La inyección de portador caliente ( HCI ) es un fenómeno en dispositivos electrónicos de estado sólido donde un electrón o un " hueco " 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 pueden cambiar permanentemente. La inyección de portadores calientes es uno de los mecanismos que afecta negativamente a la fiabilidad de los semiconductores de los dispositivos de estado sólido. [1]
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 hasta el dieléctrico de puerta , que generalmente está hecho de dióxido de silicio (SiO 2 ).
Para “calentarse” y entrar en la banda de conducción del 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 utilizado al modelar la densidad de portadores (es decir, con una función de Fermi-Dirac) y no se refiere a la temperatura global del semiconductor (que puede ser físicamente fría, aunque cuanto más caliente esté). , mayor será la población de electrones calientes que contendrá (en igualdad de condiciones).
El término "electrón caliente" se introdujo originalmente para describir los electrones (o huecos) que no estaban en equilibrio en los semiconductores. [2] Más ampliamente, 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 por túneles, en lugar de recombinarse con un orificio o ser conducidos a través del material hasta un colector. Los efectos consiguientes incluyen un aumento de la corriente de fuga y posibles daños al material dieléctrico que lo envuelve 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) choca contra un semiconductor. La energía del fotón se puede transferir a un electrón, excitándolo fuera de la banda de valencia y formando un par electrón-hueco. Si el electrón recibe suficiente energía para abandonar la banda de valencia y superar la banda de conducción, se convierte en un electrón caliente. Estos electrones se caracterizan por tener 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 los fonones de electrones calientes representa una ineficiencia ya que la energía se pierde en forma de calor. Por ejemplo, algunas células solares dependen de 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 generalmente surgen a bajas temperaturas incluso en semiconductores o metales degenerados. [5] Hay varios modelos para describir el efecto de los electrones calientes. [6] El más simple predice una interacción electrón-fonón (ep) basada en un modelo tridimensional limpio 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.
En los MOSFET , los electrones calientes tienen suficiente energía para atravesar el fino óxido de la puerta 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, por ejemplo, de la región del canal o del drenaje y entrar en la puerta o en el sustrato. Estos electrones calientes no contribuyen a la cantidad de corriente que fluye a través del canal como se esperaba y, en cambio, son una corriente de fuga.
Los intentos de corregir o compensar el efecto de los electrones calientes en un MOSFET pueden implicar la ubicación de un diodo con polarización inversa en el terminal de puerta u otras manipulaciones del dispositivo (como drenajes ligeramente dopados o drenajes doblemente dopados).
Cuando los electrones se aceleran en el canal, ganan energía a lo largo del camino libre medio. Esta energía se pierde de dos formas diferentes:
La probabilidad de chocar contra 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 cual se monitorea la corriente del sustrato durante el estrés de HCI. Una corriente de sustrato alta significa una gran cantidad de pares de huecos de electrones creados y, por lo tanto, un mecanismo eficiente de ruptura del enlace Si-H.
Cuando se crean estados de interfaz, el voltaje umbral se modifica y la pendiente subumbral se degrada. Esto conduce a una corriente más baja y degrada la frecuencia de funcionamiento del circuito integrado.
Los avances en las técnicas de fabricación de semiconductores y la demanda cada vez mayor de circuitos integrados (CI) más rápidos y complejos han impulsado el transistor de efecto de campo semiconductor de óxido metálico (MOSFET) asociado a escalar a dimensiones más pequeñas.
Sin embargo, no ha sido posible escalar proporcionalmente el voltaje de suministro utilizado para operar estos circuitos integrados debido a factores como la compatibilidad con circuitos de generaciones anteriores, el margen de ruido , los requisitos de potencia y retardo, y la falta de escalamiento del voltaje umbral , la pendiente subumbral y la tensión parásita. capacitancia .
Como resultado, los campos eléctricos internos aumentan en los MOSFET de escala agresiva, lo que conlleva el beneficio adicional de mayores velocidades de la portadora (hasta la saturación de 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 elevados inducen la inyección de portadores calientes, lo 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 suficientemente altos para permitir que se inyecten desde el semiconductor a las películas dieléctricas circundantes, como los óxidos de puerta y de pared lateral, así como el óxido enterrado en el caso de los MOSFET de silicio sobre aislante (SOI) .
La presencia de estos operadores de telefonía móvil en los óxidos desencadena numerosos procesos de daño físico que pueden cambiar drásticamente las características del dispositivo durante períodos prolongados. La acumulación de daños puede eventualmente causar que el circuito falle como parámetros clave como el cambio de voltaje umbral debido a dicho daño. La acumulación de daño que resulta en la degradación del comportamiento del dispositivo debido a la inyección de portador caliente se denomina " degradación del portador caliente ".
La vida útil de los circuitos y circuitos integrados basados en un dispositivo MOS de este tipo se ve afectada por tanto por la vida útil del propio dispositivo MOS. Para garantizar que los circuitos integrados fabricados con dispositivos de geometría mínima no vean perjudicada su vida útil, se debe comprender bien la vida útil de los dispositivos MOS que los componen. No caracterizar con precisión los efectos de la vida útil de la HCI puede, en última instancia, afectar los costos comerciales, como los costos de garantía y soporte, y afectar las promesas de marketing y ventas de una fundición o un fabricante de circuitos integrados.
La degradación de los portadores calientes es fundamentalmente la misma 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 .
HCI es la base de funcionamiento de varias tecnologías de memoria no volátil, como las celdas 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 deliberadamente portadores a través del óxido de la puerta para cargar la puerta flotante . Esta carga altera el voltaje umbral del transistor MOS para representar un estado lógico '0' . Una puerta flotante descargada representa un estado '1'. Al borrar la celda de memoria NOR Flash se elimina la carga almacenada mediante el proceso de túnel Fowler-Nordheim .
Debido al daño al óxido causado por el funcionamiento normal de NOR Flash, el daño de HCI es uno de los factores que limitan el número de ciclos de escritura y borrado. Debido a que la capacidad de mantener la carga y la formación de trampas de daño en el óxido afectan la capacidad de tener distintos estados de carga '1' y '0', el daño del HCI resulta en el cierre de la ventana del margen lógico de la memoria no volátil con el tiempo. El número de ciclos de escritura y borrado en los que ya no se pueden distinguir '1' y '0' define la resistencia de una memoria no volátil.