第一次综述热载流子注入效应对MOS器件性能的影响

综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响热载流子效应及其对器件特性的影响组长：尹海滨 09023105整合资料撰写综述组员：马祥晖 09023106查找问题三资料王小果09023128查找问题二资料李洋 09023318查找问题一资料目录一绪论 3二正文主题 41 热载流子与热载流子注入效应 41.1载流子的概念1.2热载流子的概念及产生1. 3热载流子注入效应1.4热载流子效应的机理2热载流子注入效应对MOS器件性能的影响 62.1热载流子对器件寿命的影响2. 2热载流子效应的失效现象2.2.1雪崩倍增效应2.2.2阈值电压漂移2.2.3 MOSFE性能的退化2.2.4寄生晶体管效应2.3热载流子注入对MOS吉构C-V和I-V特性的影响2.3.1热载流子注入对MOS吉构C-V特性的影响2.3.2热载流子注入对MOS吉构I-V特性的影响3提高抗热载流子效应的措施 103.1影响热载流子效应的主要因素3.2提高抗热载流子效应的措施三结论 12四主要参考文献 12-3 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响一绪论随着科学技术的发展，半导体器件在未来将会有着良好的发展前景，据世界半导体贸 易统计歇会（WSTS日前发布的一份预测报告，世界半导体市场发展未来三年将会保持两 位数的增长，这份报告中还表明，全球半导体业之所以能保持高增长，集成电路 IC芯片的高需求功不可没，给全球半导体业注入了新的活力。

在最近三年里，三网融合的大趋势 有力的推动着芯片业的发展无论是在移动通信业，无线数据传输业，还是 PC机芯片都有着良好的发展趋势而缩小芯片体积和提高芯片性能是阻碍集成电路发展的两大重要因 素，为了进一步缩小芯片体积，科学家们正在研制一系列的采用非硅材料制造的芯片，例 如砷化镓，氮化镓等；另外芯片器件性能的提高也是重中之重，其中芯片器件可靠性是衡 量其性能的重要指标，尤其是在航天，航海等军事方面尤为重要本综述报告讨论的就是对器件特性和可靠性的影响因素之一的热载流子效应及其应 用4 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响二正文主题1热载流子与热载流子效应载流子和热载流子是半导体学中一个重要的概念，它影响着半导体器件的性能以及 可靠性，尤其是其产生的热载流子效应更是左右我们半导体器件寿命的重要因素，所以首 先先让我们了解一下他们的概念1.1载流子的概念电流载体，称载流子在物理学中，载流子指可以自由移动的带有电荷的物质微粒， 如电子和离子在半导体物理学中，电子流失导致共价键上留下的空位（空穴引）被视为 载流子金属中为电子，半导体中有两种载流子即电子和空穴在电场作用下能作定向运 动的带电粒子。

如半导体中的自由电子与空穴，导体中的自由电子，电解液中的正、负离 子，放电气体中的离子等1在半导体中载运电 流的带电粒子一 一电子和空穴，又称自由载流子在 一定温度 下,半导体处于热平衡状态，半导体中的导电电 子浓度nO和空穴浓度p0都保持一个稳 定的数值，这种处于热平衡状态下的导电电子和空穴称为热平 衡载流子1.2热载流子的概念及产生所谓热载流子，是指比零电场下的载流子 具有更高平均动能的载流子 ，一般比费米能级大几个 KT以上的载流子，因此其速度也一定很高 零电场下，载流子通过吸 收和发射声子与晶格交换能量，并与之处于热平衡状态 ，其温度与晶格温度相等在有电场的作用存在时，载流子可以从电场直接获取能量，而晶格却不能晶格只能借 助载流子从电 场直接获取能量，就从电场 获取并积累能量又将能量传递 给晶格的稳定之后，载流子的平均动能将高于晶格的平均 动能，自然也高于其本身在零电场下的动2能，成为热载流子当载流子从外 界获得了很大能量时，即可成 为热载流子例如在强电场作用 下， 载流子沿着电 场方向不断漂移，不断加速， 即可获得 很大的动能，从而可成为热载流 子对于半导 体器件，当器件的特征尺寸很 小时，即使在不很高的电压下 ，也可产生 很强的电场，从而易于导致出现 热载流子。

因此，在小尺寸器件以及大 规模集成电路 中，容易出现 热载流子1.3热载流子注入效应热载流子又称高能载流子，产生于 MOSFET端的大沟道电场，这个沟道电场会加速载 流子，使其有效温度高于晶格的温度这些热载流子通过声子发射的形式把能量传递给晶 格，这会造成在SifSiO2界面处能键的断裂，热载流子也会注入到 SiO2中而被俘获键的断裂和被俘获的载流子会产生氧化层陷阱电荷和界面态，这会影响沟道载流子的迁移率和 有效沟道势能能量达到甚至超过 SiO2 — Si势垒(3 . 2eV)便会注入到SiO2中去，当能量等 于或大于4. 2eV寸就会打断共价键而产生界面陷阱，这就是热载流子注入效应，它是超大规模集成电路的一个重要失效机理而在半导体 中，热载流子所表现出 来的重要效应主要有两个 方面：其一是非线性的速度-电场关系：Si中的载流子在高电 场时即呈现出漂移速度饱和现 象，这就是由于热载流子发 射光学波声子(约0.05eV)的结果GaAs中的电子当被电场 加热”到能量kTe达到0.31eV时(Te是所谓热载流子温度 )，即从主能谷跃迁到 次能谷，从而产生负阻现象其二是碰撞电离效应：热电 子与晶格碰撞、并打破价键 ，即把价电子激发到导带而产生 电子-空穴对的一种作用，碰撞 电离需要满足 能量和动量守 恒，所 需要的能量Ei〜3 Eg /2，碰撞电离的程度可用 所谓电离率 a来表示，a与电场E有指数关系：a = A exp(- Ei/kTe) = A exp( — B/E)。

当倍增效应很严重时，即导致产生击穿现象1.4热载流子效应的机理众所周知，在Si-SiO 2界面有一个几纳米的过渡区，在这个过渡区中，由于硅和氧的 非化学配比及一些杂质和缺陷，存在大量的电子和空穴陷阱及界面态硅的氧化有如下反 应：Si-SiO 2图1硅氧反应式从这个反应式知Si-SiO 2界面态和SiO 2中正电荷的形成在MOS吉构的制备过程中，无论有无氢退火工艺，无论是 HCI气氛中生成的SiO 2，还 是干湿干工艺生长的SiO 2，在SiO -Si系统中，都会存在三Si — O H键，三Si — O — Si三键和 =Si — Si =键因此，热载流子注入SiO 2-Si系统后，就会发生下列反应：三 Sis — H +hot e " Si s +H三 Sis — OH+hot e「（ Si sO ） +H三 Sis — H + 三 Sio — O — Sio 三 hot eh Si s + 三 Si + 三 Si — O H其中，Sis中的下标为界面，Sio中的下标表示SiO2体内，这样就形成了界面态Si；和（Si sO厂及SiO 2中的正电荷三Si另外，热空穴打断三Si s— Si s三键和三Si s — O — Si s三键形成界面态O3三Sis•和'Si s三Si s。

热电子打断三Sis— Sis三键和三Si o — O — Si三键，形成中性的正电荷陷阱SiO 2，SiO和 Si 2O3，以及中性的负电荷陷阱Si3二Si — O ■和 O3二Si— O这些中性的陷阱能俘获电子和 空穴，形成负电中心和正电中心，这就是电荷陷落2热载流子注入效应对 MOS器件性能的影响2.1热载流子对器件寿命的影响热载流子注入效应改变了氧化层中电荷的分布，引起器件参数的退化，大大降低了器件的可靠性和工作寿命当载流子在一个大的电场下运动，例如 MOSFE中电子沿着沟道方向运动，在很短的距离内，电子的动能快速上升，被加速的电子的动能可以用表达式E -E^kTe kT表示，其中Te称为有效温度即使器件本身温度为室温，有效温度却可以 比室温T高很多热载流子还可以加速老化（测试 MOSS件可靠性）对晶体管进行最恶劣情况下的加速 老化试验，可以推算出常规条件下器件的寿命，通过这个方法，可以衡量出热载流子特性 的优劣正常使用情况下要求晶体管的寿命不低于 10a （10年）换算成最恶劣的情况下的寿命，应该除以经验因子50，也就是说最恶劣情况下的寿命应该不小于510/50=0.2a=3.15E7 s 。

2. 2热载流子效应的失效现象对于MOSFET金氧半场效晶体管）及其IC （集成电路），在高温偏置条件下工作时,有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（ 200〜250 °C）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变 化这就是热载流子效应所造成的失效现象2. 2.1雪崩倍增效应在小尺寸MOSFE中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFE工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽） ，其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强这时，通过 夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时 这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应 6222阈值电压漂移由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量 次级的电子-空穴对一一次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形 成输出源-漏电流（IDS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（Isub），如图 1所示通过测量Isub就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。

若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些 热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被 陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电 路性能的变化对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被 氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原 来无热载流子的状态据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效2.2.3 MOSFE■性能的退化沟道中有一小部分具有足够高能量的热载流子可以越过 Si/SiO2界面的势垒（电子势垒高度Eb约为3.2eV，空穴的约为4.9eV）而注入到栅SiO2层中，并多数形成了栅极电 流IG虽然此栅极电流很小，但是它所造成的后果却很严重，因为热电子注入到栅 SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，经过一段时间的电荷积累即会使得器件性能发生退化（阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿） ，这将危及到小尺寸MOSFE及其VLSI的可靠性可见，MOS器件性能的退化主要是与较小的栅极电流 IG有关， 而与比它大几个数量级的衬底电流Isub无关6。

图2 n-MOSFET勺热电子效应2.2.4寄生晶体管效应当有较大的Isub流过衬底(衬底电阻为 Rsub)时将产生电压降(Isub x Rsub),这会 使源-衬底的n+-p结正偏(因为源极通常是接地的)，从而形成一个“源-衬底-漏”的寄生 n+-p-n+晶体管；这个寄生晶体管与原来的 MOSFE相并联而构成一个复合结构的器件， 这种复合结构往往是导致短沟道 MOSFE发生源-漏击穿的原因，并且还会使伏安特性曲线出现回 滞现象，在CMO电路中还将会导致闩锁效应为了提高短沟道 MOSFE的源-漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有关的寄生晶体管起作用 因此，就需要减小衬底电阻Rsub,以使得乘积(Isub x Rsub)<0.6V，这样一来寄生晶体管就不能导通工作了这就是寄生晶体管效应2.3热载流子注入对MOS吉构C-V和I-V特性的影响由于热载流子效应的存在，严重影响了 MOS集成电路集成度及电路和器件的长期可靠 性，根据热载流子效应对 MOS吉构的影响，讨论C-V和I-V特性曲性畸变2.3.1热载流子注入对MOS吉构C-V特性的影响图3和图4给出了 SiO2厚度为40nm的n型和p型结构加电应力后的C-V特性曲线和平带电压的变化。

图3示出n型样品加正偏压后的C-V特性畸变和正漂，图4示出了 n型和p型样品平带电压的漂移7图32.3.2热载流子注入对MOS吉构I-V特性的影响8热载流子注入引起的SiO2漏电，宁 等提出了既考虑势垒降低，有考虑隧道发射的“幸运电子”模型而如图5,热载流子效应对I-V特性的影响可以看出恒定电压下，栅电流随着时间的增加而减小已经知道，从硅注入到SiO2流的栅电极的热电子形成的电流与SiQ-Si界面处导电的电子密度成正比9因此，由于热载流子效应导致电荷陷落，必然引起Si- SiQ界面处的载流子密度的减小，如图 6所示因此，栅电流的减小也服从电荷陷-9 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响-10 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响落的tn指数关系3- nSiEWffi务应力皿4¥4. 口m-# -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响] ~io~S3~56~40So~85~Tol/min图6MOS!容栅电流随时间的变化关系-# -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响-# -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响图5电荷陷落的物理模型图7界面态产生的物理模型-# -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响3提高抗热载流子效应的措施3.1影响热载流子效应的主要因素3.1.1器件的物理几何结构器件的物理几何结构在短沟道器件中，为避免短沟道效应，总是取相当高的衬底掺杂 浓度，而较高的衬底掺杂浓度，将导致较高的沟道电场，加剧载流子效应。

漏区结越深， 曲率半径越小，漏结附近电场增强，热载流子效应愈加明显3.1.2横向电场的加横向电场增加热载流子注入效率 MOS器件在使用时，若超过额定值的功率源电压，将 会增加横向电场，从而加快电子或空穴进入栅介质的注入效率栅尺寸缩小，也将产生高 的氧化层电场，从而加剧了载流注入效率3.1.3陷阱密度与俘获截面栅氧化层中俘获载流子数量，取决于陷阱密度和俘获截面在氧化时，水的存在产生 了与0H有关的陷阱，这种陷阱在水汽生长的氧化层中比较普遍在 VLSI的制造中，不少工艺将会引起辐射损伤或软 X射线损伤如X射线曝光、电子束曝光、等离子刻蚀、反应 离子溅射、离子注入等均会在 Si02层中或Si-Si02界面产生缺陷因此，VLSI比普通方 法制造器件更易产生热载流子效应3.2提高抗热载流子效应的措施热载流子效应无疑是由强电场引起的，降低工作电压可以缓解反之，在电路设计中 不适当地使用升压电路，或使电路在过高的电压下工作将是有害的在工作电压确定时， 减小热载流子注入效应的办法如下：在超大规模集成电路中，为达到高速度和高集成度， 设计时采用减小沟通道长度、减薄氧化层厚度以及相应增加了掺杂浓度，这些综合结果有 助于产生和注入热载流子。

四种方法如下：（一） 小漏结附近的电场，因此减少了热载流子发射的可能性（二） 改善栅氧化层质量，采用完美的干法氧化工艺，降低热载流子陷阱密度和俘获截面， 以减小在栅氧层中的载流子注入对器件性能的影响三） 在电路和版画设计上采取适当措施，如采用钳位器件或适当增大宽长比等（四） 采用一些新结构如低掺杂漏（LDD, LightlyDopedDrain）结构等LDD结构可以提 高击穿电压，减少碰撞电离因此，也减少了热电子发射 LDD结构如图8示图8，把 —个个窄的、自对准的『区加到沟道与旷源漏扩散区之间，它把夹断区的高电场扩展到『区, 这就允许增加电流电压、减小沟道长，以达到提高性能的目的11 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响-12 -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响AA0.1 03 45 0,7 0,9距离(pm)图8 LDD结构图9不同器件结构热载流子引起Vth的变化-# -综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响三结论随着微电子技术的迅速发展，随着MOS器件尺寸不断缩小，M0器件特征尺寸不断按比 例缩小,导致热载流子效应日益严重，由热载流子效应导致的损伤变得越来越严重，已成 为影响器件性能的主要失效机制之一。

近年来,MOS器件热载流子效应的研究已成为 MOST 靠性研究重要课题.本总数讨论了热载流子效应对器件的影响 ，研究引起器件退化的特性和物理机制等可靠性问题，并进行了分析器件内沟道电场和电流密度激增，高电场使得 热载流子(Hot Carrier) 的形成几率大大增加这些热载流子具有相当高的能量，可以克 服Si-SiO2界面势垒进入栅氧化层，诱生大量的界面态，导致器件性能退化 本综述阐述了载流子及热载流子的概念、产生机理、衬底电流的形成、器件性能退化的饱和特性及温度特性等器件直流输出特性的退化是热载流子效应的直接体现， 本文通过SiO2-Si界面模型分析了界面态的产生机理及其与器件直流输出特性退化之间的关系结果表明漏电 流退化随器件工作区域不同而有所改变，同时直流输出特性的退化也表现出随应力时间的 增长趋于饱和，这将为预测热载流子引起的器件特性退化提供参考四主要参考文献1.&4.来自百度百科2. 陈治明，王建农.《导体器件的材料物理学基础》.北京：科学出版社，1999年5月3. 章晓文 恩云飞 林晓玲.《环境温度对热载流子注入效应的影响》 .广州：中国电子学会第十四届青年学术年会，20085. 王文博，宋李梅，王晓慧，杜 寰，孙贵鹏•《N-LDMOS热载流子注入效应的分析和 优化》.北京：电子器件杂志，20076. Xie M. X. 《微电子器件与IC的可靠性与失效分析》.成都：UESTC 20107. 赵策洲 董建荣 张德胜 史保华•《固体电子学研究与进展》.西安：西电子科技大学 微电子研究所，1993.8.238. NingT H.Berlund C N.J Appl Phys,1997:48(1):286-2939. Verwey J F ,Kramer R P,de Maagt B J,J Appl Phys,1975:46(6):2 612-2 61910. 姚立真.《可靠性物理》.北京：电子工业出版社，2004-13 -。