ホットキャリア注入

ホットキャリア注入（HCI ）は、固体電子デバイスにおいて、電子または「正孔」が十分な運動エネルギーを得て、界面状態を破壊するために必要な電位障壁を克服する現象です。「ホット」という用語は、デバイス全体の温度ではなく、キャリア密度をモデル化するために用いられる有効温度を指します。MOSトランジスタのゲート絶縁膜に電荷キャリアが閉じ込められる可能性があるため、トランジスタのスイッチング特性が恒久的に変化する可能性があります。ホットキャリア注入は、固体デバイスの半導体の信頼性に悪影響を及ぼすメカニズムの1つです。 [ 1 ]

物理

「ホット キャリア注入」という用語は通常、 MOSFETにおける効果を指し、シリコン基板の導電チャネルからゲート誘電体(通常は二酸化シリコン(SiO 2 ) ) にキャリアが注入されます。

電子が 「熱く」なり、SiO 2の伝導帯に入るには、約3.2 eVの運動エネルギーを得る必要があります。正孔の場合、この場合の価電子帯オフセットにより、運動エネルギーは4.6 eVになります。「ホットエレクトロン」という用語は、キャリア密度をモデル化する際に（つまり、フェルミ-ディラック関数を用いて）使用される有効温度項に由来しており、半導体のバルク温度を指すものではありません（半導体は物理的には低温になることもありますが、他の条件が同じであれば、温度が高いほど、含まれるホットエレクトロンの数は多くなります）。

「ホットエレクトロン」という用語は、もともと半導体中の非平衡電子（または正孔）を説明するために導入されました。[ 2 ]より広義には、この用語はフェルミ関数 で記述できる電子分布のうち、有効温度が上昇した状態を指します。この高いエネルギーは電荷キャリアの移動度に影響を与え、結果として半導体デバイス内を移動するキャリアの挙動に影響を与えます。[ 3 ]

ホットエレクトロンは、正孔と再結合したり、材料を通ってコレクターに伝導されたりする代わりに、半導体材料からトンネル効果で抜け出すことができます。その結果、リーク電流が増加したり、ホットキャリアが誘電体の原子構造を乱した場合には、それを囲む誘電体材料が損傷する可能性があります。

ホットエレクトロンは、高エネルギーの電磁放射線（光など）の光子が半導体に衝突すると発生します。光子のエネルギーは電子に伝達され、価電子帯から電子を励起して電子正孔対を形成します。電子が価電子帯を出て伝導帯を超えるのに十分なエネルギーを受け取ると、ホットエレクトロンになります。このような電子は、実効温度が高いという特徴があります。実効温度が高いため、ホットエレクトロンは非常に移動しやすく、半導体から出て周囲の他の物質へと移動しやすくなります。

一部の半導体デバイスでは、ホットエレクトロンフォノンによって散逸されるエネルギーが熱として失われるため、非効率性が生じます。例えば、一部の太陽電池は、半導体の光起電力特性を利用して光を電気に変換します。このような太陽電池では、ホットエレクトロン効果により、光エネルギーの一部が電気に変換されるのではなく、熱として失われます。[ 4 ]

ホットエレクトロンは、縮退した半導体や金属でも、一般的に低温で発生します。[ 5 ]ホットエレクトロン効果を説明するモデルは数多く存在します。[ 6 ] 最も単純なモデルは、クリーンな3次元自由電子モデルに基づいて、電子-フォノン（ep）相互作用を予測するものです。[ 7 ] [ 8 ]ホットエレクトロン効果モデルは、消費電力、電子ガス温度、過熱間の相関関係を示しています。

トランジスタへの影響

MOSFETでは、ホットエレクトロンは薄いゲート酸化膜をトンネルするのに十分なエネルギーを持ち、ゲート電流、あるいは基板リーク電流として現れます。MOSFETでは、ゲートが正電圧でスイッチがオンのとき、電子が導電チャネルを横方向に、つまりソースからドレインへと流れるように設計されています。ホットエレクトロンは、例えばチャネル領域またはドレインから飛び出し、ゲートまたは基板に侵入する可能性があります。これらのホットエレクトロンは、チャネルを流れる電流量には本来の目的には寄与せず、リーク電流として現れます。

MOSFET のホット エレクトロン効果を修正または補償する試みには、ゲート端子に逆バイアスのダイオードを配置することや、デバイスのその他の操作 (軽度ドープ ドレインや二重ドープ ドレインなど) が含まれる場合があります。

電子がチャネル内で加速されると、平均自由行程に沿ってエネルギーを獲得します。このエネルギーは2つの異なる方法で失われます。

  1. キャリアは基板内の原子に衝突します。衝突により、コールドキャリアと追加の電子-正孔対が生成されます。nMOSトランジスタの場合、追加の電子がチャネルに収集され、追加の正孔が基板から排出されます。
  2. キャリアはSi-H結合に衝突し、結合を切断します。界面準位が生成され、水素原子が基板に放出されます。

原子または Si-H 結合のいずれかに当たる確率はランダムであり、各プロセスに関係する平均エネルギーはどちらの場合も同じです。

これが、HCIストレス中に基板電流をモニタリングする理由です。基板電流が高いということは、生成された電子-正孔対の数が多く、Si-H結合が効率的に切断されることを意味します。

界面準位が形成されると、閾値電圧が変化し、サブスレッショルドスロープが劣化します。これにより電流が低下し、集積回路の動作周波数が低下します。

スケーリング

半導体製造技術の進歩と、より高速で複雑な集積回路(IC)に対する需要の高まりにより、関連する金属酸化物半導体電界効果トランジスタ (MOSFET) はより小さなサイズへと縮小されてきました。

しかし、前世代の回路との互換性、ノイズ マージン、電力および遅延要件、しきい値電圧、サブスレッショルド スロープ、寄生容量の非スケーリングなどの要因により、これらの IC を動作させるために使用される電源電圧を比例して縮小することは不可能でした。

その結果、積極的にスケーリングされたMOSFETでは内部電界が増加し、キャリア速度（速度飽和まで）の増加、ひいてはスイッチング速度の増加という追加の利点が得られますが[ 9 ] 、高電界がホットキャリア注入を誘発し、デバイスの信頼性に影響を与えるため、これらのデバイスの長期動作において 大きな信頼性の問題も生じます。

MOSFETにおける高電界は、「ホットキャリア」と呼ばれる高エネルギーキャリアの存在を意味します。これらのホットキャリアは、十分に高いエネルギーと運動量を有しており、半導体からゲート酸化膜や側壁酸化膜、さらにはSOI（シリコン・オン・インシュレータ）MOSFETの場合は埋め込み酸化膜といった周囲の誘電体膜へと注入されます。

信頼性への影響

酸化物中にこのような移動キャリアが存在すると、多くの物理的損傷プロセスが引き起こされ、長期間にわたってデバイス特性を劇的に変化させる可能性があります。損傷が蓄積すると、閾値電圧などの重要なパラメータがシフトし、最終的には回路の故障につながる可能性があります。ホットキャリア注入によるデバイス動作の劣化につながる損傷の蓄積は、「ホットキャリア劣化」と呼ばれます。

したがって、このようなMOSデバイスをベースにした回路および集積回路の耐用年数は、MOSデバイス自体の寿命に影響を受けます。最小ジオメトリデバイスで製造された集積回路の耐用年数が損なわれないようにするには、構成するMOSデバイスの寿命におけるHCI劣化を十分に理解する必要があります。HCI寿命への影響を正確に評価できないと、最終的には保証やサポート費用などの事業コストに影響を及ぼし、ファウンドリやICメーカーのマーケティングや販売約束にも悪影響を及ぼす可能性があります。

放射線の影響との関係

ホットキャリア劣化は、太陽の陽子、電子、X 線、ガンマ線への曝露により宇宙システムで経験される、半導体への総線量損傷として知られる電離放射線効果と基本的に同じです。

HCIおよびNORフラッシュメモリセル

HCIは、 EPROMセルをはじめとする多くの不揮発性メモリ技術の動作基盤です。HC注入が回路の信頼性に悪影響を及ぼす可能性があることが認識されると、回路性能を損なうことなくHCの影響を低減するための複数の製造戦略が考案されました。

NORフラッシュメモリは、ホットキャリア注入の原理を利用して、ゲート酸化膜に意図的にキャリアを注入し、フローティングゲートを充電します。この電荷はMOSトランジスタの閾値電圧を変化させ、論理「0」状態を表します。フローティングゲートが充電されていない場合は「1」状態を表します。NORフラッシュメモリセルを消去すると、ファウラー・ノルドハイム・トンネル効果によって蓄積された電荷が除去されます。

NORフラッシュの通常の動作によって酸化膜が損傷を受けるため、HCI（高信頼性電荷注入）損傷は書き込み・消去サイクル回数を制限する要因の一つとなります。酸化膜中の電荷保持能力と損傷トラップの形成は、「1」と「0」の電荷状態を明確に区別する能力に影響を与えるため、HCI損傷は時間の経過とともに不揮発性メモリのロジックマージンウィンドウを狭めます。「1」と「0」を区別できなくなる書き込み・消去サイクル回数が、不揮発性メモリの耐久性を決定します。

参照

参考文献

  1. ^ Keane, John; Kim, Chris H (2011年4月25日). 「トランジスタの老化」 . IEEE Spectrum . 2020年6月21日閲覧。
  2. ^ Conwell, EM、「半導体における高電界輸送」、固体物理学補足9（アカデミックプレス、ニューヨーク、1967年）。
  3. ^ 「超伝導体におけるホットエレクトロン効果と放射線センサーへの応用」（PDF）LLEレビュー87 ： 134 。
  4. ^ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, BA; Norris, DJ; Aydil, ES; Zhu, X.- Y. (2010). 「半導体ナノ結晶からのホットエレクトロン移動」. Science . 328 (5985): 1543–7 . Bibcode : 2010Sci...328.1543T . doi : 10.1126/ science.11 ​​85509. PMID 20558714. S2CID 35169618 .  
  5. ^Roukes, M.; Freeman, M.; Germain, R.; Richardson, R.; Ketchen, M. (1985). "Hot electrons and energy transport in metals at millikelvin temperatures"(PDF). Physical Review Letters. 55 (4): 422–425. Bibcode:1985PhRvL..55..422R. doi:10.1103/PhysRevLett.55.422. PMID 10032346.
  6. ^Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Vinante, A (2008). "Cooling fins to limit the hot-electron effect in dc SQUIDs". Journal of Physics: Conference Series. 97 (1) 012092. Bibcode:2008JPhCS..97a2092F. doi:10.1088/1742-6596/97/1/012092.
  7. ^Wellstood, F.; Urbina, C.; Clarke, John (1994). "Hot-electron effects in metals". 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.; Geller, M. (2005). "Hot electrons in low-dimensional phonon systems". Physical Review B. 72 (22) 224301. arXiv:cond-mat/0503379. Bibcode:2005PhRvB..72v4301Q. doi:10.1103/PhysRevB.72.224301. S2CID 15241519.
  9. ^Richard C. Dorf (ed) The Electrical Engineering Handbook, CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 page 578
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