Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из инжекции горячих электронов )
Перейти к навигации Перейти к поиску

Инжекция горячих носителей ( HCI ) - это явление в твердотельных электронных устройствах, когда электрон или « дырка » приобретают кинетическую энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера, необходимого для нарушения состояния границы раздела. Термин «горячий» относится к эффективной температуре, используемой для моделирования плотности носителя, а не к общей температуре устройства. Поскольку носители заряда могут быть захвачены диэлектриком затвора МОП-транзистора , характеристики переключения транзистора могут постоянно изменяться. Инжекция горячих носителей - один из механизмов , отрицательно влияющих на надежность полупроводников.твердотельных устройств. [1]

Физика [ править ]

Термин «инжекция горячих носителей» обычно относится к эффекту в полевых МОП транзисторах , когда носитель инжектируется из проводящего канала в кремниевой подложке в диэлектрик затвора , который обычно состоит из диоксида кремния (SiO 2 ).

Чтобы «нагреться» и войти в зону проводимости SiO 2 , электрон должен набрать кинетическую энергию ~ 3,2  эВ . Для дырок смещение валентной зоны 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 (то есть с функцией Ферми-Дирака), и не относится к объемной температуре полупроводника (который может быть физически холодным, хотя чем теплее он , 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 функцией 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]

Горячие электроны могут туннелировать из полупроводникового материала вместо того, чтобы рекомбинировать с отверстием или проводиться через материал к коллектору. 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 в 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] Простейший 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.

Воздействие на транзисторы [ править ]

В полевых МОП-транзисторах горячие электроны обладают достаточной энергией для туннелирования через тонкий оксидный затвор и проявляются как ток затвора или как ток утечки подложки. В полевом МОП-транзисторе, когда затвор положительный, а переключатель включен, устройство спроектировано таким образом, что электроны будут течь в боковом направлении через проводящий канал от истока к стоку. Горячие электроны могут выпрыгивать из области канала или, например, из стока и попадать в затвор или подложку. 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, слаболегированные стоки или стоки с двойным легированием).

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

  1. Носитель ударяется об атом в подложке. Тогда 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 субстрата контролируется во время стресса 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 ухудшает рабочую частоту интегральной схемы.

Масштабирование [ править ]

Достижения в технологиях производства полупроводников и постоянно растущий спрос на более быстрые и сложные интегральные схемы (ИС) заставили связанный с ними 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 отсутствие масштабирования порогового напряжения , подпороговой крутизны и паразитных характеристик. емкость .

В результате внутренние электрические поля увеличиваются в полевых МОП-транзисторах с агрессивным масштабированием, 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 в долгосрочной перспективе. работа этих устройств, поскольку высокие поля вызывают инжекцию горячего носителя, что влияет на надежность устройства.

Большие электрические поля в полевых МОП-транзисторах предполагают наличие носителей высокой энергии, называемых « горячими носителями ». Эти горячие носители имеют достаточно высокие энергии и импульсы, чтобы позволить им инжектироваться из полупроводника в окружающие диэлектрические пленки, такие как оксиды затвора и боковых стенок, а также скрытый оксид в случае полевых МОП-транзисторов кремния на изоляторе (КНИ) .

Влияние на надежность [ править ]

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, такие как ключевые параметры, такие как сдвиг порогового напряжения из-за такого повреждения. Накопление повреждений, приводящих к ухудшению характеристик устройства из-за введения горячего носителя, называется « деградацией горячего носителя ».

Таким образом, на срок полезного использования схем и интегральных схем, основанных на таком МОП-устройстве, влияет срок службы самого МОП-устройства. Чтобы гарантировать, что интегральные схемы, изготовленные с использованием устройств с минимальной геометрией, не будут сокращены в течение срока их службы, необходимо, чтобы срок службы компонентных MOS-устройств был хорошо изучен. Неспособность точно охарактеризовать эффекты времени жизни HCI может в конечном итоге повлиять на коммерческие расходы, такие как затраты на гарантийное обслуживание и поддержку, а также на маркетинговые и торговые обещания для литейного завода или производителя ИС.

Связь с радиационными эффектами [ править ]

Деградация горячих носителей в основном аналогична эффекту ионизирующего излучения, известному как повреждение полупроводников от общей дозы , которое наблюдается в космических системах из-за воздействия солнечных протонов , электронов, рентгеновских и гамма-лучей .

Ячейки флеш-памяти HCI и NOR [ править ]

HCI является основой работы ряда технологий энергонезависимой памяти, таких как ячейки EPROM . Как только было обнаружено потенциальное пагубное влияние впрыска углеводородов на надежность схемы, было разработано несколько производственных стратегий, чтобы уменьшить его без ухудшения характеристик схемы.

Флэш-память NOR использует принцип инжекции горячих носителей путем преднамеренной инжекции носителей через оксид затвора для зарядки плавающего затвора . Этот заряд изменяет пороговое напряжение МОП-транзистора, чтобы представить состояние логического «0» . Незаряженный плавающий затвор представляет состояние «1». Стирание ячейки флеш-памяти NOR удаляет накопленный заряд в процессе туннелирования Фаулера-Нордхейма .

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

См. Также [ править ]

  • Зависящий от времени пробой оксида затвора (также зависящий от времени пробой диэлектрика , TDDB)
  • Электромиграция (ЭМ)
  • Нестабильность температуры отрицательного смещения (NBTI)
  • Миграция стресса
  • Рассеяние на решетке

Ссылки [ править ]

  1. ^ Кин, Джон; Ким, Крис Х (25 апреля 2011 г.). «Старение транзисторов» . IEEE Spectrum . Дата обращения 21 июн 2020 . CS1 maint: обескураженный параметр ( ссылка )
  2. ^ Конуэлл, EM, High Field в полупроводниках, Физика твердого тела Дополнение 9 (Academic Press, New York, 1967).
  3. ^ «Эффект горячих электронов в сверхпроводниках и его применение для датчиков излучения» (PDF) . LLE Обзор . 87 : 134.
  4. ^ Тисдейл, Вашингтон; Уильямс, KJ; Timp, BA; Норрис, диджей; Aydil, ES; Чжу, X.- Y. (2010). «Перенос горячих электронов из полупроводниковых нанокристаллов». Наука . 328 (5985): 1543–7. Bibcode : 2010Sci ... 328.1543T . DOI : 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 физическим обзором . 55 (4): 422–425. Bibcode : 1985PhRvL..55..422R . DOI : 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» (скачать бесплатно) . Журнал физики: Серия конференций . 97 (1): 012092. Bibcode : 2008JPhCS..97a2092F . DOI : 10.1088 / 1742-6596 / 97/1/012092 .
  7. ^ Хорошо понят, F .; Urbina, C .; Кларк, Джон (1994). «Эффекты горячих электронов в металлах». Physical Review B . 49 (9): 5942–5955. Bibcode : 1994PhRvB..49.5942W . DOI : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 . PMID 10011570 . 
  8. ^ Qu, S.-X .; Cleland, A .; Геллер, М. (2005). «Горячие электроны в низкоразмерных фононных системах». Physical Review B . 72 (22): 224301. arXiv : cond-mat / 0503379 . Bibcode : 2005PhRvB..72v4301Q . DOI : 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 

Внешние ссылки [ править ]

  • Статья о горячих носителях на сайте www.siliconfareast.com
  • IEEE International Reliability Physics Symposium , основная научная и техническая конференция по надежности полупроводников, включая HCI и другие явления надежности