直接注入或通过隧道效应能直接注入或通过隧道效应能直接注入或通过隧道效应能直接注入或通过隧道效应 进入进入进入进入SiOSiOSiOSiO2 2 2 2.影响器件性能，这影响器件性能，这影响器件性能，这影响器件性能，这 效效效效 应称为热载流子效应。应称为热载流子效应。应称为热载流子效应。应称为热载流子效应。第1页/共25页第二页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系3热载流子的器件热载流子的器件热载流子的器件

4、热载流子的器件(qjin)(qjin)的影响的影响的影响的影响热载流子对热载流子对热载流子对热载流子对MOSMOS器件和双极型器件的可靠性都有影响，器件和双极型器件的可靠性都有影响，器件和双极型器件的可靠性都有影响，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。是属于磨损型失效机理。是属于磨损型失效机理。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，在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预，在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预，在双极型器件中，热载流子造成击穿电压的弛预，P PNN极漏电流增加。极漏电流增加。极漏电流增加。极漏电流增加。在在在在MOSMOS

5、器件中，热载流子效应造成器件中，热载流子效应造成器件中，热载流子效应造成器件中，热载流子效应造成MOSMOS晶体管的晶体管的晶体管的晶体管的阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压V VT T、漏极电流、漏极电流、漏极电流、漏极电流I IDSDS和跨导和跨导和跨导和跨导G G等的漂移。等的漂移。等的漂移。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在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可靠性的危在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可靠性的危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。害更大。害更大。害更大。第2页/共25页第三页，共25页。微电子器件(din z q

6、 jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系4MOS MOS 器件器件器件器件(qjin)(qjin)中的热载流子中的热载流子中的热载流子中的热载流子1 1 沟沟沟沟道道道道热热热热电电电电子子子子(Channel(Channel Hot Hot Electron)Electron)衬底热电子衬底热电子衬底热电子衬底热电子(SHE)(SHE)二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子(SGHE)(SGHE)二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子(SGHE)(SGHE)第3页/共25页第四页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦

7、大学(f dn d xu)材料科学系5MOS MOS MOS MOS 器件器件器件器件(qjin)(qjin)(qjin)(qjin)中的热载流子中的热载流子中的热载流子中的热载流子2 2 2 2漏极雪崩倍增热载流子漏极雪崩倍增热载流子漏极雪崩倍增热载流子漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)(DAHC)沟沟沟沟道道道道热热热热电电电电子子子子在在在在漏漏漏漏区区区区边边边边缘的强电场中缘的强电场中缘的强电场中缘的强电场中,发发发发生生生生雪雪雪雪崩崩崩崩倍倍倍倍增增增增,产产产产生生生生新新新新的的的的电电电电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴。这这这这些些些些新新新新产产产产生生生生的的的的电电电

8、电子子子子和和和和空空空空穴穴穴穴就就就就是是是是漏漏漏漏区区区区雪雪雪雪崩崩崩崩倍倍倍倍增增增增热热热热载载载载流流流流 .在在在在电电电电场场场场的的的的作作作作用用用用下下下下,电电电电子子子子扫扫扫扫入入入入栅栅栅栅 区区区区和和和和部部部部分分分分进进进进入入入入氧氧氧氧化化化化层层层层,空空空空穴穴穴穴扫扫扫扫 入入入入衬衬衬衬底底底底,形形形形成成成成衬衬衬衬底底底底电电电电流流流流 第4页/共25页第五页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系6MOS MOS 器件器件器件器件(qjin)(qjin)中的热载流子中的热载流

9、子中的热载流子中的热载流子 3 3衬底热电子衬底热电子衬底热电子衬底热电子(SHE)(SHE)NMOS NMOS 器件中，当器件中，当器件中，当器件中，当 V VDSDS V VBS,BS,V VGSGS V VT T 时，在衬底与源、时，在衬底与源、时，在衬底与源、时，在衬底与源、漏、沟道之间有反向电流流漏、沟道之间有反向电流流漏、沟道之间有反向电流流漏、沟道之间有反向电流流过。衬底中的电子被耗过。衬底中的电子被耗过。衬底中的电子被耗过。衬底中的电子被耗 尽区尽区尽区尽区的电场拉出并加速向沟道运的电场拉出并加速向沟道运的电场拉出并加速向沟道运的电场拉出并加速向沟道运动，当电场足够高时，这些动

10、，当电场足够高时，这些动，当电场足够高时，这些动，当电场足够高时，这些 电子就有了足够的能量可以电子就有了足够的能量可以电子就有了足够的能量可以电子就有了足够的能量可以到达到达到达到达Si-SiOSi-SiO2 2 界面，并注入到界面，并注入到界面，并注入到界面，并注入到 SiOSiO2 2中。中。中。中。第5页/共25页第六页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系7MOS MOS 器件器件器件器件(qjin)(qjin)中的热载流子中的热载流子中的热载流子中的热载流子4 4二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子二次产生热电子(SG

11、HE)(SGHE)由于碰撞电离在漏由于碰撞电离在漏由于碰撞电离在漏由于碰撞电离在漏 极附近发射的光子极附近发射的光子极附近发射的光子极附近发射的光子,与热空穴发生二与热空穴发生二与热空穴发生二与热空穴发生二次次次次 碰撞电离碰撞电离碰撞电离碰撞电离,从而出现从而出现从而出现从而出现 新的电子和空穴新的电子和空穴新的电子和空穴新的电子和空穴,相相相相 应的衬应的衬应的衬应的衬底电流和漏底电流和漏底电流和漏底电流和漏 极电流。极电流。极电流。极电流。第6页/共25页第七页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系8 进入进入(jnr)二氧化硅的

12、二氧化硅的热载流子热载流子 1能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移能量较低的热载流子它们只在氧化层中扩散和漂移,其中其中其中其中 部分被氧化层中的陷部分被氧化层中的陷部分被氧化层中的陷部分被氧化层中的陷 阱所俘获阱所俘获阱所俘获阱所俘获.当氧化层中的陷阱密度为当氧化层中的陷阱密度为当氧化层中的陷阱密度为当氧化层中的陷阱密度为 NNTTTT,俘获截面为俘获截面为俘获截面为俘获截面为 ,陷阱陷阱陷阱陷阱电子平均距离为电子平均距离为电子平均距离为电子平均距离为 X,X,俘获形成的栅电俘获形成的栅电俘获形成

13、的栅电俘获形成的栅电 流为流为流为流为Ig,Ig,可可可可得到其有效陷阱电荷密度为得到其有效陷阱电荷密度为得到其有效陷阱电荷密度为得到其有效陷阱电荷密度为 n nT T:n nT T=N=NTTTT 1-exp(-1-exp(-(1/q)Ig(t)Dt)X(1/q)Ig(t)Dt)X 陷陷陷陷阱阱阱阱电电电电荷荷荷荷密密密密度度度度与与与与氧氧氧氧化化化化层层层层中中中中的的的的陷陷陷陷阱阱阱阱密密密密度度度度成成成成正正正正比比比比:有有有有效效效效电电电电荷荷荷荷密密密密度度度度随随随随时时时时间间间间以以以以指指指指数数数数方方方方式式式式增增增增加加加加,最最最最后后后后趋趋趋趋于于于

14、于饱饱饱饱和和和和 。第7页/共25页第八页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系9进入进入进入进入(jnr)(jnr)二氧化硅的热载流子二氧化硅的热载流子二氧化硅的热载流子二氧化硅的热载流子2 2能量足够高的热载流子能量足够高的热载流子能量足够高的热载流子能量足够高的热载流子 它们可以在二氧化硅中产它们可以在二氧化硅中产它们可以在二氧化硅中产它们可以在二氧化硅中产生新的界面态；生新的界面态；生新的界面态；生新的界面态；界面态的形成：界面态的形成：界面态的形成：界面态的形成：Si-H Si-H 被打断后被打断后被打断后被打断后,形成氢间

15、隙原子形成氢间隙原子形成氢间隙原子形成氢间隙原子 Hi Hi 和硅的悬挂键和硅的悬挂键和硅的悬挂键和硅的悬挂键 Si*(Si*(即界面陷阱即界面陷阱即界面陷阱即界面陷阱)。新新新新产产产产生生生生的的的的陷陷陷陷阱阱阱阱密密密密度度度度 NitNit，在在在在开开开开始始始始时时时时NitNit与与与与时时时时间间间间t t 成成成成 正正正正比比比比:在在在在NNit it 大时大时大时大时,它与时间它与时间它与时间它与时间 t t 0.50.5 成正比。成正比。成正比。成正比。NNit it=Ct(I=Ct(Id d/W)exp(-/W)exp(-it/git/g Em)Em)n n =A

16、t=Atn n ,一一一一 般般般般 n n 在在在在 0.5-0.7 0.5-0.7 之之之之 间间间间.第8页/共25页第九页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系10HCHC效应效应效应效应(xioyng)(xioyng)对对对对MOSFETMOSFET电性能的影响电性能的影响电性能的影响电性能的影响热载热载热载热载 子使陷阱电荷密度随时间而增加子使陷阱电荷密度随时间而增加子使陷阱电荷密度随时间而增加子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启导致开启导致开启导致开启电压和的一系列参数发生漂移电压和的一系列参数发生漂移电压和的一系列参数

17、发生漂移电压和的一系列参数发生漂移.开启电压开启电压开启电压开启电压 V VT T(t)=A t(t)=A tn n 当热电子引起的衬底电流当热电子引起的衬底电流当热电子引起的衬底电流当热电子引起的衬底电流很大时很大时很大时很大时,可使源与衬底之间可使源与衬底之间可使源与衬底之间可使源与衬底之间处于正向偏置状态处于正向偏置状态处于正向偏置状态处于正向偏置状态,引起正引起正引起正引起正向注入向注入向注入向注入,导致闩锁效应导致闩锁效应导致闩锁效应导致闩锁效应 第9页/共25页第十页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系11衬底电流衬底电流

18、(dinli)模模型型I IsubsubC C1 1I Id d exp(-Bi/Em)exp(-Bi/Em)I Isubsuba Ia Id d (V(Vdsds-V-Vdsatdsat)b b(Ai/Bi)(Ai/Bi)其中其中其中其中a,ba,b为常数为常数为常数为常数.A.Ai,i,B Bi i为碰撞离化系数，为碰撞离化系数，为碰撞离化系数，为碰撞离化系数，a=2.24a=2.24 1010-8-80.100.10 1010-5-5 V Vdsatdsat b=6.4 b=6.4 衬底电流的另一种表示形式为：衬底电流的另一种表示形式为：衬底电流的另一种表示形式为：衬底电流的另一种表示形

19、式为：I Isubsub=1.2(V=1.2(VDSDS-V-Vdsatdsat)I)IDD exp(-1.7 exp(-1.7 10106 6/ymaxymax)=1.2(V=1.2(VDSDS-V-VDSsaDSsat t)I)IDDexp(-3.7exp(-3.7 10106 6t toxox1/31/3r rj j1/31/3/(V/(VDSDS-V-Vdsatdsatt t)第10页/共25页第十一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系12衬底电流衬底电流衬底电流衬底电流(dinli)(dinli)(dinli)(dinli

20、)模型模型模型模型第11页/共25页第十二页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系13栅电流栅电流栅电流栅电流(dinli)(dinli)模型模型模型模型 NMOS NMOS 器件中器件中器件中器件中,当栅当栅当栅当栅 氧化层较薄时氧化层较薄时氧化层较薄时氧化层较薄时 (小于小于小于小于150A),150A),栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。栅电流主要由沟道热电子注入所引起的。第12页/共25页第十三页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦

21、大学(f dn d xu)材料科学系14影响热电子效应影响热电子效应影响热电子效应影响热电子效应(xioyng)(xioyng)的参数的参数的参数的参数n n1.1.沟道长度沟道长度沟道长度沟道长度 L LMOS FETMOS FET的有效沟道长度的有效沟道长度的有效沟道长度的有效沟道长度l l和沟道中的最大场强和沟道中的最大场强和沟道中的最大场强和沟道中的最大场强 maxmax。maxmax (V(VDSDS-V-VDSsatDSsat)/)/l ll l 0.22tox0.22tox1/31/3 r rj j1/31/3 t toxox 15nm 15nml l 1.71.7 10102

22、2toxtox1/81/8 r rj j1/31/3L L1/5 1/5 t toxox 15nm,L 15nm,L 0.5 0.5 m,m,式中式中式中式中r rj j 源、漏的结深，源、漏的结深，源、漏的结深，源、漏的结深，t toxox 栅氧化层厚度，栅氧化层厚度，栅氧化层厚度，栅氧化层厚度，L L是沟道长度。是沟道长度。是沟道长度。是沟道长度。得到得到得到得到 maxmax =(V=(VDSDS-V-VDSsatDSsat)/0.22tox)/0.22tox1/31/3 r rj j1/31/3 t toxox 15nm 15nm maxmax =(V=(VDSDS-V-VDSsatD

23、Ssat)/(1.7)/(1.7 10102 2toxtox1/81/8 r rj j1/31/3L L1/51/5)t toxox 15nm,L 15nm,L 0.5 0.5 mm第13页/共25页第十四页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系15影响热电子效应影响热电子效应影响热电子效应影响热电子效应(xioyng)(xioyng)的参数的参数的参数的参数第14页/共25页第十五页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系16改进热电子效应改进热电子效应改进热电子效应改进热电子效

24、应(xioyng)(xioyng)的工艺措的工艺措的工艺措的工艺措施施施施减减减减少少少少氧氧氧氧化化化化层层层层界界界界面面面面的的的的硅硅硅硅氢氢氢氢键键键键 由由由由于于于于热热热热电电电电子子子子所所所所产产产产生生生生的的的的陷陷陷陷阱阱阱阱与与与与氧氧氧氧化化化化层层层层中中中中已已已已有有有有的的的的 硅硅硅硅氢氢氢氢键键键键的的的的数数数数量量量量有有有有关关关关,因而要减少栅氧化产生因而要减少栅氧化产生因而要减少栅氧化产生因而要减少栅氧化产生 的硅氢键的数量的硅氢键的数量的硅氢键的数量的硅氢键的数量改改改改变变变变栅栅栅栅绝绝绝绝缘缘缘缘层层层层的的的的成成成成份份份份,提提

25、提提高高高高电电电电子子子子进进进进入入入入绝绝绝绝缘缘缘缘层层层层的的的的功功功功函函函函数数数数,如如如如采采采采用用用用氧氧氧氧化化化化层层层层表表表表面面面面氮氮氮氮化化化化,Si-SiOSi-SiO2 2界界界界面面面面较较较较难难难难出出出出现现现现陷陷陷陷阱阱阱阱.减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施减少等离子损伤是改进热载流子效应的必要措施第15页/共25页第十六页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系17NMOSNMOS结构结构结

26、构结构(jigu)(jigu)的改进的改进的改进的改进 在在在在NMOSFET NMOSFET 中中中中,热载流子对器件的损伤热载流子对器件的损伤热载流子对器件的损伤热载流子对器件的损伤,主要发生在主要发生在主要发生在主要发生在 靠靠靠靠近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量近漏极的沟道区上方的氧化层中。热载流子的数量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。直接受控于沟道中最大场强。直接受控于沟道中最大场强。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为改进器件热载流子效应的可靠性，

27、降低沟道中的最大场为改进器件热载流子效应的可靠性，降低沟道中的最大场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强强强.，在器件结构上，在器件结构上，在器件结构上，在器件结构上,提出了多种结构：提出了多种结构：提出了多种结构：提出了多种结构：磷扩散漏区磷扩散漏区磷扩散漏区磷扩散漏区(PD)(PD)结构（用于结构（用于结构（用于结构（用于3 3 m 64KDRAM m 64KDRAM）双扩散漏结构双扩散漏结构双扩散漏结构双扩散漏结构 (Double Diffused Drain,DDD)(Double Diffused Drain,DDD)轻掺杂漏结构轻掺杂漏结构轻掺杂漏结构轻掺杂漏结构

28、 (Light Doped Drain,LDD)(Light Doped Drain,LDD)埋沟结构埋沟结构埋沟结构埋沟结构(Buried Channel,BC)(Buried Channel,BC)第16页/共25页第十七页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系18NMOSNMOS结构结构结构结构(jigu)(jigu)的改进的改进的改进的改进第17页/共25页第十八页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系19LDDLDD结构结构结构结构(jigu)(jigu)n nLDDL

29、DD结构是结构是结构是结构是19801980年提出的。在栅的长度小于年提出的。在栅的长度小于年提出的。在栅的长度小于年提出的。在栅的长度小于1.251.25 m m 的的的的5V5V工作的工作的工作的工作的CMOSCMOS器件器件器件器件,大都采用了这种结构。大都采用了这种结构。大都采用了这种结构。大都采用了这种结构。n nLDDLDD结构将漏区由两部分组成结构将漏区由两部分组成结构将漏区由两部分组成结构将漏区由两部分组成,一部分是重掺杂的的一部分是重掺杂的的一部分是重掺杂的的一部分是重掺杂的的NN区区区区,而在与沟道相邻处为低掺杂的而在与沟道相邻处为低掺杂的而在与沟道相邻处为低掺杂的而在与沟

30、道相邻处为低掺杂的NN区区区区,它的长它的长它的长它的长度为度为度为度为L Ln n。n nLDDLDD结构的主要优点：结构的主要优点：结构的主要优点：结构的主要优点：它能将最大场强它能将最大场强它能将最大场强它能将最大场强 降低降低降低降低30304040。第18页/共25页第十九页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系20LDDLDD结构结构结构结构(jigu)(jigu)n nLDDLDD结构后，漏极的空间电荷区展宽，结构后，漏极的空间电荷区展宽，结构后，漏极的空间电荷区展宽，结构后，漏极的空间电荷区展宽，V VDSDS 的的的的

31、一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。一部分可以降落在轻掺杂的漏区上。n nLDDLDD结构中沟道区的最大场强结构中沟道区的最大场强结构中沟道区的最大场强结构中沟道区的最大场强 ymax ymax(LDD)(LDD)：MAX MAX(LDD)(LDD)(V(VDSDSV VDSDS satsat y max y max l)l)/0.22 t/0.22 t1/31/3 r rj j1/31/3 =y maxy max L Ln n-/-/0.22 t0.22 t1/31/3 r rj j1/31/3n n与非与非与非与非LDDLDD结构

32、比较，结构比较，结构比较，结构比较，LDDLDD结构的夹断区长度增加结构的夹断区长度增加结构的夹断区长度增加结构的夹断区长度增加了了了了L Ln n,最大场强也下降最大场强也下降最大场强也下降最大场强也下降 第19页/共25页第二十页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系21NMOSNMOS器件热载流子效应的可靠器件热载流子效应的可靠器件热载流子效应的可靠器件热载流子效应的可靠(kko)(kko)寿命寿命寿命寿命1 1。从从从从热热热热载载载载流流流流子子子子注注注注入入入入引引引引起起起起陷陷陷陷阱阱阱阱密密密密度度度度的的的的增增增

33、增加加加加,可可可可以以以以得得得得到到到到器器器器件估计器件在热载流子作用下的寿命件估计器件在热载流子作用下的寿命件估计器件在热载流子作用下的寿命件估计器件在热载流子作用下的寿命.=H I =H ISUBSUB-2.9-2.9 I IDD1.91.9 V VT T1.51.5 W W H H 是与氧化层生长工艺有关的参数是与氧化层生长工艺有关的参数是与氧化层生长工艺有关的参数是与氧化层生长工艺有关的参数.2 2。在在在在电电电电路路路路可可可可靠靠靠靠性性性性模模模模拟拟拟拟中中中中,采采采采用用用用的的的的热热热热载载载载流流流流子子子子的的的的退退退退化化化化,模模模模型型型型,其命其命

34、其命其命 =HW I=HW ISUBSUBmm/I/IDDm-1m-1第20页/共25页第二十一页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系22NMOSNMOS器件热载流子效应器件热载流子效应器件热载流子效应器件热载流子效应(xioyng)(xioyng)的的的的可靠寿命可靠寿命可靠寿命可靠寿命3 3。美国美国美国美国JEDECJEDEC发布的发布的发布的发布的JFP-122aJFP-122a 中中位寿命中中位寿命中中位寿命中中位寿命T TF F T TF FB B I Isubsub-N-N exp(Ea/KT)exp(Ea/KT)B B

35、 与掺杂分布，与掺杂分布，与掺杂分布，与掺杂分布，sidewall spacingsidewall spacing尺寸等有关尺寸等有关尺寸等有关尺寸等有关的常数。的常数。的常数。的常数。Isub Isub=加应力的加应力的加应力的加应力的 衬底峰值电流衬底峰值电流衬底峰值电流衬底峰值电流,N N=2 to 4=2 to 4Ea Ea=-0.1 eV to-0.2 eV=-0.1 eV to-0.2 eV 注意！这是负值注意！这是负值注意！这是负值注意！这是负值第21页/共25页第二十二页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系23PMOS

36、PMOS器件器件器件器件(qjin)(qjin)的热载流子效应的热载流子效应的热载流子效应的热载流子效应一一一一般般般般情情情情况况况况下下下下，热热热热载载载载流流流流子子子子对对对对PMOSPMOS器器器器件件件件的的的的影影影影响响响响较较较较NMOS NMOS FETFET要要要要弱弱弱弱得得得得多多多多。而而而而在在在在亚亚亚亚微微微微米米米米PMOS PMOS FETFET中中中中，热热热热载载载载流子效应引起人们的注意。流子效应引起人们的注意。流子效应引起人们的注意。流子效应引起人们的注意。PMOS FET PMOS FET 的热载流子效应表现在三个方面：的热载流子效应表现在三个

37、方面：的热载流子效应表现在三个方面：的热载流子效应表现在三个方面：热电子引起的穿通效应热电子引起的穿通效应热电子引起的穿通效应热电子引起的穿通效应 氧化层正电荷效应氧化层正电荷效应氧化层正电荷效应氧化层正电荷效应 热空穴产生的界面态。热空穴产生的界面态。热空穴产生的界面态。热空穴产生的界面态。第22页/共25页第二十三页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系24PMOSPMOS中热电子引起中热电子引起中热电子引起中热电子引起(y(y nqnq)的穿通效应的穿通效应的穿通效应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碰

38、撞电离产生的热电子，在栅电场作用下加速注入到靠近漏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。由极的栅氧化层，在靠近漏极的栅氧化层中形成陷阱。由极的栅氧化层，在靠近漏极的栅氧化层中形成陷阱。由极的栅氧化层，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，类似于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较多的空穴，类似于这些陷落电子在靠近漏极处感应了较多的空穴，类似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。于增加栅极电压，所以

39、，降低了沟道中的电场。于增加栅极电压，所以，降低了沟道中的电场。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重要的是这些陷落电子重要的是这些陷落电子重要的是这些陷落电子 使靠近漏极的使靠近漏极的使靠近漏极的使靠近漏极的N N N N型型型型SiSiSiSi衬底衬底衬底衬底 表面反型，表面反型，表面反型，表面反型，使的有效沟使的有效沟使的有效沟使的有效沟 道衬底降低。道衬底降低。道衬底降低。道衬底降低。第23页/共25页第二十四页，共25页。微电子器件(din z q jin)的可靠性复旦大学(f dn d xu)材料科学系25PMOSPMOS氧化层正电荷效应和热空穴氧化层正电

40、荷效应和热空穴氧化层正电荷效应和热空穴氧化层正电荷效应和热空穴(kn(kn xu)xu)产产产产生的界面态生的界面态生的界面态生的界面态沟道长度、界面态和沟道长度、界面态和沟道长度、界面态和沟道长度、界面态和氧化层电荷附近的阈值氧化层电荷附近的阈值氧化层电荷附近的阈值氧化层电荷附近的阈值电压随时间的变化曲线电压随时间的变化曲线电压随时间的变化曲线电压随时间的变化曲线a.a.a.a.沟道长度的变化短路沟道长度的变化短路沟道长度的变化短路沟道长度的变化短路b.b.b.b.界面态的变化界面态的变化界面态的变化界面态的变化c.c.c.c.氧化层电荷附近的氧化层电荷附近的氧化层电荷附近的氧化层电荷附近的 阈值电压阈值电压阈值电压阈值电压 第24页/共25页第二十五页，共25页。