Впрыск горячего носителя
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( май 2011 г. ) |
Инжекция горячих носителей ( HCI ) — это явление в твердотельных электронных устройствах, когда электрон или « дырка » получают достаточную кинетическую энергию , чтобы преодолеть потенциальный барьер, необходимый для разрушения интерфейсного состояния. Термин «горячий» относится к эффективной температуре, используемой для моделирования плотности носителей, а не к общей температуре устройства. Поскольку носители заряда могут попасть в диэлектрик затвора МОП-транзистора , характеристики переключения транзистора могут навсегда измениться. Инжекция горячих носителей является одним из механизмов , отрицательно влияющих на надежность полупроводников твердотельных приборов. [1]
Физика
[ редактировать ]Термин «инжекция горячих носителей» обычно относится к эффекту в МОП-транзисторах , когда носитель вводится из проводящего канала в кремниевой подложке в диэлектрик затвора , который обычно состоит из диоксида кремния (SiO 2 ).
Чтобы стать «горячим» и войти в зону проводимости SiO 2 , электрон должен набрать кинетическую энергию ~3,2 эВ . Для дырок смещение валентной зоны в этом случае требует, чтобы они имели кинетическую энергию 4,6 эВ. Термин «горячий электрон» происходит от эффективного температурного термина, используемого при моделировании плотности носителей заряда (т. е. с помощью функции Ферми-Дирака), и не относится к объемной температуре полупроводника (который может быть физически холодным, хотя чем он теплее , тем большую популяцию горячих электронов он будет содержать при прочих равных условиях).
Термин «горячий электрон» первоначально был введен для описания неравновесных электронов (или дырок) в полупроводниках. [2] В более широком смысле этот термин описывает распределения электронов, описываемые функцией Ферми , но с повышенной эффективной температурой. Эта большая энергия влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, на то, как они проходят через полупроводниковое устройство. [3]
Горячие электроны могут туннелировать из полупроводникового материала вместо того, чтобы рекомбинировать с дыркой или проводиться через материал к коллектору. Последующие эффекты включают увеличение тока утечки и возможное повреждение материала оболочки диэлектрика, если горячий носитель нарушает атомную структуру диэлектрика.
Горячие электроны могут создаваться, когда высокоэнергетический фотон электромагнитного излучения (например, света) попадает в полупроводник. Энергия 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 выйти за зону проводимости, он становится горячим электроном. Такие электроны характеризуются высокими эффективными температурами. Из-за высоких эффективных температур горячие электроны очень подвижны и могут покинуть полупроводник и попасть в другие окружающие материалы.
В некоторых полупроводниковых устройствах энергия, рассеиваемая фононами горячих электронов , представляет собой неэффективность, поскольку энергия теряется в виде тепла. Например, некоторые солнечные элементы используют фотоэлектрические свойства полупроводников для преобразования света в электричество. В таких ячейках эффект горячих электронов является причиной того, что часть световой энергии теряется в тепло, а не преобразуется в электричество. [4]
Горячие электроны возникают обычно при низких температурах даже в вырожденных полупроводниках или металлах. [5] Существует ряд моделей, описывающих эффект горячих электронов. [6] Самый простой 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.
Влияние на транзисторы
[ редактировать ]В МОП-транзисторах горячие электроны обладают достаточной энергией, чтобы туннелировать через тонкий оксид затвора, проявляясь в виде тока затвора или тока утечки подложки. В МОП-транзисторе, когда затвор положителен и переключатель включен, устройство спроектировано с расчетом на то, что электроны будут течь в поперечном направлении через проводящий канал, от истока к стоку. Горячие электроны могут выскочить, например, из области канала или из стока и попасть в затвор или подложку. Эти горячие электроны не способствуют увеличению тока, протекающего через канал, как предполагалось, а вместо этого представляют собой ток утечки.
Попытки исправить или компенсировать эффект горячих электронов в МОП-транзисторе могут включать размещение диода с обратным смещением на выводе затвора или другие манипуляции с устройством (например, слегка легированные стоки или стоки с двойным легированием).
Когда электроны ускоряются в канале, они получают энергию вдоль длины свободного пробега. Эта энергия теряется двумя разными способами:
- Носитель сталкивается с атомом подложки. Тогда столкновение создает холодный носитель и дополнительную пару электрон-дырка. В случае nMOS-транзисторов дополнительные электроны собираются каналом, а дополнительные дырки эвакуируются подложкой.
- Носитель попадает в связь Si-H и разрывает ее. Создается интерфейсное состояние и атом водорода высвобождается в подложке.
Вероятность попадания либо в атом, либо в связь Si-H случайна, а средняя энергия, участвующая в каждом процессе, одинакова в обоих случаях.
Это причина, по которой ток подложки контролируется во время нагрузки HCI. Высокий ток подложки означает большое количество создаваемых электронно-дырочных пар и, следовательно, эффективный механизм разрыва связи Si-H.
При создании состояний интерфейса пороговое напряжение изменяется, а подпороговый наклон ухудшается. Это приводит к снижению тока и ухудшению рабочей частоты интегральной схемы.
Масштабирование
[ редактировать ]Достижения в технологиях производства полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) привели к тому, что соответствующий полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) стал масштабироваться до меньших размеров.
Однако не удалось пропорционально масштабировать напряжение питания, используемое для работы этих микросхем, из-за таких факторов, как совместимость со схемами предыдущего поколения, запас по шуму , требования к мощности и задержке, а также немасштабируемость порогового напряжения , подпороговая крутизна и паразитные помехи. емкость .
В результате внутренние электрические поля увеличиваются в агрессивно масштабируемых МОП-транзисторах, что дает дополнительное преимущество в виде увеличения скорости несущей (вплоть до насыщения скорости ) и, следовательно, увеличения скорости переключения. [9] но также представляет собой серьезную проблему надежности для долгосрочной работы этих устройств, поскольку сильные поля вызывают инжекцию горячих носителей, что влияет на надежность устройства.
Большие электрические поля в МОП-транзисторах подразумевают наличие носителей высокой энергии, называемых « горячими носителями ». Эти горячие носители имеют достаточно высокие энергии и импульсы, чтобы их можно было инжектировать из полупроводника в окружающие диэлектрические пленки, такие как оксиды затвора и боковых стенок, а также в скрытый оксид в случае кремний-на-изоляторе (КНИ) МОП-транзисторов .
Влияние на надежность
[ редактировать ]Присутствие таких мобильных 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 выходу из строя схемы из-за таких ключевых параметров, как сдвиг порогового напряжения из-за такого повреждения. Накопление повреждений, приводящее к ухудшению поведения устройства из-за введения горячих носителей, называется « деградацией горячих носителей ».
Таким образом, на срок службы схем и интегральных схем на основе такого МОП-устройства влияет срок службы самого МОП-устройства. Чтобы гарантировать, что срок службы интегральных схем, изготовленных с использованием устройств с минимальной геометрией, не ухудшится, необходимо хорошо понимать время жизни компонентных МОП-устройств с учетом их деградации HCI. Неспособность точно охарактеризовать влияние HCI на срок службы может в конечном итоге повлиять на бизнес-расходы, такие как затраты на гарантию и поддержку, а также повлиять на маркетинговые и коммерческие обещания литейного производства или производителя микросхем.
Связь с радиационными эффектами
[ редактировать ]Деградация горячих носителей по сути аналогична эффекту ионизационного излучения , известному как полное дозовое повреждение полупроводников, которое наблюдается в космических системах из-за воздействия солнечных протонов , электронов, рентгеновских и гамма-лучей .
Ячейки флэш-памяти HCI и NOR
[ редактировать ]HCI является основой работы ряда технологий энергонезависимой памяти, таких как EPROM ячейки . Как только было признано потенциальное вредное влияние впрыска углеводородов на надежность схемы, было разработано несколько производственных стратегий, позволяющих уменьшить его без ущерба для производительности схемы.
NOR Флэш-память использует принцип горячего введения носителей путем преднамеренного введения носителей через оксид затвора для зарядки плавающего затвора . Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора, отображая состояние логического «0» . Незаряженные плавающие ворота представляют состояние «1». Стирание ячейки флэш-памяти NOR удаляет накопленный заряд посредством процесса туннелирования Фаулера-Нордхейма .
Из-за повреждения оксида, вызванного нормальной работой флэш-памяти NOR, повреждение HCI является одним из факторов, вызывающих ограничение количества циклов записи-стирания. Поскольку способность удерживать заряд и образование ловушек повреждения в оксиде влияет на способность иметь отдельные состояния заряда «1» и «0», повреждение HCI приводит к закрытию окна запаса логики энергонезависимой памяти с течением времени. Количество циклов записи-стирания, при которых «1» и «0» больше не могут быть различимы, определяет срок службы энергонезависимой памяти.
См. также
[ редактировать ]- Зависящий от времени пробой оксида затвора (также зависящий от времени пробой диэлектрика , TDDB)
- Электромиграция (ЭМ)
- Температурная нестабильность отрицательного смещения (NBTI)
- Стрессовая миграция
- Решётчатое рассеяние
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Кин, Джон; Ким, Крис Х (25 апреля 2011 г.). «Старение транзисторов» . IEEE-спектр . Проверено 21 июня 2020 г.
- ^ Конвелл, Э.М., Перенос в сильном поле в полупроводниках, Приложение 9 по физике твердого тела (Academic Press, Нью-Йорк, 1967).
- ^ «Эффект горячих электронов в сверхпроводниках и его применение для датчиков радиации» (PDF) . Обзор ЛЛЭ . 87 : 134.
- ^ Тисдейл, Вашингтон; Уильямс, К.Дж.; Тимп, бакалавр; Норрис, диджей; Айдил, Э.С.; Чжу, X.-Y. (2010). «Перенос горячих электронов из полупроводниковых нанокристаллов». Наука . 328 (5985): 1543–7. Бибкод : 2010Sci...328.1543T . дои : 10.1126/science.1185509 . ПМИД 20558714 . S2CID 35169618 .
- ^ Рукс, М.; Фриман, М.; Жермен, Р.; Ричардсон, Р.; Кетчен, М. (1985). «Горячие электроны и перенос энергии в металлах при температуре милликельвина» (PDF) . Письма о физических отзывах . 55 (4): 422–425. Бибкод : 1985PhRvL..55..422R . doi : 10.1103/PhysRevLett.55.422 . ПМИД 10032346 .
- ^ Фалфери, П; Меззена, Р; Мук, М; Винанте, А (2008). «Охлаждающие ребра для ограничения эффекта горячих электронов в СКВИДах постоянного тока» (скачать бесплатно) . Физический журнал: серия конференций . 97 (1): 012092. Бибкод : 2008JPhCS..97a2092F . дои : 10.1088/1742-6596/97/1/012092 .
- ^ Уэллстод, Ф.; Урбина, К.; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Физический обзор B . 49 (9): 5942–5955. Бибкод : 1994PhRvB..49.5942W . дои : 10.1103/PhysRevB.49.5942 . ПМИД 10011570 .
- ^ Цюй, С.-Х.; Клеланд, А.; Геллер, М. (2005). «Горячие электроны в низкоразмерных фононных системах». Физический обзор B . 72 (22): 224301. arXiv : cond-mat/0503379 . Бибкод : 2005PhRvB..72v4301Q . дои : 10.1103/PhysRevB.72.224301 . S2CID 15241519 .
- ^ Ричард К. Дорф (редактор) Справочник по электротехнике , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 стр. 578
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Статья о горячих носителях на сайте www.siliconfareast.com.
- IEEE Международный симпозиум по физике надежности , основная научно-техническая конференция по надежности полупроводников, включающая HCI и другие явления надежности.