热载流子效应对器件可靠性的影响
热载流子效应的影响
热载流子效应对半导体器件的影响主要表现在以下几个方面：
对双极型器件的影响：在双极型器件中，热载流子会造成击穿电压的弛豫，同时pn极漏电流增加。
对MOS器件的影响：在MOS器件中，热载流子效应会导致mos晶体管的阈值电压、漏极电流、漏极电流ids和跨导等参数的漂移。
可靠性影响：无论是MOS器件还是双极型器件，热载流子效应都会导致磨损型失效机理的出现。
在亚微米和深亚微米器件中，热载流子效应对可靠性的危害更大。
热载流子效应的产生受到多个因素的影响，包括工作温度和电流密度等。
随着温度的升高，电子-空穴对的生成和注入增加，从而导致热载流子效应进一步加剧。
当电流密度较高时，电子-空穴对的注入增加，导致更多的载流子耗散为热能，进而引起热载流子效应。
sic 热载流子
SIC 热载流子前言半导体行业正处于快速发展的阶段，而碳化硅（SiC）作为一种新型的宽禁带半导体材料，由于其优异的物理和电学性能，正受到越来越多的关注和研究。
其中，SiC热载流子效应是SiC器件中一种重要的物理现象，它对SiC器件的性能和可靠性有很大的影响。
热载流子效应热载流子效应是指在高电场或高温条件下，半导体中的载流子（电子和空穴）获得足够的能量，从而能够克服半导体材料的带隙，从价带跃迁到导带，成为自由载流子。
这些自由载流子具有很高的能量，因此被称为“热载流子”。
SiC 中的热载流子效应SiC是一种宽禁带半导体材料，其带隙为 3.26eV，远高于硅（Si）的1.12eV。
因此，在相同电场或温度条件下，SiC中的热载流子浓度远低于Si。
然而，由于SiC具有较高的热导率和较低的热膨胀系数，因此在高功率器件中，SiC器件的结温往往高于Si器件。
因此，在高功率器件中，SiC器件的热载流子效应可能更为显著。
热载流子效应对SiC器件的影响热载流子效应对SiC器件的性能和可靠性有很大的影响。
一方面，热载流子可以导致器件的漏电流增加，从而降低器件的开关效率。
另一方面，热载流子还可以导致器件的击穿电压降低，从而降低器件的可靠性。
抑制热载流子效应的方法为了抑制热载流子效应，可以采取以下措施：减少器件的结温。
这可以通过减小器件的功耗或提高器件的散热性能来实现。
优化器件的结构。
这可以通过减小器件的沟道长度或增加器件的沟道宽度来实现。
采用特殊工艺。
这包括使用应力工程或掺杂工程来改变器件的能带结构，从而抑制热载流子效应。
结语SiC热载流子效应是SiC器件中一种重要的物理现象，它对SiC器件的性能和可靠性有很大的影响。
通过采取适当的措施，可以抑制热载流子效应，从而提高SiC器件的性能和可靠性。
半导体热载流子效应
半导体热载流子效应半导体热载流子效应是指在半导体材料中，当温度升高时，会产生额外的载流子并增加材料的导电性能。
这个效应在半导体器件的设计和制造中起着重要的作用。
半导体材料是一种介于导体和绝缘体之间的材料，其导电性能可以通过控制载流子的数量和运动来实现。
载流子是带电粒子，可以是电子或空穴。
在常温下，半导体材料的导电性能较低，但当温度升高时，由于热激发，材料中的载流子数量会增加。
半导体热载流子效应的产生与能带结构有关。
半导体材料的能带结构决定了载流子的能量分布和运动方式。
当温度升高时，由于热激发作用，部分价带中的电子会被激发到导带中，形成新的载流子。
这些额外的载流子会增加材料的导电性能。
半导体热载流子效应对于半导体器件的性能有着重要影响。
首先，热载流子效应会导致器件的静态功耗增加。
由于温度升高导致的额外载流子，会导致器件在静态工作状态下的电流增加，从而增加功耗。
其次，热载流子效应也会影响器件的可靠性。
由于载流子数量的增加，器件中的电场和电流密度会增加，可能导致器件的损坏或寿命缩短。
为了应对半导体热载流子效应带来的问题，可以采取一些措施进行补偿或抑制。
一种常见的方法是通过材料的优化来减少热载流子效应的影响。
例如，可以选择具有较高禁带宽度的材料，以降低载流子的生成率。
另外，还可以通过器件结构的优化来减少热载流子效应的影响。
例如，可以采用多层结构或引入能带工程来限制载流子的运动。
半导体热载流子效应是半导体材料中温度升高导致的额外载流子产生的现象。
它对半导体器件的性能和可靠性有着重要的影响。
通过合理的材料选择和器件结构设计，可以减少热载流子效应带来的负面影响，提高器件的性能和可靠性。
ldmos 热载流子效应
ldmos 热载流子效应
LD-MOS（Lateral Double-Diffused MOS）是一种常见的金属氧化物半导体场效应晶体管，其特点是具有较低的开关电阻和较高的功率密度。
在LD-MOS中，热载流子效应是一种重要的现象，它对器件的工作性能和可靠性有着重要影响。
热载流子效应是指当LD-MOS器件工作在高功率状态下，由于电流通过通道时产生的热量，会导致通道温度升高。
随着温度的升高，载流子的迁移率会下降，从而导致电阻增加，进一步造成温度升高、电阻增加的正反馈效应，使得通道温度迅速升高，电阻急剧增加，最终导致器件失效。
为了避免热载流子效应对LD-MOS器件的影响，人们采取了一系列的措施。
首先，通过优化器件结构和材料选择，降低器件内部的热阻，提高散热效果，从而减小热载流子效应的影响。
其次，可以通过合理设计电路，控制器件工作状态，在保证器件性能的前提下，降低功率密度，减小载流子发热量，从而降低热载流子效应的影响。
还可以采用温度补偿技术来消除热载流子效应的影响。
通过在器件中引入温度传感器，实时监测通道温度的变化，并根据温度变化调整电路工作状态，以实现温度的自动补偿。
这样可以有效地降低热载流子效应的影响，提高器件的稳定性和可靠性。
LD-MOS热载流子效应是在高功率工作状态下，由于电流通过通道
时产生的热量导致的。
为了避免热载流子效应对器件的影响，需要通过优化器件结构、合理设计电路和采用温度补偿技术等措施来降低功率密度和温度升高，提高器件的稳定性和可靠性。
这样的措施不仅可以提高LD-MOS器件的性能，还可以延长其使用寿命，满足不同领域对功率器件的需求。
离子注入的热载流子效应
热载流子注入效应（HCI）是离子注入过程中可能遇到的一种现象，它会影响半导体器件的性能和可靠性。
热载流子注入效应具体包括以下几个方面：
1. 高能载流子的产生：在MOSFETs中，当电源电压未随器件尺寸缩小而等比例减小时，沟道横向电场与纵向电场会增加。
高电场加速载流子的运动，产生高能量的热载流子。
2. 载流子注入栅氧化层：当载流子的能量超过Si-SiO2的势垒高度（
3.5eV），它们可以直接注入或通过隧穿效应进入SiO2。
这会导致MOSFET的阈值电压Vth、线性区跨导gm等参数发生漂移或退化。
3. 器件性能退化：热载流子诱生的MOS器件退化是由于高能量的电子和空穴注入栅氧化层引起的，会在注入过程中产生界面态和氧化层陷落电荷，造成氧化层的损伤。
为了减轻热载流子效应对器件的影响，可以采用轻掺杂漏（LDD）工艺，即在栅极边界下方与源漏之间形成低掺杂的扩展区。
这个扩展区在源漏与沟道之间形成杂质浓度梯度，减小漏极附近的峰值电场，从而改善HCI效应和器件可靠性。
热载流子效应对MOSFET可靠性的影响
热载流子效应对MOSFET可靠性的影响摘要：热载流子是器件可靠性研究的热点之一。
特别对于亚微米器件•热载流子失效是器件失效的一个最主要方面。
通过对这种失效机理及其失效模型的研究，为设计和工艺提供帮助, 从而有效降低由热我流子引起的电路失效，提离电路町靠性。
本文址后还介绍了典型的寿命预测模型，并对器件退化的表征技术进行了概述。
关键词：町靠性：热载流子效应；MOSFET：寿命：表征技术The effectofHCI on MOSFET^ reliability Abstract：Hot-cainer is a hotspot in device reliability research. Hot-cainei' mostly induced device degradation especial forsub-micron process It is very useful for design and process manufacture by the researching of faiiuremechamsm and model Finally, we introduce tlie typical life prediction models and the technologies for charactei'ization of MOSFET1 degradation ai-esummarized.Key words:Reliabihty, Hot cainer effect： MOSFET, Life, Characterization technology1引言随着VLSI集成度的提高，MOSFET的尺寸述速减小，包括器件在水平和垂直方向上的参数（例如：沟道长度L、宽度W、栅氧厚度Tox、源漏结深Xj等）都按一定规律等比例缩小; 但是在缩小器件尺寸的同时要保持人尺寸器件的电流-电压特性不变，所以即使按照等比例缩小规则对器件的结构进行优化，薄栅氧以及较短的沟道氏度都会使沟道区纵向电场和横向电场增人，使得沟道区载流子在从源向漏移动的过程中获得足够的动能，这些高能（热）载流子能克服Si.siOo界面势垒进入氧化层，造成Si-Si02界面损伤或产生氧化物陷阱（如图1 所示），使MOSFET的阈值电压Vth、线性区跨导gm等参数发生漂移或退化，影响器件的町靠性，并最终引起电路失效，此即为热载流子效应图1 NM0S齐建忠热载流子效应示意图本文槪述了热载流子效应引起的M0S器件退化的物理机制，対热戦流子效应引起的退化、殍命预测模型，以及已报道的研究结果进行了评述。
热载流子效应
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
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HC效应对MOSFET电性能的影响
热载 子使陷阱电荷密度随时间而增加,导致开启 电压和的一系列参数发生漂移. 开启电压 VT(t)= A tn 当热电子引起的衬底电流 很大时, 可使源与衬底之间 处于正向偏置状态, 引起正 向注入, 导致闩锁效应
微电子器件的可靠性
复旦大学材料科学系
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衬底电流模型
Isub＝C1Id exp(-Bi/Em) Isub＝a Id (Vds-Vdsat)b (Ai/Bi) 其中a, b为常数.Ai,Bi为碰撞离化系数， a=2.2410-8－0.1010-5 Vdsat b = 6.4 衬底电流的另一种表示形式为：
Isub = 1.2(VDS-Vdsat)ID exp(-1.7106/ymax) =1.2(VDS-VDSsat)IDexp(-3.7106tox1/3rj1/3/(VDS-Vdsatt)
微电子器件的可靠性
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PMOS器件的热载流子效应
一般情况下，热载流子对PMOS器件的影响较 NMOS FET 要 弱 得 多 。 而 在 亚 微 米 PMOS FET中，热载流子效应引起人们的注意。 PMOS FET 的热载流子效应表现在三个方面： 热电子引起的穿通效应 氧化层正电荷效应 热空穴产生的界面态。
微电子器件的可靠性 复旦大学材料科学系 5
MOS 器件中的热载流子 3
衬底热电子(SHE) NMOS 器件中，当 VDS ＝VBS, VGS VT 时，在衬底与源、 漏、沟道之间有反向电流流 过。衬底中的电子被耗 尽区 的电场拉出并加速向沟道运 动，当电场足够高时，这些 电子就有了足够的能量可以 到达Si-SiO2 界面，并注入到 SiO2中。
热载流子效应及其对器件可靠性影响的研究
热载流子效应及其对器件可靠性影响的研究摘要：该文主要阐述了热载流子效应产生的物理机制及器件的退化，进一步介绍了在jedec标准中，对可靠性模型寿命计算做出的规范下，目前使用的三种寿命计算模型：衬底电流模型，vd模型，isub/id模型（即：胡模型），基于这些模型对器件寿命的估算，将为集成电路设计中器件优化与工艺改进提供重要参考信息。
关键词：热载流子；可靠性模型；寿命；jedec标准中图分类号：tp3 文献标识码：a 文章编号：1009-3044（2013）05-1161-021 概述随着微电子技术的不断发展，vlsi工艺中器件的特征尺寸：沟道长度、氧化层厚度等都在等比例缩小，但是与之相关的器件的电源电压并未随之相应减小，这是一个极大的矛盾。
在减小的沟道长度上加上同样的电压，从电学的原理可知：过高的电压将导致沟道内的纵横向电场都增大。
器件中载流子是在沟道中输运的，这种高电场将加速载流子的运动，从而使之成为热载流子。
热载流子注到在si-sio2系统界面处以及栅氧层中将产生大量缺陷，从而导致器件退化乃至失效。
本文阐述了这种使器件失效的机制——热载流子注入效应（hci），分析了它产生的物理机制，它对器件可靠性及寿命的影响，这将对器件寿命的评估、性能优化以及工艺的改进提供可靠地信息。
2 热载流子的产生机制及器件性能退化在mosfet中，这种像是被“加热”了的载流子有两个来源：沟道和衬底，相应的就有沟道热载流子效应（che）和衬底热载流子效应（she）。
che是沟道漏端边缘的热载流子在强电场下发生雪崩倍增，产生新的电子和空穴，从而形成倍增电流；she是由于强电场将产生的热空穴扫入衬底形成漏电流及其倍增电流形成的。
衬底中的电子被耗尽区的电场拽出来，并加速向沟道方向运动，当电场足够高时，那些获得足够能量的载流子到达硅-二氧化硅界面，并进入氧化层中，形成氧化层陷阱电荷和界面态缺陷，这些陷阱和缺陷是引起器件性能失效的主要原因。
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重庆邮电大学研究生堂下考试答卷2011-2012学年第2学期考试科目微电子器件可靠性姓名徐辉年级2011级专业微电子与固体电子学学号S11040301020120122年5月25日热载流子效应对器件可靠性的影响徐辉（重庆邮电大学光电工程学院，重庆400065）摘要：介绍了几种热载流子以及MOSFET的热载流子注入效应。
在此基础上总结了热载流子注入效应对MOS器件可靠性的影响。
随着MOS器件尺寸的缩小和集成电路规模的增大，热载流子效应显得更加显著。
最后介绍了几种提高抗热载流子效应的措施。
关键词：热载流子；热载流子注入效应；可靠性Effects of Hot-carriers Injection Effect on the ReliabilityXu Hui(College of Photoelectric Engineering,Chongqing University of Posts and Telecommunications,Chongqing,400065,P.R.China)Abstract:The effect of hot carrier and the MOSFET hot-carriers injection are reviewed.On this basis,the hot-carriers injection effect on the reliability of MOS devices are summed up.With the increasing size of MOS devices shrink in size and integrated circuits,the hot-carriers effect is even more significant.Finally,several measures to improve the thermal carrier effects are introducted. Key wards:hot carrier;hot-carriers injection effect;reliability0前言随着VLSI集成度的日益提高，MOS器件尺寸不断缩小至亚微米乃至深亚微米级，热载流子效应已成为影响器件可靠性的重要因素之一。
从第一次意识到热载流子可导致器件退化以来，有关MOSFET热载流子效应的研究已持续了近30年。
热载流子注入效应对MOS器件性能的影响也越来越引起人们的关注。
1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。
在使用条件下，MOSFET会遇到四种类型的热载流子[1]；沟道热载流子(CHC)；衬底热载流子(SHC)，漏端雪崩热载流子(DAHC)；和二次产生热电子(SGHE)。
沟道热载流子(CHC)：热电子来源于表面沟道电流，是从源区向漏区运动的电子，在漏结附近受到势垒区电场加速，电子获得了能量而被加速，成为热电子。
衬底热载流子(SHC)：热电子来源于衬底电流，在势垒区电场的加速下运动到Si-SiO2界面，其中部分电子的能量可以达到或超过Si-SiO2势垒高度，便注入到栅氧化层中去。
漏端雪崩热载流子(DAHC)：晶体管处在饱和状态时，一部分载流子在夹断区域与晶格原子相撞，通过碰撞电离，激发电子-空穴对。
二次产生热电子(SGHE)：由二次碰撞电离产生的少子或Bremsst-rahlung辐射所产生的。
2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Si-SiO2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Si-SiO2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[2]。
而在半导体中，热载流子效应主要有两个方面：一、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0.31eV，即从主能谷跃迁到次能谷，从而产生负阻现象。
二、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[3]。
3对器件可靠性的影响3.1热载流子对器件寿命的影响热载流子注入效应改变了氧化层中电荷的分布，引起器件参数的退化，大大降低了器件的可靠性和工作寿命。
3.2热载流子效应的失效现象对于MOSFET及其IC在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200-2500C）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。
这就是热载流子效应所造成的失效现象。
3.2.1雪崩倍增效应在小尺寸MOSFET中，不大的源/漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源/漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。
这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应[4]。
3.2.2阈值电压漂移由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次级的电子—空穴对（次级热载流子）；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输出源-漏电流（I DS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（I sub），通过测量I sub就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。
若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化。
对于发生了热载流子注入的器件，若进行烘烤的话，即可提供足够的能量，让那些被氧化层中的陷阱（缺陷）陷住的热载流子释放出来而回到硅中，从而使得器件又恢复到原来无热载流子的状态。
据此也可以判断是否热载流子效应所引起的失效[5]。
3.2.3MOSFET性能的退化沟道中有一小部分具有足够高能量的热载流子可以越过Si-SiO2界面的势垒（电子势垒高度Eb约为3.2eV，空穴的约为4.9eV）而注入到栅SiO2层中，并多数形成了栅极电流I G。
虽然此栅极电流很小，但是它所造成的后果却很严重，因为热电子注入到栅SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，经过一段时间的电荷积累即会使得器件性能发生退化（阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿），这将危及到小尺寸MOSFET及其VLSI的可靠性。
可见，MOS器件性能的退化主要是与较小的栅极电流I G有关，而与比它大几个数量级的衬底电流I sub无关[6]。
3.2.4寄生晶体管效应当有较大的I sub流过衬底（衬底电阻为R sub）时将产生电压降（I sub×R sub），这会使源-衬底的n+-p结正偏（因为源极通常是接地的）形成一个“源—衬底—漏”的寄生n+-p-n+晶体管；这个寄生晶体管与原来的MOSFET相并联而构成一个复合结构的器件，这种复合结构往往是导致短沟道MOSFET发生源—漏击穿的原因，并且还会使伏安特性曲线出现回滞现象，在CMOS 电路中还将会导致闩锁效应。
为了提高短沟道MOSFET的源/漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有关的寄生晶体管起作用。
因此，就需要减小衬底电阻R sub，以使得乘积(I sub×R sub)<0.6V，这样一来寄生晶体管就不能导通工作了。
这就是寄生晶体管效应[6]。
3.3热载流子效应对MOS结构I-V 特性的影响由于热载流子效应的存在，严重影响了MOS集成电路集成度及电路和器件的长期可靠性，根据热载流子效应对MOS结构的影响，讨论I-V特性曲性畸变。
热载流子注入引起的SiO2漏电，宁[6]等提出了既考虑势垒降低，有考虑隧道发射的“幸运电子”模型。
而如图2，热载流子效应对I-V特性的影响可以看出恒定电压下，栅电流随着时间的增加而减小。
已经知道，从硅注入到SiO2流的栅电极的热电子形成的电流与SiO2-Si界面处导电的电子密度成正比[7]。
因此，由于热载流子效应导致电荷陷落，必然引起Si-SiO2界面处的载流子密度的减小，如图1所示。
因此，栅电流的减小也服从电荷陷落的t n指数关系。
图1电荷陷落的物理模型图2MOS电容栅电流随时间的变化关系4提高抗热载流子效应的措施4.1影响热载流子效应的主要因素4.1.1器件的物理几何结构在短沟道器件中，为避免短沟道效应，总是取相当高的衬底掺杂浓度，而较高的衬底掺杂浓度，将导致较高的沟道电场，加剧载流子效应。
漏区结越深，曲率半径越小，漏结附近电场增强，热载流子效应愈加明显。
4.1.2横向电场增加热载流子注入效率横向电场增加热载流子注入效率。
MOS器件在使用时，若超过额定值的功率源电压，将会增加横向电场，从而加快电子或空穴进入栅介质的注入效率。
栅尺寸缩小，也将产生高的氧化层电场，从而加剧了载流注入效率。
4.1.3陷阱密度与俘获截面栅氧化层中俘获载流子数量，取决于陷阱密度和俘获截面。
在氧化时，水的存在产生了与OH有关的陷阱，这种陷阱在水汽生长的氧化层中比较普遍。
在VLSI的制造中，不少工艺将会引起辐射损伤或软X射线损伤。
如X射线曝光、电子束曝光、等离子刻蚀、反应离子溅射、离子注入等均会在Si02层中或Si-Si02界面产生缺陷。
因此，VLSI比普通方法制造器件更易产生热载流子效应。
4.2提高抗热载流子效应的措施热载流子效应无疑是由强电场引起的，降低工作电压可以缓解。