5.7. Влияние горячих носителей на срок службы мопт

Проблема предсказания процессов деградации от горячих носителей состоит в том, что эти процессы очень медленные. Для ускорения эксперимента необходимо максимизировать скорость деградации. Проблема в том, что измерять скорость деградации сложно, но можно легко измерять ток подложки. Хотя ток подложки не влияет впрямую на деградацию, но он является ее индикатором.

Энергия ударной ионизации составляет ~ 1,4эВ,поэтому ток подложки из-за ударной ионизации можно оценить по формуле для удачливых носителей

, (5.7.1)

где - длина пробега по энергии в кремнии (~7-8 нм), Е_т - максимальное значение электрического поля в канале, С - эмпирическая константа.

Энергия активации для заброса электронов в зону проводимости окисла ~ 3,1 эВ, поэтому ток в затвор можно оценить с помощьютакого же подхода, как и в (5.7.1):

. (5.7.2)

Конечно же, из-за большего значения энергетического барьера активационный ток затвора на несколько порядков ниже, чем ток подложки. Обычно затворный ток оказывается меньше, чем 10^-11... 10^-12А, так что его трудно измерить.

Скорость деградации транзистора в сильных полях – это скорость генерации дефектов на границе раздела Si-SiО₂ (поверхностных состояний). Энергия активации для процесса генерации дефектов на границе раздела окисла ~ 4...5 эВ. Тогда скорость генерации поверхностных состояний G_it будет степенным образом зависеть от тока подложки

(5.7.3)

Отказ (обычно параметрический, а не функциональный) наступает, когда количество поверхностных состояний достигает некоторого критического значения Q_ITcrit. Тогда срок службы МОПТ за счет деградации горячими носителями Т_НСЕ можно оценить с помощью полуэмпирического выражения с некоторой эмпирической константой С

(5.7.4)

В статическом режиме ток в КМОП схемах практически не течет, поэтому нет никаких эффектов горячих носителей. Деградация имеет место только в момент переключения, когда через структуру течет ток и в каналах обоих транзисторов создаются большие электрические поля.

Эффекты горячих носителей по-разному проявляют себя в каналах разного типа:

(1) Эти эффекты заметно сильнее выражены в n-канальных МОПТ по сравнению с p-канальными МОПТ, что обусловлено разной величиной подвижности в канале.

2. Для транзисторов обоих типов эффекты горячих носителей чаще всего приводят к отрицательной зарядке окисла. Поэтому пороговое напряжение смещается в сторону более положительных значений. Для n-канальных приборов это уменьшает ток, а для p-канальных – увеличивает.

3. Для приборов с нанометровыми длинами затвора наблюдается также инжекция дырок в окисел, что может привести к сдвигу порога в положительную сторону и уменьшению тока стока.

Технологическими методами борьбы с горячими носителями и увеличения срока службы транзистора являются:

1) использование подзатворных изоляторов, более устойчивых к возникновению дефектов (> 3) – нитридизация окислакремния, оксинитриды SiO_xN_1-x;

2) использование низколегированных стоков (LDD) для снижения максимальных значений электрических полей в канале транзистора;

3) уменьшение интенсивности инжекции горячих носителей в окисел путем смещения положения максимума скорости ударной ионизации (максимума плотности тока канала) вглубь кремния;

4) уменьшение скорости генерации горячих носителей путем разделения положения максимума напряженности электрического поля и максимума плотности тока;

5) обеспечение положения максимума напряженности латерального электрического поля в области, перекрытой затвором.

Выполнение пунктов 3-5 в частности достигается за счет наклонной ионной имплантации halo- или pocket-областей.

Эффекты горячих носителей в наноразмерных МОПТ выражены слабее по следующим причинам:

1. снижение напряжения питания приводит к тому, что скорость инжекции носителей в окисел и создания дефектов также уменьшается из-за недостаточности энергии носителей;

2. очень малая толщина подзатворного изолятора приводит к тому, что вероятность дефектообразования уменьшается;

3. с другой стороны, в наноразмерных транзисторах даже несколько дефектов могут являться причиной заметной деградации прибора.