HCI-效应

1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2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3HCI:HotCarrierInjectioneffect（热载流子注入效应）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。4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。HCI:HotCarrierInjectioneffect（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gateoxide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。5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6NMOS沟道7在VgVT时不同的Vds下沟道中的情况：1)Vd=02)Vd=Vdsat3)VdVdsatDrainSourceGate峰值电场DrainSource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）：8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。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。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。9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。11)(nDsatDSDnmDsubVVIEII10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。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”；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。ABCDDrainSourceGateN+N+电子穿越Si-SiO2势垒需要动能为3.2eV,空穴需要4.9eV。11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（luckyelectron）”12光发射电流高能电子被杂质离子突然减速时会发射出光子，这种辐射称为轫致辐射。13热载流子注入效应，包含热载流子产生、注入和氧化层中热载流子的俘获等过程。热载流子注入是一种局部现象，仅仅发生在整个沟道的一部分区域。对于NMOS器件，大致有4种热载流子产生、注入的机制：1)沟道热电子（CHE）2)二次产生热电子(SGHE)3)漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)4)衬底热电子(SHE)14沟道热电子（CHE）15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。二次产生热电子(SGHE)16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。tox越薄,Vbs越大，二次电子注入效应越严重。漏极雪崩倍增热载流子(DAHC)17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。衬底热电子(SHE)18当Vds=0,Vgs0,并施加较大的Vbs时，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。一般情况下，为什么说热载流子对PMOS的影响较NMOS要弱得多？19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。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20衬底电流：碰撞产生的空穴被衬底收集形成的电流。NMOS给定Vds下，为什么Isub随Vgs先增大后减小？11)(nDsatDSDnmDsubVVIEII21Esat是达到速度饱和的临界电场（约为5104V/cm）L为有效沟道长度由于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。衬底电流双强电场模型：NLDMOS的Isub为什么会出现第二个峰？22NLDMOS1）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。栅电流：沟道热载流子注入到栅极氧化层中形成。Ig≈C2IDexp(-Фb/qEmλ)231）VdVg，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）VdVg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。给定Vds下，为什么Ig随Vg先增大后减小？衬底电流与栅电流关系：24Ig比Isub小得多。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25器件退化--栅电流因素：26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。器件退化--衬底电流因素：27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。DrainSourceGatePWN+N+器件退化--温度因素：28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。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29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。改善方法：缩小热载流子总数的器件结构；通过改进结构、材料、工艺和电路，以减小已存在热载流子的影响。30渐变漏掺杂结构渐变漏掺杂结构：在漏结的边缘处形成一个空间电荷过渡区，将一些电压降落在这个过渡区中，因而使沟道区中的峰值电场降低，这种结构称为渐变漏掺杂结构。双扩散漏结构(DoubleDiffusedDrain,DDD)轻掺杂漏结构(LightDopedDrain,LDD)31常规结构DDD结构LDD结构HCI根源是漏断附近沟道中的高电场最有效抑制HCI的方法是在器件中引入降低电场的结构。不同器件结构下的电场分布32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1.25m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％。33LDD器件结构及电场3435考虑横向扩散LDD结构LDD长度：LDD结构LDD结构特性：36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%。工艺上改善HCI：37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。减少工艺过程中的等离子损伤。Thanks!38