Inyección de portador caliente
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La inyección de portador caliente ( HCI ) es un fenómeno en los dispositivos electrónicos de estado sólido donde un electrón o un " agujero " gana suficiente energía cinética para superar una barrera potencial necesaria para romper un estado de interfaz. El término "caliente" se refiere a la temperatura efectiva utilizada para modelar la densidad del portador, no a la temperatura general del dispositivo. Dado que los portadores de carga pueden quedar atrapados en el dieléctrico de puerta de un transistor MOS , las características de conmutación del transistor se pueden cambiar permanentemente. La inyección de portador caliente es uno de los mecanismos que afecta negativamente la confiabilidad de los semiconductores.de dispositivos de estado sólido. [1]

Física

El término "inyección de portador caliente" generalmente se refiere al efecto en los MOSFET , donde se inyecta un portador desde el canal conductor en el sustrato de silicio al dieléctrico de la puerta , que normalmente está hecho de dióxido de silicio (SiO 2 ).

Para calentarse y entrar en la banda de conducción de SiO 2 , un electrón debe ganar una energía cinética de ~ 3,2  eV . Para los agujeros, el desplazamiento de la banda de valencia en este caso dicta que deben tener una energía cinética de 4,6 eV. El término "electrón caliente" proviene del término de temperatura efectiva que se usa al modelar la densidad del portador (es decir, con una función de Fermi-Dirac) y no se refiere a la temperatura global del semiconductor (que puede ser físicamente fría, aunque más cálida , cuanto mayor sea la población de electrones calientes, contendrá todo lo demás en igualdad de condiciones).

El término "electrón caliente" se introdujo originalmente para describir los electrones (o huecos) que no están en equilibrio en los semiconductores. [2] En términos más generales, el término describe distribuciones de electrones que se pueden describir mediante la función de Fermi , pero con una temperatura efectiva elevada. Esta mayor energía afecta la movilidad de los portadores de carga y, como consecuencia, afecta la forma en que viajan a través de un dispositivo semiconductor. [3]

Los electrones calientes pueden salir del material semiconductor en forma de túnel, en lugar de recombinarse con un agujero o ser conducidos a través del material hasta un colector. Los efectos consiguientes incluyen una mayor corriente de fuga y un posible daño al material dieléctrico envolvente si el portador caliente altera la estructura atómica del dieléctrico.

Se pueden crear electrones calientes cuando un fotón de radiación electromagnética de alta energía (como la luz) incide en un semiconductor. La energía del fotón se puede transferir a un electrón, excitando al electrón fuera de la banda de valencia y formando un par electrón-hueco. Si el electrón recibe suficiente energía para salir de la banda de valencia y superar la banda de conducción, se convierte en un electrón caliente. Dichos electrones se caracterizan por altas temperaturas efectivas. Debido a las altas temperaturas efectivas, los electrones calientes son muy móviles y es probable que abandonen el semiconductor y viajen a otros materiales circundantes.

En algunos dispositivos semiconductores, la energía disipada por fonones de electrones calientes representa una ineficiencia, ya que la energía se pierde en forma de calor. Por ejemplo, algunas células solares se basan en las propiedades fotovoltaicas de los semiconductores para convertir la luz en electricidad. En tales células, el efecto de los electrones calientes es la razón por la que una parte de la energía luminosa se pierde en calor en lugar de convertirse en electricidad. [4]

Los electrones calientes surgen genéricamente a bajas temperaturas incluso en semiconductores o metales degenerados. [5] Hay varios modelos para describir el efecto de electrones calientes. [6] El más simple predice una interacción electrón-fonón (ep) basada en un modelo limpio tridimensional de electrones libres. [7] [8] Los modelos de efecto de electrones calientes ilustran una correlación entre la potencia disipada, la temperatura del gas de electrones y el sobrecalentamiento.

Efectos sobre los transistores

En los MOSFET , los electrones calientes tienen suficiente energía para atravesar la delgada puerta de óxido y aparecer como corriente de puerta o como corriente de fuga del sustrato. En un MOSFET, cuando una puerta es positiva y el interruptor está encendido, el dispositivo está diseñado con la intención de que los electrones fluyan lateralmente a través del canal conductor, desde la fuente hasta el drenaje. Los electrones calientes pueden saltar desde la región del canal o desde el drenaje, por ejemplo, y entrar en la puerta o el sustrato. Estos electrones calientes no contribuyen a la cantidad de corriente que fluye a través del canal como se pretendía y, en cambio, son una corriente de fuga.

Los intentos de corregir o compensar el efecto de electrones calientes en un MOSFET pueden implicar ubicar un diodo en polarización inversa en el terminal de la puerta u otras manipulaciones del dispositivo (como drenajes ligeramente dopados o desagües dopados doblemente).

Cuando los electrones se aceleran en el canal, ganan energía a lo largo del camino libre medio. Esta energía se pierde de dos formas distintas:

  1. El portador golpea un átomo en el sustrato. Luego, la colisión crea un portador frío y un par adicional de electrones y huecos. En el caso de los transistores nMOS, el canal recoge electrones adicionales y el sustrato evacua los orificios adicionales.
  2. El portador golpea un enlace Si-H y rompe el enlace. Se crea un estado de interfaz y el átomo de hidrógeno se libera en el sustrato.

La probabilidad de golpear un átomo o un enlace Si-H es aleatoria, y la energía promedio involucrada en cada proceso es la misma en ambos casos.

Esta es la razón por la que se controla la corriente del sustrato durante el estrés por HCI. Una corriente de sustrato alta significa un gran número de pares de electrones y huecos creados y, por lo tanto, un mecanismo eficiente de rotura del enlace Si-H.

Cuando se crean estados de interfaz, se modifica el voltaje de umbral y se degrada la pendiente del subumbral. Esto conduce a una corriente más baja y degrada la frecuencia de funcionamiento del circuito integrado.

Escalada

Los avances en las técnicas de fabricación de semiconductores y la demanda cada vez mayor de circuitos integrados (CI) más rápidos y complejos han llevado al transistor de efecto de campo (MOSFET) asociado de óxido de metal-semiconductor (MOSFET) a escalar a dimensiones más pequeñas.

Sin embargo, no ha sido posible escalar el voltaje de suministro utilizado para operar estos circuitos integrados proporcionalmente debido a factores como la compatibilidad con los circuitos de generación anterior, el margen de ruido , los requisitos de potencia y retardo, y la falta de escalado del voltaje umbral , pendiente subumbral y parásitos. capacitancia .

Como resultado, los campos eléctricos internos aumentan en MOSFET de escala agresiva, lo que viene con el beneficio adicional de mayores velocidades de portadora (hasta la saturación de la velocidad ) y, por lo tanto, una mayor velocidad de conmutación, [9] pero también presenta un importante problema de confiabilidad a largo plazo. funcionamiento de estos dispositivos, ya que los campos altos inducen una inyección de portadora caliente que afecta la confiabilidad del dispositivo.

Los grandes campos eléctricos en los MOSFET implican la presencia de portadores de alta energía, denominados " portadores calientes ". Estos portadores calientes tienen energías y momentos lo suficientemente altos como para permitir que se inyecten desde el semiconductor en las películas dieléctricas circundantes, como los óxidos de la puerta y las paredes laterales, así como el óxido enterrado en el caso de los MOSFET de silicio sobre aislante (SOI) .

Impacto en la confiabilidad

La presencia de tales portadores móviles en los óxidos desencadena numerosos procesos de daño físico que pueden cambiar drásticamente las características del dispositivo durante períodos prolongados. La acumulación de daño puede eventualmente hacer que el circuito falle como parámetros clave como el cambio de voltaje de umbral debido a dicho daño. La acumulación de daño que resulta en la degradación del comportamiento del dispositivo debido a la inyección del portador caliente se denomina " degradación del portador caliente ".

La vida útil de los circuitos y los circuitos integrados basados ​​en un dispositivo MOS de este tipo se ve afectada por la vida útil del dispositivo MOS en sí. Para asegurar que los circuitos integrados fabricados con dispositivos de geometría mínima no se vean afectados por su vida útil, la vida útil de los dispositivos MOS componentes debe tener bien entendido su degradación HCI. No caracterizar con precisión los efectos de la vida útil de la HCI puede afectar en última instancia los costos comerciales, como los costos de garantía y soporte, y afectar las promesas de marketing y ventas para una fundición o un fabricante de circuitos integrados.

Relación con los efectos de la radiación

La degradación del portador caliente es fundamentalmente igual que el efecto de la radiación de ionización conocido como daño por dosis total a los semiconductores, como se experimenta en los sistemas espaciales debido a la exposición solar a protones , electrones, rayos X y rayos gamma .

Células de memoria flash HCI y NOR

HCI es la base de funcionamiento de una serie de tecnologías de memoria no volátil , como las células EPROM . Tan pronto como se reconoció la posible influencia perjudicial de la inyección de HC en la confiabilidad del circuito, se idearon varias estrategias de fabricación para reducirla sin comprometer el rendimiento del circuito.

La memoria flash NOR explota el principio de inyección de portadores calientes inyectando portadores deliberadamente a través del óxido de la puerta para cargar la puerta flotante . Esta carga altera el voltaje de umbral del transistor MOS para representar un estado lógico '0' . Una puerta flotante descargada representa un estado '1'. El borrado de la celda de memoria Flash NOR elimina la carga almacenada mediante el proceso de tunelización de Fowler-Nordheim .

Debido al daño al óxido causado por el funcionamiento normal de la memoria flash NOR, el daño del HCI es uno de los factores que hace que el número de ciclos de borrado de escritura sea limitado. Debido a que la capacidad de mantener la carga y la formación de trampas de daño en el óxido afecta la capacidad de tener distintos estados de carga '1' y '0', el daño por HCI da como resultado el cierre de la ventana del margen lógico de la memoria no volátil con el tiempo. El número de ciclos de borrado de escritura en los que ya no se pueden distinguir "1" y "0" define la resistencia de una memoria no volátil.

Ver también

  • Desglose de óxido de puerta dependiente del tiempo (también desglose dieléctrico dependiente del tiempo , TDDB)
  • Electromigración (EM)
  • Inestabilidad de temperatura de polarización negativa (NBTI)
  • Migración de estrés
  • Dispersión de celosía

Referencias

  1. ^ Keane, John; Kim, Chris H (25 de abril de 2011). "Envejecimiento del transistor" . Espectro IEEE . Consultado el 21 de junio de 2020 .
  2. ^ Conwell, EM, Transporte de alto campo en semiconductores, Suplemento de física del estado sólido 9 (Academic Press, Nueva York, 1967).
  3. ^ "Efecto de electrones calientes en superconductores y sus aplicaciones para sensores de radiación" (PDF) . Revisión de LLE . 87 : 134.
  4. ^ Tisdale, WA; Williams, KJ; Timp, BA; Norris, DJ; Aydil, ES; Zhu, X.- Y. (2010). "Transferencia de electrones calientes de nanocristales semiconductores". Ciencia . 328 (5985): 1543–7. Código bibliográfico : 2010Sci ... 328.1543T . doi : 10.1126 / science.1185509 . PMID 20558714 . S2CID 35169618 .  
  5. ^ Roukes, M .; Freeman, M .; Germain, R .; Richardson, R .; Ketchen, M. (1985). "Electrones calientes y transporte de energía en metales a temperaturas milikelvin" (PDF) . Cartas de revisión física . 55 (4): 422–425. Código Bibliográfico : 1985PhRvL..55..422R . doi : 10.1103 / PhysRevLett.55.422 . PMID 10032346 .  
  6. ^ Falferi, P; Mezzena, R; Mück, M; Vinante, A (2008). "Aletas de enfriamiento para limitar el efecto de los electrones calientes en los SQUIDs de CC" (descarga gratuita) . Journal of Physics: Serie de conferencias . 97 (1): 012092. Código Bibliográfico : 2008JPhCS..97a2092F . doi : 10.1088 / 1742-6596 / 97/1/012092 .
  7. ^ Bien entendido, F .; Urbina, C .; Clarke, John (1994). "Efectos de electrones calientes en metales". Physical Review B . 49 (9): 5942–5955. Código Bibliográfico : 1994PhRvB..49.5942W . doi : 10.1103 / PhysRevB.49.5942 . PMID 10011570 . 
  8. ^ Qu, S.-X .; Cleland, A .; Geller, M. (2005). "Electrones calientes en sistemas de fonones de baja dimensión". Physical Review B . 72 (22): 224301. arXiv : cond-mat / 0503379 . Código Bibliográfico : 2005PhRvB..72v4301Q . doi : 10.1103 / PhysRevB.72.224301 . S2CID 15241519 . 
  9. ^ Richard C. Dorf (ed) El manual de ingeniería eléctrica , CRC Press, 1993 ISBN 0-8493-0185-8 página 578 

enlaces externos

  • Un artículo sobre los transportistas calientes en www.siliconfareast.com
  • IEEE International Reliability Physics Symposium , la principal conferencia académica y técnica para la confiabilidad de semiconductores que involucra HCI y otros fenómenos de confiabilidad
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