Эффекты горячих электронов

Эффектов горячих электронов в короткоканальных МОП-транзисторах значительно бóльше, чем короткоканальных, но далеко не все они оказывают существенное влияние на деградацию характеристик МОП-транзистора. Все эти эффекты обусловлены тем, что напряженность продольной составляющей электрического поля в канале транзистора определяется величиной , где — длина дрейфовой части канала. С уменьшением естественно уменьшается и , причем уменьшается и соотношение между ними, как показано на рис. 5. Например, согласно данным этого рисунка для = 0,1 мкм ≈ 0,035 мкм. Возникающее в канале поле столь велико, что электроны при своем дрейфе от истока к стоку приобретают большую энергию. Например, при = 0,2 мкм и = 2 В, средняя энергия электронов у стока превышает 1эВ, т.е. практически каждый носитель заряда у стокового конца канала в состоянии осуществить акт ударной ионизации и породить пару вторичных носителей электрон-дырка.

N_A = 10²⁴ м^–3

Рис. 5. Соотношение между и

Следует особо выделить три эффекта горячих электронов, стремительно ухудшающих способность короткоканального стандартного МОП-транзистора передавать цифровую информацию.

Первый и будет связан с лавинным умножением носителей в результате ударной ионизации, осуществляемой горячими электронами. Теоретическое объяснение закономерностей протекания данного процесса в короткоканальных МОП-транзисторах до конца не дано, однако бесспорно влияние этого эффекта на деградацию ВАХ. На рис. 6 приведено схематическое изображение пробойной ВАХ короткоканального МОП-транзистора. Причиной стремительного роста тока стока при определенном пробойном напряжении стока является совокупное и приблизительно равное действие трех факторов — лавинного умножения носителей, DIBL и нахождение вторичных дырок вблизи канала. Последний фактор является вторым из выделенных трех эффектов горячих электронов.

Рис. 6. Пробойная ВАХ короткоканального МОП-транзистора

Образуемые при ударной ионизации вторичные дырки оказывают серьезное влияние на характеристики МОП-транзистора. При малом коэффициенте умножения α не более 0,1 (т.е. на 10 инверсных электронов, формирующих ток стока, образуется не более 1 дырки, рожденной в процессе ударной ионизации) дырочным влиянием можно пренебречь. Однако при более высоких значениях α дырочный ток, собираемый подложкой, не говоря уже о дырках, аккумулируемых переходом истока, создает вблизи канала (точнее обедненной области, формирующей ) дополнительное напряжение . Это напряжение как бы забирает на себя часть , в результате чего бóльшая часть начинает тратиться на формирование инверсного заряда , и величина последнего заметно вырастает. Следовательно будет расти и ток. С увеличением концентрации вторичных дырок также будет увеличиваться и концентрация дополнительно инжектируемых из истока в канал электронов и еще бóльше расти ток стока. Фактически физика проявления этого эффекта аналогична физике проявления третьего из рассмотренных в предыдущем параграфе короткоканальных эффектов.

Третий эффект горячих электронов, вызывающий существенную деградацию характеристик, обусловлен инжекцией последних в подзатворный окисел. Величина барьера на границе Si/SiO₂ изменяется от 3,2 эВ у истока до 2,5 эВ у стока. Горячие электроны, находящиеся у конкретной точки границы Si/SiO₂ и имеющие энергию выше величины барьера в этой точке, могут проникнуть в окисел. В окисле вследствие падения части всегда существует электрическое поле с высокой напряженностью, уводящее горячие электроны на затвор, однако по причине наличия в окисле ловушек, способных захватить электроны, часть их остается на ловушках и таким образом приводит к зарядке окисла отрицательным напряжением. Это напряжение заметно уменьшает величину , а значит и увеличивает пороговое напряжение.

Теоретически изменение порогового напряжения при инжекции горячих электронов в окисел можно описать с помощью следующих соотношений:

,

где – захваченный ловушками окисла суммарный заряд электронов; – удельная емкость окисла; ; – плотность тока зарядки окисла; – время зарядки окисла, т.е. время, в течение которого горячие электроны инжектируются в окисел (например, просто время работы МОП-транзистора под напряжением ).

Таким образом, как можно видеть, все эффекты горячих электронов обусловлены разогревом электронов электрическим полем стока высокой напряженности. Подавление этих эффектов требует непременного снижения этой напряженности в канале транзистора. Приемы увеличения длины канала и уменьшения напряжения стока, очевидно, неприемлемы. Первое при миниатюризации обязано уменьшаться, второе меньше величины порогового напряжения подавления воздействия шумов (около 1 В) опускаться не должно. Следовательно нужен поиск конструктивных приемов создания активных областей транзистора, для которых при малой длине канала и постоянном напряжении стока не наблюдался бы значительный рост напряженности электрического поля.

МОП-транзисторы с тонкими подзатворными окислами и длиной канала