Injeção de transportador quente - Hot-carrier injection

Injeção de portadora quente ( HCI ) é um fenômeno em dispositivos eletrônicos de estado sólido onde um elétron ou um “ buraco ” ganha energia cinética suficiente para superar uma barreira potencial necessária para quebrar um estado de interface. O termo "quente" refere-se à temperatura efetiva usada para modelar a densidade do portador, não à temperatura geral do dispositivo. Uma vez que os portadores de carga podem ficar presos no dielétrico de porta de um transistor MOS , as características de comutação do transistor podem ser alteradas permanentemente. A injeção de portadora quente é um dos mecanismos que afeta adversamente a confiabilidade dos semicondutores de dispositivos de estado sólido.

Física

O termo "injeção de portador quente" geralmente se refere ao efeito em MOSFETs , onde um portador é injetado do canal condutor no substrato de silício para o dielétrico de porta , que geralmente é feito de dióxido de silício (SiO ₂ ).

Para ficar “quente” e entrar na banda de condução de SiO ₂ , um elétron deve ganhar uma energia cinética de ~ 3,2  eV . Para orifícios, o deslocamento da banda de valência, neste caso, determina que eles devem ter uma energia cinética de 4,6 eV. O termo "elétron quente" vem do termo de temperatura efetiva usado ao modelar a densidade do portador (ou seja, com uma função Fermi-Dirac) e não se refere à temperatura em massa do semicondutor (que pode ser fisicamente fria, embora seja mais quente , quanto maior a população de elétrons quentes, ele conterá todo o resto sendo igual).

O termo “elétron quente” foi originalmente introduzido para descrever elétrons de não equilíbrio (ou lacunas) em semicondutores. Mais amplamente, o termo descreve as distribuições de elétrons que podem ser descritas pela função de Fermi , mas com uma temperatura efetiva elevada. Essa energia maior afeta a mobilidade dos portadores de carga e, como conseqüência, afeta como eles viajam através de um dispositivo semicondutor.

Os elétrons quentes podem criar um túnel para fora do material semicondutor, em vez de se recombinarem com um orifício ou serem conduzidos através do material até um coletor. Os efeitos consequentes incluem aumento da corrente de fuga e possível dano ao material dielétrico de encapsulamento se o portador quente interromper a estrutura atômica do dielétrico.

Elétrons quentes podem ser criados quando um fóton de radiação eletromagnética de alta energia (como a luz) atinge um semicondutor. A energia do fóton pode ser transferida para um elétron, excitando o elétron para fora da banda de valência e formando um par elétron-buraco. Se o elétron receber energia suficiente para deixar a banda de valência e ultrapassar a banda de condução, ele se torna um elétron quente. Esses elétrons são caracterizados por altas temperaturas efetivas. Por causa das altas temperaturas efetivas, os elétrons quentes são muito móveis e provavelmente deixam o semicondutor e viajam para outros materiais ao redor.

Em alguns dispositivos semicondutores, a energia dissipada pelos fônons de elétrons quentes representa uma ineficiência, pois a energia é perdida na forma de calor. Por exemplo, algumas células solares dependem das propriedades fotovoltaicas de semicondutores para converter luz em eletricidade. Nessas células, o efeito do elétron quente é a razão de uma parte da energia da luz ser perdida em calor, em vez de convertida em eletricidade.

Elétrons quentes surgem genericamente em baixas temperaturas, mesmo em semicondutores ou metais degenerados. Existem vários modelos para descrever o efeito do elétron quente. O mais simples prevê uma interação elétron-fônon (ep) com base em um modelo de elétron livre tridimensional limpo. Os modelos de efeito de elétrons quentes ilustram uma correlação entre a potência dissipada, a temperatura do gás do elétron e o superaquecimento.

Efeitos em transistores

Nos MOSFETs , os elétrons quentes têm energia suficiente para fazer um túnel através da porta de óxido fino e aparecer como corrente de porta ou como corrente de fuga de substrato. Em um MOSFET, quando uma porta é positiva e a chave está ligada, o dispositivo é projetado com a intenção de que os elétrons fluam lateralmente através do canal condutor, da fonte ao dreno. Elétrons quentes podem pular da região do canal ou do dreno, por exemplo, e entrar no portão ou no substrato. Esses elétrons quentes não contribuem para a quantidade de corrente que flui através do canal conforme pretendido e, em vez disso, são uma corrente de fuga.

As tentativas de corrigir ou compensar o efeito do elétron quente em um MOSFET podem envolver a localização de um diodo em polarização reversa no terminal da porta ou outras manipulações do dispositivo (como drenos levemente dopados ou drenos duplamente dopados).

Quando os elétrons são acelerados no canal, eles ganham energia ao longo do caminho livre médio. Essa energia é perdida de duas maneiras diferentes:

1. O portador atinge um átomo no substrato. Em seguida, a colisão cria um portador frio e um par elétron-buraco adicional. No caso de transistores nMOS, elétrons adicionais são coletados pelo canal e buracos adicionais são evacuados pelo substrato.
2. O portador atinge uma ligação Si-H e quebra a ligação. Um estado de interface é criado e o átomo de hidrogênio é liberado no substrato.

A probabilidade de atingir um átomo ou uma ligação Si-H é aleatória, e a energia média envolvida em cada processo é a mesma em ambos os casos.

Esta é a razão pela qual a corrente do substrato é monitorada durante o estresse de HCI. Uma alta corrente de substrato significa um grande número de pares de elétron-buraco criados e, portanto, um mecanismo eficiente de quebra de ligação Si-H.

Quando os estados da interface são criados, a tensão limite é modificada e a inclinação do sublimiar é degradada. Isso leva a uma corrente mais baixa e degrada a freqüência de operação do circuito integrado.

Dimensionamento

Os avanços nas técnicas de fabricação de semicondutores e a demanda cada vez maior por circuitos integrados (ICs) mais rápidos e complexos levaram o transistor de efeito de campo (MOSFET) Metal-Óxido-Semicondutor associado a escalar para dimensões menores.

No entanto, não foi possível dimensionar a tensão de alimentação usada para operar esses ICs proporcionalmente devido a fatores como compatibilidade com os circuitos da geração anterior, margem de ruído , requisitos de energia e atraso e não escalonamento da tensão de limiar , inclinação de sublimiar e parasita capacitância .

Como resultado, os campos elétricos internos aumentam em MOSFETs escalados agressivamente, o que vem com o benefício adicional de velocidades de portadora aumentadas (até a saturação de velocidade ) e, portanto, maior velocidade de comutação, mas também apresenta um grande problema de confiabilidade para a operação de longo prazo destes dispositivos, uma vez que campos altos induzem injeção de portador quente, o que afeta a confiabilidade do dispositivo.

Grandes campos elétricos em MOSFETs implicam na presença de portadores de alta energia, chamados de “ portadores quentes ”. Esses portadores quentes que têm energias e momentos suficientemente elevados para permitir que sejam injetados do semicondutor nos filmes dielétricos circundantes, como os óxidos de porta e parede lateral, bem como o óxido enterrado no caso de MOSFETs de silício sobre isolador (SOI) .

Impacto de confiabilidade

A presença de tais portadores móveis nos óxidos desencadeia inúmeros processos de danos físicos que podem alterar drasticamente as características do dispositivo durante períodos prolongados. O acúmulo de danos pode eventualmente fazer com que o circuito falhe como parâmetros importantes, como mudança de tensão de limiar devido a tais danos. O acúmulo de dano resultante da degradação no comportamento do dispositivo devido à injeção de portador quente é chamado de “ degradação de portador quente ”.

A vida útil dos circuitos e circuitos integrados baseados em tal dispositivo MOS é, portanto, afetada pela vida útil do próprio dispositivo MOS. Para garantir que os circuitos integrados fabricados com dispositivos de geometria mínima não tenham sua vida útil prejudicada, a vida útil dos dispositivos MOS componentes deve ter sua degradação HCI bem compreendida. A falha em caracterizar com precisão os efeitos do tempo de vida de HCI pode afetar os custos de negócios, como custos de garantia e suporte e marketing de impacto e promessas de vendas para uma fundição ou fabricante de IC.

Relação com os efeitos da radiação

A degradação do portador quente é fundamentalmente o mesmo que o efeito da radiação de ionização conhecido como dano de dose total a semicondutores, conforme experimentado em sistemas espaciais devido à exposição de prótons solares , elétrons, raios X e raios gama .

Células de memória flash HCI e NOR

HCI é a base de operação para uma série de tecnologias de memória não volátil , como células EPROM . Assim que a potencial influência prejudicial da injeção de HC na confiabilidade do circuito foi reconhecida, várias estratégias de fabricação foram concebidas para reduzi-la sem comprometer o desempenho do circuito.

A memória flash NOR explora o princípio da injeção de portadores quentes, injetando deliberadamente portadores através do óxido da porta para carregar a porta flutuante . Esta carga altera a tensão limite do transistor MOS para representar um estado lógico '0' . Uma porta flutuante sem carga representa um estado '1'. Apagar a célula de memória Flash NOR remove a carga armazenada por meio do processo de tunelamento Fowler – Nordheim .

Por causa do dano ao óxido causado pela operação normal do NOR Flash, o dano HCI é um dos fatores que fazem com que o número de ciclos de apagamento de gravação seja limitado. Como a capacidade de manter a carga e a formação de armadilhas de dano no óxido afeta a capacidade de ter estados de carga '1' e '0' distintos, o dano HCI resulta no fechamento da janela de margem lógica da memória não volátil ao longo do tempo. O número de ciclos de apagamento de gravação em que '1' e '0' não podem mais ser distinguidos define a durabilidade de uma memória não volátil.

Veja também

• Quebra de óxido de porta dependente do tempo (também quebra dielétrica dependente do tempo , TDDB)
• Eletromigração (EM)
• Instabilidade de temperatura de polarização negativa (NBTI)
• Migração de estresse
• Dispersão de malha

Referências

links externos

• Um artigo sobre transportadoras quentes em www.siliconfareast.com
• IEEE International Reliability Physics Symposium , a principal conferência acadêmica e técnica para confiabilidade de semicondutores envolvendo HCI e outros fenômenos de confiabilidade