中国科学技术大学物理系微电子专业 热载流子注入( Injection of Hot Carrier 热载流子退化 在短沟道下,如果电压较大,横向(沟道方向) 和纵向(垂直沟道方向)的电场强度会大大增强 在强电场作用下,载流子能量大大提高,使其平 均能量远大于kT,或等效载流子温度Te超过环境 (晶格)温度T,这时载流子称为热载流子 热载流子效应 热载流子注入引起 MOSFet器件性能退化的效应 Semiconductor Devices 2021/2/8
中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/2/8 11 Semiconductor Devices 热载流子注入（Injection of Hot Carrier） • 热载流子退化 在短沟道下，如果电压较大，横向（沟道方向） 和纵向（垂直沟道方向）的电场强度会大大增强。 在强电场作用下，载流子能量大大提高，使其平 均能量远大于kT，或等效载流子温度Te超过环境 （晶格）温度T，这时载流子称为热载流子。 热载流子效应 热载流子注入引起MOSFET器件性能退化的效应
中国科学技术大学物理系微电子专业 幸运电子( Lucky- -electron)模型 在S中距离 Si-Sio2界面距离为d处导带电子发射进入 sio2的概率可表示为:P(d)=Aexp(d/A) 其中λ为热电子能量损失的有效平均自由程 发射相关的有效势垒为:qV(d)=-△p-aE23 E 镜像力感应的势垒降低 4正 有效平均自由程的温度 依赖关系可表示为 (1)=2tanh(E2/2k/ Semiconductor Devices 2021/2/8 12
中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/2/8 12 Semiconductor Devices
中国科学技术大学物理系微电子专业 ·栅感应漏极漏电(GIDL) 当增强型器件处于关态(Vs=0)时,在漏与栅交叠处的 栅氧化层中存在很强的电场(>3×106V/cm),对于N型 MOSFET,此电场方向由漏指向栅,漏极半导体内部电势 远高于界面处电势,即在漏极(交叠部分)靠近界面区的 能带发生强烈的向上弯曲,乃至表面反型为p型。因为杂 质浓度大,该反型层下的耗尽区极窄,使之导带电子可以 直接隧道穿透到反型层的价带区,与衬底流过来的空穴复 合。因此,电子由漏极流入,空穴由衬底流入,形成了漏 结的漏电流,这就是GIDL GIDL效应和漏区上的栅SO2层质量密切相关,因此它随工 艺条件而改变。GIDL是关态电流Iof-的主要组成,必须被 限制在额定Iof值之内,这也是栅氧化层厚度下限的一个 根源。实验证明,对于优质的栅SO,层,厚度到1.5nm仍 将是安全的 Semiconductor Devices 2021/2/8
中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/2/8 13 Semiconductor Devices • 栅感应漏极漏电（GIDL） 当增强型器件处于关态（VGS=0）时，在漏与栅交叠处的 栅氧化层中存在很强的电场（>3×106V/cm），对于N型 MOSFET，此电场方向由漏指向栅，漏极半导体内部电势 远高于界面处电势，即在漏极（交叠部分）靠近界面区的 能带发生强烈的向上弯曲，乃至表面反型为p型。因为杂 质浓度大，该反型层下的耗尽区极窄，使之导带电子可以 直接隧道穿透到反型层的价带区，与衬底流过来的空穴复 合。因此，电子由漏极流入，空穴由衬底流入，形成了漏 结的漏电流，这就是GIDL。 GIDL效应和漏区上的栅SiO2层质量密切相关，因此它随工 艺条件而改变。GIDL是关态电流Ioff的主要组成，必须被 限制在额定Ioff值之内，这也是栅氧化层厚度下限的一个 根源。实验证明，对于优质的栅SiO2层，厚度到1.5nm仍 将是安全的
中国科学技术大学物理系微电子专业 迁移率的强电场效应和漂移速度饱和 迁移率的电场效应对于提高深亚微米和 0.1μ uM ULSI MOSFEt的电流驱动能力,以 至对决定其工作速度有决定性意义,因此 在器件结构设计中如何保持尽可能高的迁 移率是一个关键课题。同时因为漂移速度 会饱和,因此光靠高电场来提高电流驱动 能力是有限的。 Semiconductor Devices 2021/2/8
中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/2/8 14 Semiconductor Devices • 迁移率的强电场效应和漂移速度饱和 迁移率的电场效应对于提高深亚微米和 0.1μm ULSI MOSFET的电流驱动能力，以 至对决定其工作速度有决定性意义，因此 在器件结构设计中如何保持尽可能高的迁 移率是一个关键课题。同时因为漂移速度 会饱和，因此光靠高电场来提高电流驱动 能力是有限的
中国科学技术大学物理系微电子专业 漂移速度过冲 速度过冲是非稳态统计过程的产物,要以非稳态 玻尔兹曼方程求解,或用蒙特卡罗方法来处理。在 能量平衡之前的弛豫时间内漂移速度超过饱和值, 速度过冲。漂移速度过冲现象在GaAs等高迁移 率半导体中为实验所普遍证实。通常的 MOSFET模 型建立在漂移扩散模型(DD模型Drit- Diffusion Model)的基础上,基本方程是泊松方程、电流连 续方程和稳态玻尔兹曼方程。在深亚微米时期,器 件二维模型,联解泊松方程、连续性方程和瞬态玻 兹曼方程,进行数值分析,但计算量很大,并不 可取。因此引入水力学模型,使用能量输运方程、 载流子输运方程和电流连续方程加以联解,目前已 被许多二维数值分析程序采用 Semiconductor Devices 2021/2/8
中国科学技术大学物理系微电子专业 2021/2/8 15 Semiconductor Devices • 漂移速度过冲 速度过冲是非稳态统计过程的产物，要以非稳态 玻尔兹曼方程求解，或用蒙特卡罗方法来处理。在 能量平衡之前的弛豫时间内漂移速度超过饱和值， 即速度过冲。漂移速度过冲现象在GaAs等高迁移 率半导体中为实验所普遍证实。通常的MOSFET模 型建立在漂移扩散模型（DD模型 Drift－Diffusion Model）的基础上，基本方程是泊松方程、电流连 续方程和稳态玻尔兹曼方程。在深亚微米时期，器 件二维模型，联解泊松方程、连续性方程和瞬态玻 尔兹曼方程，进行数值分析，但计算量很大，并不 可取。因此引入水力学模型，使用能量输运方程、 载流子输运方程和电流连续方程加以联解，目前已 被许多二维数值分析程序采用