Впрыск горячего носителя

Горячая инжекция носителей ( HCI ) — это явление в твердотельных электронных устройствах, когда электрон или « дырка » приобретает достаточную кинетическую энергию для преодоления потенциального барьера, необходимого для разрыва состояния интерфейса. Термин «горячий» относится к эффективной температуре, используемой для моделирования плотности носителей, а не к общей температуре устройства. Поскольку носители заряда могут оказаться запертыми в диэлектрике затвора МОП- транзистора , характеристики переключения транзистора могут быть изменены навсегда. Горячая инжекция носителей — один из механизмов , который отрицательно влияет на надежность полупроводников твердотельных устройств. [1]

Физика

Термин «инжекция горячих носителей» обычно относится к эффекту в МОП-транзисторах , где носитель инжектируется из проводящего канала в кремниевой подложке в диэлектрик затвора , который обычно изготовлен из диоксида кремния (SiO2 ) .

Чтобы стать «горячим» и войти в зону проводимости SiO 2 , электрон должен получить кинетическую энергию ~3,2  эВ . Для дырок смещение валентной зоны в этом случае диктует, что они должны иметь кинетическую энергию 4,6 эВ. Термин «горячий электрон» происходит от термина эффективной температуры, используемого при моделировании плотности носителей (т. е. с функцией Ферми-Дирака), и не относится к объемной температуре полупроводника (который может быть физически холодным, хотя чем он теплее, тем больше популяция горячих электронов будет содержаться в нем при прочих равных условиях).

Термин «горячий электрон» был первоначально введен для описания неравновесных электронов (или дырок) в полупроводниках. [2] В более широком смысле этот термин описывает распределение электронов, описываемое функцией Ферми , но с повышенной эффективной температурой. Эта большая энергия влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, на то, как они перемещаются через полупроводниковое устройство. [3]

Горячие электроны могут туннелировать из полупроводникового материала, вместо того, чтобы рекомбинировать с дыркой или проходить через материал к коллектору. Последующие эффекты включают увеличение тока утечки и возможное повреждение диэлектрического материала оболочки, если горячий носитель нарушает атомную структуру диэлектрика.

Горячие электроны могут быть созданы, когда высокоэнергетический фотон электромагнитного излучения (например, света) ударяется о полупроводник. Энергия от фотона может быть передана электрону, возбуждая электрон из валентной зоны и образуя пару электрон-дырка. Если электрон получает достаточно энергии, чтобы покинуть валентную зону и превзойти зону проводимости, он становится горячим электроном. Такие электроны характеризуются высокими эффективными температурами. Из-за высоких эффективных температур горячие электроны очень подвижны и, вероятно, покинут полупроводник и переместятся в другие окружающие материалы.

В некоторых полупроводниковых устройствах энергия, рассеиваемая горячими электронными фононами, представляет собой неэффективность, поскольку энергия теряется в виде тепла. Например, некоторые солнечные элементы полагаются на фотоэлектрические свойства полупроводников для преобразования света в электричество. В таких элементах эффект горячих электронов является причиной того, что часть световой энергии теряется в виде тепла, а не преобразуется в электричество. [4]

Горячие электроны возникают обычно при низких температурах даже в вырожденных полупроводниках или металлах. [5] Существует ряд моделей для описания эффекта горячих электронов. [6] Самая простая из них предсказывает электрон-фононное (ep) взаимодействие на основе чистой трехмерной модели свободных электронов. [7] [8] Модели эффекта горячих электронов иллюстрируют корреляцию между рассеиваемой мощностью, температурой электронного газа и перегревом.

Воздействие на транзисторы

В МОП-транзисторах горячие электроны обладают достаточной энергией, чтобы туннелировать через тонкий оксид затвора, чтобы проявиться как ток затвора или как ток утечки подложки. В МОП-транзисторе, когда затвор положительный, а переключатель включен, устройство спроектировано с намерением, чтобы электроны текли вбок через проводящий канал, от источника к стоку. Горячие электроны могут выпрыгивать из области канала или из стока, например, и попадать в затвор или подложку. Эти горячие электроны не вносят вклад в величину тока, протекающего через канал, как предполагалось, а вместо этого являются током утечки.

Попытки исправить или компенсировать эффект горячих электронов в МОП-транзисторе могут включать размещение диода в обратном смещении на выводе затвора или другие манипуляции с устройством (например, слаболегированные стоки или дважды легированные стоки).

Когда электроны ускоряются в канале, они получают энергию вдоль средней длины свободного пробега. Эта энергия теряется двумя различными способами:

  1. Носитель сталкивается с атомом в подложке. Затем столкновение создает холодный носитель и дополнительную пару электрон-дырка. В случае nMOS-транзисторов дополнительные электроны собираются каналом, а дополнительные дырки эвакуируются подложкой.
  2. Носитель сталкивается со связью Si-H и разрывает ее. Создается состояние интерфейса, и атом водорода высвобождается в подложке.

Вероятность столкновения с атомом или связью Si-H случайна, а средняя энергия, участвующая в каждом процессе, одинакова в обоих случаях.

Вот почему ток подложки контролируется во время стресса HCI. Высокий ток подложки означает большое количество созданных пар электрон-дырка и, таким образом, эффективный механизм разрыва связи Si-H.

При создании состояний интерфейса пороговое напряжение изменяется, а подпороговый наклон ухудшается. Это приводит к снижению тока и ухудшает рабочую частоту интегральной схемы.

Масштабирование

Достижения в области технологий производства полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) привели к тому, что соответствующие полевые транзисторы со структурой металл-оксид-полупроводник (МОП-транзисторы) стали масштабироваться до меньших размеров.

Однако пропорционально масштабировать напряжение питания, используемое для работы этих ИС, не представлялось возможным из-за таких факторов, как совместимость со схемами предыдущего поколения, запас по шуму , требования к питанию и задержке, а также немасштабируемость порогового напряжения , подпороговый наклон и паразитная емкость .

В результате внутренние электрические поля увеличиваются в агрессивно масштабируемых МОП-транзисторах, что дает дополнительное преимущество в виде увеличения скорости носителей (вплоть до насыщения скорости ) и, следовательно, увеличения скорости переключения [9], но также представляет собой серьезную проблему надежности для долгосрочной эксплуатации этих устройств, поскольку сильные поля вызывают инжекцию горячих носителей, что влияет на надежность устройства.

Большие электрические поля в МОП-транзисторах подразумевают наличие высокоэнергетических носителей, называемых « горячими носителями ». Эти горячие носители имеют достаточно высокую энергию и импульс, что позволяет им инжектироваться из полупроводника в окружающие диэлектрические пленки, такие как оксиды затвора и боковых стенок, а также скрытый оксид в случае МОП-транзисторов типа «кремний на изоляторе » (SOI) .

Влияние на надежность

Присутствие таких подвижных носителей в оксидах запускает многочисленные процессы физического повреждения, которые могут радикально изменить характеристики устройства в течение длительного времени. Накопление повреждений может в конечном итоге привести к отказу схемы, поскольку ключевые параметры, такие как пороговое напряжение, смещаются из-за такого повреждения. Накопление повреждений, приводящее к ухудшению поведения устройства из-за впрыска горячих носителей, называется « деградацией горячих носителей ».

Таким образом, срок службы схем и интегральных схем на основе такого МОП-устройства зависит от срока службы самого МОП-устройства. Чтобы гарантировать, что интегральные схемы, изготовленные с использованием устройств с минимальной геометрией, не будут иметь ухудшенного срока службы, срок службы компонентов МОП-устройств должен быть хорошо изучен с точки зрения деградации HCI. Неспособность точно охарактеризовать эффекты срока службы HCI может в конечном итоге повлиять на бизнес-расходы, такие как расходы на гарантию и поддержку, а также повлиять на маркетинговые и торговые обещания для литейного производства или производителя ИС.

Связь с радиационным воздействием

Деградация горячих носителей заряда по сути аналогична эффекту ионизирующего излучения , известному как повреждение полупроводников от полной дозы , которое наблюдается в космических системах из-за воздействия солнечных протонов , электронов, рентгеновского и гамма-излучения .

Ячейки флэш-памяти HCI и NOR

HCI является основой работы ряда энергонезависимых технологий памяти, таких как ячейки EPROM . Как только было признано потенциальное пагубное влияние инъекции HC на надежность схемы, было разработано несколько стратегий изготовления, чтобы уменьшить его без ущерба для производительности схемы.

Флэш-память NOR использует принцип горячей инжекции носителей путем преднамеренной инжекции носителей через оксид затвора для зарядки плавающего затвора . Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора, представляя состояние логического «0» . Незаряженный плавающий затвор представляет состояние «1». Стирание ячейки флэш-памяти NOR удаляет сохраненный заряд посредством процесса туннелирования Фаулера-Нордгейма .

Из-за повреждения оксида, вызванного нормальной работой NOR Flash, повреждение HCI является одним из факторов, которые ограничивают количество циклов записи-стирания. Поскольку способность удерживать заряд и образование ловушек повреждений в оксиде влияет на способность иметь отдельные состояния заряда «1» и «0», повреждение HCI приводит к закрытию окна логики энергонезависимой памяти с течением времени. Количество циклов записи-стирания, при которых «1» и «0» больше не могут быть различимы, определяет выносливость энергонезависимой памяти.

Смотрите также

Ссылки

  1. ^ Keane, John; Kim, Chris H (25 апреля 2011 г.). «Старение транзисторов». IEEE Spectrum . Получено 21 июня 2020 г.
  2. ^ Конвелл, Э.М., Транспорт высоких полей в полупроводниках, Приложение к журналу «Физика твердого тела», 9 (Academic Press, Нью-Йорк, 1967).
  3. ^ "Эффект горячих электронов в сверхпроводниках и его применение в датчиках излучения" (PDF) . Обзор LLE . 87 : 134.
  4. ^ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, BA; Norris, DJ; Aydil, ES; Zhu, X.-Y. (2010). «Перенос горячих электронов из полупроводниковых нанокристаллов». Science . 328 (5985): 1543– 7. Bibcode :2010Sci...328.1543T. doi :10.1126/science.1185509. PMID  20558714. S2CID  35169618.
  5. ^ Roukes, M.; Freeman, M.; Germain, R.; Richardson, R.; Ketchen, M. (1985). «Горячие электроны и перенос энергии в металлах при милликельвиновых температурах» (PDF) . Physical Review Letters . 55 (4): 422– 425. Bibcode :1985PhRvL..55..422R. doi :10.1103/PhysRevLett.55.422. PMID  10032346.
  6. ^ Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Vinante, A (2008). "Охлаждающие ребра для ограничения эффекта горячих электронов в dc SQUID" (бесплатная загрузка) . Journal of Physics: Conference Series . 97 (1): 012092. Bibcode : 2008JPhCS..97a2092F. doi : 10.1088/1742-6596/97/1/012092 .
  7. ^ Уэллстуд, Ф.; Урбина, К.; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Physical Review B. 49 ( 9): 5942– 5955. Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W. doi : 10.1103/PhysRevB.49.5942. PMID  10011570.
  8. ^ Qu, S.-X.; Cleland, A.; Geller, M. (2005). "Горячие электроны в низкоразмерных фононных системах". Physical Review B. 72 ( 22): 224301. arXiv : cond-mat/0503379 . Bibcode : 2005PhRvB..72v4301Q. doi : 10.1103/PhysRevB.72.224301. S2CID  15241519.
  9. ^ Ричард К. Дорф (редактор) Справочник по электротехнике , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 страница 578 
  • Статья о горячих носителях на сайте www.siliconfareast.com
  • Международный симпозиум IEEE по физике надежности, основная академическая и техническая конференция по надежности полупроводников, включающая HCI и другие явления надежности
Retrieved from "https://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Hot-carrier_injection&oldid=1237710473"