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

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综述报告-热载流子效应及其对器件特性的影响

目录

一 绪论————————————————————————————————3 二 正文主题——————————————————————————————4 1 热载流子与热载流子注入效应—————————————————————4 1.1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———————————————6 2.1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 MOSFET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结构C-V和I-V特性的影响 2.3.1热载流子注入对MOS结构C-V特性的影响 2.3.2热载流子注入对MOS结构I-V特性的影响

3 提高抗热载流子效应的措施——————————————————————10 3.1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

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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。

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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。

在半导体中载运电流的带电粒子——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n0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漏端的大沟道电场，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

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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SiO2一Si势垒(3．2eV)便会注入到SiO2中去，当能量等于或大于4．2eV时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α来表示，α与电场E有指数关系：α = 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-SiO2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-SiO2

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图1 硅氧反应式

从这个反应式知Si-SiO2界面态和SiO2中正电荷的形成。

在MOS结构的制备过程中，无论有无氢退火工艺，无论是HCl气氛中生成的SiO2，还

-Si系统中，都会存在?Si—OH键，?Si—O—Si?键和是干湿干工艺生长的SiO2，在SiO2?Si—Si?键。因此，热载流子注入SiO2-Si系统后，就会发生下列反应：

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/hmuh.html