Впрыск горячего носителя - Hot-carrier injection

Введение горячего носителя (HCI) - явление в твердое состояние электронные устройства, где электрон или "дыра ”Получает достаточно кинетическая энергия преодолеть потенциальный барьер необходимо нарушить состояние интерфейса. Термин «горячий» относится к эффективной температуре, используемой для моделирования плотности носителя, а не к общей температуре устройства. Поскольку носители заряда могут попасть в диэлектрик затвора МОП-транзистор, характеристики переключения транзистора можно постоянно изменять. Инжекция горячего носителя один из механизмов что отрицательно сказывается на надежность полупроводников твердотельных устройств.[1]

Физика

Термин «инжекция горячего носителя» обычно относится к эффекту МОП-транзисторы, где носитель вводится из проводящего канала в кремний субстрат для затвор диэлектрик, который обычно состоит из диоксид кремния (SiO2).

Разгореться и войти в зона проводимости SiO2, электрон должен набрать кинетическую энергию ~ 3,2эВ. Для отверстий валентная полоса смещение в этом случае диктует, что они должны иметь кинетическую энергию 4,6 эВ. Термин «горячий электрон» происходит от термина эффективной температуры, используемого при моделировании плотности носителей (т. Е. С функцией Ферми-Дирака), и не относится к объемной температуре полупроводника (который может быть физически холодным, хотя чем он теплее). , тем большую заселенность горячих электронов он будет содержать при прочих равных).

Термин «горячий электрон» был первоначально введен для описания неравновесных электронов (или дырок) в полупроводниках.[2] В более широком смысле термин описывает электронные распределения, описываемые Функция Ферми, но с повышенной эффективной температурой. Эта большая энергия влияет на подвижность носителей заряда и, как следствие, влияет на то, как они проходят через полупроводниковый прибор.[3]

Горячий электронs может туннелировать из полупроводникового материала вместо рекомбинации с дыра или проводится через материал к коллекционеру. Последующие эффекты включают повышенный ток утечки и возможное повреждение диэлектрического материала оболочки, если горячий носитель разрушает атомную структуру диэлектрика.

Горячие электроны могут быть созданы, когда высокоэнергетический фотон электромагнитного излучения (например, света) попадает на полупроводник. Энергия фотона может быть передана электрону, возбуждая электрон за пределы валентной зоны и образуя пару электрон-дырка. Если электрон получает достаточно энергии, чтобы покинуть валентную зону и превзойти зону проводимости, он становится горячим электроном. Такие электроны характеризуются высокими эффективными температурами. Из-за высоких эффективных температур горячие электроны очень подвижны и, вероятно, покидают полупроводник и перемещаются в другие окружающие материалы.

В некоторых полупроводниковых устройствах энергия, рассеиваемая горячими электронными фононами, представляет собой неэффективность, поскольку энергия теряется в виде тепла. Например, некоторые солнечные элементы полагаются на фотоэлектрические свойства полупроводников для преобразования света в электричество. В таких ячейках эффект горячих электронов является причиной того, что часть световой энергии теряется на тепло, а не превращается в электричество.[4]

Горячие электроны обычно возникают при низких температурах даже в вырожденных полупроводниках или металлах.[5] Существует ряд моделей для описания эффекта горячих электронов.[6] Самый простой предсказывает электрон-фононное (e-p) взаимодействие на основе чистой трехмерной модели свободных электронов.[7][8] Модели эффекта горячих электронов иллюстрируют корреляцию между рассеиваемой мощностью, температурой электронного газа и перегревом.

Воздействие на транзисторы

В МОП-транзисторы, горячие электроны обладают достаточной энергией для туннелирования через тонкий оксидный затвор, что проявляется в виде тока затвора или тока утечки подложки. Горячие электроны могут прыгать из области канала или, например, из стока в затвор или подложку.

Например, в полевом МОП-транзисторе, когда затвор положительный, а переключатель включен, устройство спроектировано с расчетом на то, что электроны будут проходить через проводящий канал в сток. Эти горячие электроны не влияют на величину тока, протекающего через канал, как задумано, а вместо этого являются током утечки.

Попытки исправить или компенсировать эффект горячих электронов в полевом МОП-транзисторе могут включать размещение диода с обратным смещением на выводе затвора или другие манипуляции с устройством (например, стоки с легким легированием или стоки с двойным легированием).

Когда электроны ускоряются в канале, они набирают энергию на длине свободного пробега, которая теряется двумя разными способами:

  1. Носитель ударяется об атом в подложке. Затем столкновение создает холодный носитель и дополнительную электронно-дырочную пару. В случае транзисторов nMOS дополнительные электроны собираются каналом, а дополнительные дырки удаляются подложкой.
  2. Носитель попадает в связь Si-H и разрывает связь. Создается интерфейсное состояние, и атом водорода высвобождается в подложке.

Вероятность попадания либо в атом, либо в связь Si-H случайна, и 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 созданных электронно-дырочных пар и, следовательно, эффективный механизм разрыва связи Si-H.

Когда создаются состояния интерфейса, пороговое напряжение изменяется, а подпороговая крутизна ухудшается. Это приводит к снижению тока и ухудшению рабочей частоты интегральной схемы.

Масштабирование

Достижения в технологиях производства полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) заставили связанный полевой транзистор металл-оксид-полупроводник (MOSFET) масштабироваться до меньших размеров.

Однако было невозможно пропорционально масштабировать напряжение питания, используемое для работы этих ИС, из-за таких факторов, как совместимость со схемами предыдущего поколения, запас шума, требования к мощности и задержке, а также немасштабирование пороговое напряжение, подпороговая крутизна, и паразитная емкость.

В результате внутренние электрические поля увеличиваются в полевых МОП-транзисторах с агрессивным масштабированием, что дает дополнительное преимущество в виде увеличения скорости несущей (до насыщение скорости ) и, следовательно, увеличенная скорость переключения,[9] но также представляет собой важную надежность проблема для длительной эксплуатации этих устройств, так как высокие поля вызывают инжекцию горячего носителя, что влияет на надежность устройства.

Сильные электрические поля в полевых МОП-транзисторах предполагают наличие носителей высокой энергии, называемых «горячие носители». Эти горячие носители, которые имеют достаточно высокие энергии и импульсы, чтобы позволить им инжектировать их из полупроводника в окружающие диэлектрические пленки, такие как оксиды затвора и боковой стенки, а также скрытый оксид в случае кремний на изоляторе (ТАК ЧТО Я) МОП-транзисторы.

Влияние на надежность

Присутствие таких мобильных носителей в оксидах запускает многочисленные процессы физического повреждения, которые могут резко изменить характеристики устройства в течение продолжительных периодов времени. Накопление повреждений может в конечном итоге привести к отказу схемы, так как ключевые параметры, такие как сдвиг порогового напряжения, из-за такого повреждения. Накопление повреждений в результате ухудшения характеристик устройства из-за впрыска горячего носителя называется «деградация горячих носителей”.

Таким образом, на полезный срок службы схем и интегральных схем, основанных на таком МОП-устройстве, влияет срок службы самого МОП-устройства. Чтобы гарантировать, что у интегральных схем, изготовленных с минимальной геометрией устройств, не будет снижен их срок службы, необходимо хорошо понимать время жизни компонентных МОП-устройств. Неспособность точно охарактеризовать эффекты времени жизни HCI может в конечном итоге повлиять на бизнес-расходы, такие как затраты на гарантийное обслуживание и поддержку, а также повлиять на маркетинговые и сбытовые обещания для литейного завода или производителя ИС.

Связь с радиационными эффектами

Деградация горячих носителей принципиально такая же, как и у эффект ионизирующего излучения известный как общая доза повреждение полупроводников, испытанное в космических системах из-за солнечной протон, электрон, рентгеновский снимок и гамма-луч контакт.

Ячейки флэш-памяти HCI и NOR

HCI - это основа работы ряда энергонезависимая память такие технологии как EPROM клетки. Как только было обнаружено потенциальное пагубное влияние впрыска углеводородов на надежность цепи, было разработано несколько производственных стратегий, чтобы уменьшить его без ущерба для характеристик цепи.

НИ флэш-память использует принцип инжекции горячих носителей заряда путем преднамеренной инжекции носителей через оксид затвора для заряда плавающие ворота. Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора, чтобы представить состояние логического '0'. Незаряженный плавающий затвор представляет состояние «1». Стирание ячейки NOR флэш-памяти удаляет накопленный заряд в процессе Туннель Фаулера – Нордхейма.

Из-за повреждения оксида, вызванного нормальной работой NOR Flash, повреждение HCI является одним из факторов, ограничивающих количество циклов записи-стирания. Потому что способность удерживать заряд и образование повреждений ловушки в оксиде влияет на способность иметь различные состояния заряда «1» и «0», повреждение HCI приводит к закрытию логического поля энергонезависимой памяти с течением времени. Количество циклов записи-стирания, при которых невозможно различить «1» и «0», определяет срок службы энергонезависимой памяти.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Кин, Джон; Ким, Крис Х (25 апреля 2011 г.). «Старение транзисторов». IEEE Spectrum. Получено 21 июн 2020.
  2. ^ Конуэлл Э. М. Высокополевой перенос в полупроводниках, Приложение 9 по физике твердого тела (Academic Press, Нью-Йорк, 1967).
  3. ^ «Эффект горячих электронов в сверхпроводниках и его применение в датчиках излучения» (PDF). LLE Обзор. 87: 134.
  4. ^ Tisdale, W.A .; Уильямс, К. Дж .; Timp, B.A .; Норрис, Д. Дж .; Aydil, E. S .; Чжу, X.- Y. (2010). «Перенос горячих электронов из полупроводниковых нанокристаллов». Наука. 328 (5985): 1543–7. Bibcode:2010Sci ... 328.1543T. Дои:10.1126 / science.1185509. PMID  20558714. S2CID  35169618.
  5. ^ Roukes, M .; Freeman, M .; Germain, R .; Richardson, R .; Кетчен, М. (1985). «Горячие электроны и перенос энергии в металлах при милликельвиновых температурах» (PDF). Письма с физическими проверками. 55 (4): 422–425. Bibcode:1985ПхРвЛ..55..422Р. Дои:10.1103 / PhysRevLett.55.422. PMID  10032346.
  6. ^ Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Винанте, А (2008). «Ребра охлаждения для ограничения эффекта горячих электронов в СКВИДах постоянного тока» (бесплатная загрузка). Journal of Physics: Серия конференций. 97 (1): 012092. Bibcode:2008JPhCS..97a2092F. Дои:10.1088/1742-6596/97/1/012092.
  7. ^ Хорошо понят, F .; Urbina, C .; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Физический обзор B. 49 (9): 5942–5955. Bibcode:1994PhRvB..49.5942W. Дои:10.1103 / PhysRevB.49.5942. PMID  10011570.
  8. ^ Qu, S.-X .; Cleland, A .; Геллер, М. (2005). «Горячие электроны в низкоразмерных фононных системах». Физический обзор B. 72 (22): 224301. arXiv:cond-mat / 0503379. Bibcode:2005PhRvB..72v4301Q. Дои:10.1103 / PhysRevB.72.224301. S2CID  15241519.
  9. ^ Ричард С. Дорф (редактор) Справочник по электротехнике, CRC Press, 1993 ISBN  0-8493-0185-8 стр. 578

внешняя ссылка