Негативное влияние эффектов «горячих» носителей в полевых транзисторах



Миниатюризация микроэлектронных устройств, подчиняющаяся закону Мура последние десятилетия, привела к снижению размеров современных микроэлектронных устройств (МУ). Помимо снижения физических размеров, процесс миниатюризации (скейлинга) привел к снижению таких параметров МУ как оперативное напряжение (напряжение питания), потребляемая мощность, а также увеличению степени интеграции, быстродействия и выходных характеристик МУ. Однако, не смотря на снижение напряжения питания и потребляемой мощности, в современных МУ, проблема эффектов горячих носителей по-прежнему занимает одну из ключевых позиций в деградации приборных характеристик и, как следствие, в определении надежности МУ.

Как показывают исследования, одной из основных причин наступления параметрического отказа полевых транзисторов является деградация приборных характеристик, вызванная образованием поверхностных состояний на границе раздела полупроводник/диэлектрик. Данные поверхностные состояния в основном образуются из-за обрыва Si-H связей вследствие влияния носителей заряда. Данный феномен широко известен под названием инжекция «горячих» носителей и ему посвящено большое количество работ.

1. Эффекты «горячих» носителей вполевых транзисторах

Как известно, при нормальной работе полевого транзистора, в момент подачи напряжения оперативного питания (момент переключения) резко возрастает электрическое поле в канале, благодаря которому, электроны могут приобрести энергию, достаточную для преодоления энергетического барьера Si/SiO₂.

Во время работы полевого транзистора, если напряжение на затворе сопоставимо или ниже, чем напряжение на стоке V_DS, инверсный слой гораздо сильнее со стороны истока, чем со стороны стока и падение напряжения в токовом канале сосредоточено в области стока (если V_D > V_S). Поле в этой области может быть настолько высоким, что носители могут получить достаточно энергии между двумя актами рассеяния, чтобы стать «горячими» носителями. Большинство из этих носителей продолжат путь к стоку, но некоторые из них получат достаточно энергии, для генерации электронов и дырок ударной ионизацией [1].

Некоторые из «горячих» носителей с достаточной энергией (примерно 3.2 эВ для электронов и 4.7 эВ для дырок) могут преодолеть энергетический барьер на границе раздела Si-SiO₂ и инжектироваться в окисел, с малым током затвора (I_G). Некоторые инжектированные носители могут разрушить Si-H или похожие слабые связи в окисле или на границе раздела Si-SiO₂. Если инжекция горячих носителей будет происходить достаточно долго, то захват заряда или генерация дефектов будет постоянно изменять электрическое поле на границе Si-SiO₂ и, следовательно, электрические характеристики полевого транзистора [1].

Почти все эффекты, связанные с горячими носителями, инициируются продольной составляющей сильного электрического поля E_m вблизи стокового pn-перехода. Величина E_m определяется в основном следующими конструктивно-технологическими и электрическими параметрами:

– длиной канала L_с;

– протяженностью участка перекрытия области стока затвором L_ov;

– толщиной подзатворного окисного слоя T_ox;

– глубиной залегания pn-перехода области стока X_j;

– концентрацией легирующей примеси в подложке N_sub;

– концентрацией легирующей примеси в области стока N_d;

– напряжением смещения стока относительно истока V_d;

– напряжением смещения затвора относительно истока V_g;

– напряжением смещения подложки относительно истока V_sub.

Деградация приборных характеристик может быть прослежена и оценена путем мониторинга I_sub, а также I_coll (эмиссия фотонов), поскольку инжекция горячих носителей в подзатворный окисный слой (I_g) и повреждение границы раздела Si/SiO₂ (ΔD_it) обусловлены E_m [2].

Таким образом, большинство эффектов горячих, вызванных увеличением электрического поля в канале, приводят либо к деградации приборных характеристик, либо к инжекции горячих носителей в подзатворный окисле с последующим образованием дефектов на границе раздела Si\SiO₂ и, как следствие, снижению надежности и срока службы.

2. Механизмы инжекции «горячих» носителей

В работе [1] авторы описывают три основных вида инжекции горячих носителей:

1. Инжекция горячих электронов из канала (Channel hot electron injection (CHE)).
2. Лавинная инжекция горячих носителей на стоке (Drain avalanche hot carrier (DAHC) injection).
3. Вторичнаягенерациягорячихэлектронов (Secondary generated hot electron (SGHE) injection).

Процесс CHE инжекции схематично показан на рисунке 1 а). Здесь CHE инжекция возникает, когда напряжение на затворе (V_G) сопоставимо с напряжением на стоке (V_D). Ток затвора (I_G) первоначально растет с ростом V_G, достигает максимума, когда V_G примерно равно потенциалу сток-исток V_DS, и после этого падает [1].

DAHC процесс инжекции (рисунок 1 б)) обычно возникает, когда V_D превышает V_G. Этот механизм в первую очередь зависит от лавинного процесса ударной ионизации, создающей носители. В случае высокого напряжения смещения на подложке, дополнительные вторичные горячие электроны, сгенерированные из более глубоких областей кремниевой подложки, также могут быть инжектированы в окисел [1].

Вторичная ударная ионизация от горячих дырок и процессы фото — индукционной генерации являются вторичными. Эксперименты показывают, что причиной процессов фото — индукционной генерации, считается тормозное излучение, а не вторичная ударная ионизация, что более вероятно для SGHE (рисунок 1 в)) [1].

а) б)

в)

Рис. 1 Механизмы инжекции: а) инжекция горячих электронов из канала; б) лавинная инжекция горячих носителей на стоке; в) вторичная генерация горячих электронов

3. Концепция «удачливых» электронов для моделирования деградации, вызванной инжекцией «горячих» носителей

В электрическом поле вдоль канала транзистора электроны набирают энергию и передают ее фононам, что соответствует переходу электрической энергии в тепло. В сильном электрическом поле повышается не только средняя кинетическая энергия колебаний атомов решетки T_L, но еще в большей степени и температура электронов T_e. Тем не менее, проблему представляет не большинство электронов, обладающее средней энергией, а та небольшая доля электронов, сумевших получить аномально большую (по сравнению со средней) кинетическую энергию. Именно такие электроны могут вызывать процессы ударной ионизации, инжекции в окисел и дефектообразования. Доля носителей с энергией, превышающей ε_th ~ 1.5 эВ в случае равновесного максвелловского распределения ничтожна. В сильном поле распределение электронов по энергии становится сильно анизотропным, т. е. в распределении появляется выраженный «хвост» высокоэнергетических электронов. Вклад в ударную ионизацию вносят только электроны из высокоэнергетического «хвоста» распределения. Формирование этого «хвоста» носит стохастический характер. Для приближенного количественного описания роли горячих носителей до сих пор важную роль играет введенная Шокли концепция «удачливых» носителей, т. е. носителей, избежавших столкновений с потерей энергии до того, как они успели набрать в электрическом поле заданную энергию [3].

В основе данной концепции, вероятность достижения электронов из канала электрода затвора представлена как сочетание вероятностей следующих событий:

1. Электрон приобретает достаточную энергию в латеральном электрическом поле, чтобы преодолеть поверхностный потенциальный барьер и сохраняют эту энергию после столкновения, направляя свой импульс к поверхности раздела;
2. Электрон достигает поверхности не испытывая больше столкновений;
3. Электрон не рассеивается обратно в полупроводник, в силе отражения потенциальной ямы, расположенной вблизи поверхности раздела [4].

Концепция «удачливых» электронов имеет два основных ограничения:

а) деградация от горячих носителей относится к локальным полям (E_L), пренебрегая таким образом пространством и временем задержки носителей в достижении локального равновесия с полем;

б) поскольку потенциальная энергия — единственный источник энергии для носителей, максимально достижимая энергия ограничена qV_TOT где V_TOT — общее падение напряжения в связи с носителями. Таким образом, данная концепция не прогнозирует деградацию от горячих носителей при напряжениях меньших, чем пороговая энергия [1].

Несмотря на возражения против этой концепции в некоторых исследованиях, она остается наиболее широко используемой, для оценки инжекционных токов, благодаря своей простоте и обоснованным совпадениям с экспериментальными результатами.

На основании концепции «удачливых» электронов разработан ряд моделей, описывающих как процесс деградации приборных характеристик, вследствие инжекции горячих носителей, так и прогнозирование срока службы. Однако, данные модели позволяют дать прогноз лишь для полевых транзисторов с длинным каналом и высоким напряжением питания.

Согласно этим моделям, деградация приборных характеристик полевых транзисторов с высоким напряжением питания, возможна при наличии высокой напряженности латерального электрического поля в канале. Исходя из этого, деградация должна пропадать или сводится к минимуму в наноразмерных полевых транзисторах с низким напряжением питания и малым значением напряженности латерального электрического поля в канале. Однако, как показывает практика, несмотря на снижение геометрических размеров и питающего напряжения и, как следствие, напряженности латерального электрического поля, деградация приборных характеристик в наноразмерных полевых транзисторах не исчезает, а наоборот становится более значимой. В электронных устройствах, основанных на наноразмерных полевых транзисторах, деградация может вызвать более ранние (в сравнении с полевыми транзисторами микронных размеров) параметрические отказы, а также выступать в качестве причины возникновения катастрофических отказов.

Наличие деградации приборных характеристик, вызванной эффектами «горячих» носителей, в наноразмерных полевых транзисторах говорит о появлении новых физических механизмов, отвечающих за данный процесс.

Очевидно, что ввиду появления новых физических механизмов, модели прогнозирования деградации и, как следствие, надежности, разработанные для полевых транзисторов микронных размеров, могут давать существенные погрешности и/или ложные прогнозы, что является серьезной проблемой надежности электронных устройств, основанных на наноразмерных полевых транзисторах.

4. Выводы

Эффекты горячих носителей могут приводить к деградации приборных характеристик и образованию дефектов на границе раздела Si/SiO₂. Основными видами инжекции горячих носителей являются:

– Инжекция горячих электронов из канала;

– Лавинная инжекция горячих носителей на стоке;

– Вторичная генерация горячих электронов.

Для создания моделей, описывающих деградацию приборных характеристик и прогнозирование срока службы, в большинстве случаев используется концепция «удачливых» электронов.

Большинство этих моделей разработаны и подтверждены экспериментально для полевых транзисторов с длинным каналом, что делает их менее пригодными, для применения к современным наноразмерным полевым тарнзисторам.

Изучение физических механизмов деградации приборных характеристик, вызванной эффектами «горячих» носителей в наноразмерных полевых транзисторах является актуальной на сегодняшний день задачей. Решение данной задачи необходимо для построения новых физических моделей прогнозирования деградации, с целью улучшения надежности современных электронных устройств, основанных на наноразмерных полевых транзисторах.

Литература:

1. White M. Physics-of-Failure Based Modeling and Lifetime Evaluation/ M. White, J. B. Bernstein// California Institute of Technology. — 2008. — P. 210.
2. Красников Г. Я. Конструктивно-технологические особенности субмикронных МОП-транзисторов/ Г. Я. Красников. — 2-е изд. исправленное. — М.: Техносфера, 2011. — 800 с.
3. Зебрев Г. И. Физические основы кремниевой наноэлектроники: учебное пособие/ Г. И. Зебрев. — М.: МИФИ, 2008. — 288 с.
4. Prabhakar M. Characterization and modeling of hot carrier degradation in sub-micron n-MOSFETs/ M. Prabhakar// Master’s thesis, Nashville, Tennessee. — 2002. — P. 60.