硅谷网文 本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。
1 引言
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。
对HCI的研究，目前重点是CHE，当源漏加强电压时，在漏端(D端)边缘会形成水平方向的强电场，水平方向的电场会使载流子做水平方向的运动，但是由于有“弹性散射”机制的存在，部分载流子会由于散射“幸运”的由原来的水平运动变成以垂直方向运动;同时D端附近的载流子还会发生碰撞电离，碰撞电离会使得热载流子能量增加，运动方向发生改变，从而也有可能会“幸运”的进入界面。
这些“幸运”的载流子移动到栅氧化层之后，有三种情况发生，能量较低的载流子进入氧化层中，只能在其中扩散和漂移最后被陷阱俘获;小部分载流子在反向电场的作用下会改变运动方向漂移回沟道，极小部分能量较高的载流子能击穿栅氧层，形成栅电流Ig。通常把这部分能形成Ig的载流子称为“幸运电荷(lucky electron)”。
上述三种情况下HCI对栅氧化层的损伤机制主要是两种：一是能量较低的载流子注入到栅氧，它们只能在栅氧化层中扩散和漂移，部分被陷阱俘获(上述情况1会形成)。二是能量较高的载流子形成新的界面态(上述三种情况都会形成)。
3 热载流子寿命模型介绍
MOSFET可靠性研究中，遵循JEDEC标准中对模型寿命计算做出的规范，首先以器件失效判断标准为基础，规定相关参数的相对变化10%为器件失效的判断准则。寿命的估算的步骤一般为：测量得到器件参数退化量和过压时间;根据这两个参数量来确定正常电压条件下的器件寿命;寻找器件寿命与电压之间的数学关系，根据数学线性关系，将在过压下的寿命外推到正常工作条件下的寿命。目前使用的三个模型是：衬底电流模型，Isub/Id模型(即;胡model)，Vd模型，。下面分别介绍这三个模型。
80年代提出的胡模型是一个半经验的物理模型，是当今业界普遍采用的模型之一，他的表达式为：
(3.1)
将公式去对数得：
(3.2)
上式中个参数的意义：t是器件寿命，vb是偏压，Id是漏电流，W是器件宽度，Isub是衬底电流为，H、m是两个拟合的参数。方法是：实测三个偏压下的器件寿命值，找到他们之间的数学关系，外推到第四个点(通常是选择1.1倍的工作电压)估算在正常工作电压(即1倍电压)下的器件寿命。如下图：
图 3.4 胡模型
Vd模型也是应用的模型之一，它的表达式如下： (3.3)
式中的器件的寿命用t表示，t0和B是两个拟合参数，为了便于观看变化趋势，通常将公式两边取对数:
(3.4)
下图举例了典型的这些参数的关系：
图 3.5 Vd模型进
在实际的应用中，衬底电流模型也是应用广泛的模型之一，该模型的计算公式为：
(3.5)
式中C和b均是拟合参数，W是器件宽度，同样为了便于观看变化趋势，通常将公式两边取对数：
(3.6)
在实际计算中绘制的图形如下图：
图 3.6 衬底电流模型
以上列举了三种广泛应用的计算HCI寿命的模型，都是基于JEDEC标准之JEDEC-28，三种模型的基本思想都是运用三点法外推到1.1倍工作电压，进而推算正常工作电压下的器件寿命。
4 结论
本文对MOS器件的热载流子效应进行了详细的论述，分析了热载流子产生的物理机制，热载流子注入氧化层后的三种情况，以及三种注入下的热载流子对栅氧化层的两种损伤机制。由于热载流子的注入两种损伤机制在Si-SiO2界面处及在栅氧中产生大量缺陷(陷阱和界面态)，这将会使MOS器件的驱动能力随着工作时间的不断增加而降低，从而使其阈值电压、迁移率等参数不断漂移，最终导致MOS器件失效。文中进一步分析了热载流子效应下的器件寿命模型计算，分析了目前主流的三种寿命模型，即，在JEDEC标准中下的三种计算模型：Isub/Id模型(即：胡模型)，Vd模型，衬底电流模型。有了这些寿命估算模型的估算结果，将会为器件优化、工艺改进提供非常重要的信息。
禹玥昀 女 1984.07.29 云南临沧人 硕士 就职于西南林业大学计算机与信息学院 主要研究方向为mos器件的建模和器件可靠性的研究。
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