La inyección de portadores calientes ( HCI ) es un fenómeno en los dispositivos electrónicos de estado sólido en el que un electrón o un “ hueco ” gana suficiente energía cinética para superar una barrera de potencial necesaria para romper un estado de interfaz. El término “caliente” se refiere a la temperatura efectiva utilizada para modelar la densidad de portadores, no a la temperatura general del dispositivo. Dado que los portadores de carga pueden quedar atrapados en el dieléctrico de la compuerta de un transistor MOS , las características de conmutación del transistor pueden cambiar de forma permanente. 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 la compuerta , que generalmente está hecho de dióxido de silicio (SiO 2 ).
Para volverse "caliente" y entrar en la banda de conducción de SiO 2 , un electrón debe ganar una energía cinética de ~3,2 eV . Para los huecos, 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 en masa del semiconductor (que puede ser físicamente frío, aunque cuanto más caliente esté, mayor será la población de electrones calientes que contendrá, siendo todo lo demás igual).
El término “electrón caliente” se introdujo originalmente para describir los electrones (o huecos) que no se encuentran en equilibrio en los semiconductores. [2] En términos más generales, el término describe las 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, en consecuencia, afecta la forma en que viajan a través de un dispositivo semiconductor. [3]
Los electrones calientes pueden salir del material semiconductor por efecto túnel, en lugar de recombinarse con un hueco o ser conducidos a través del material hasta un colector. Los efectos consiguientes incluyen una mayor corriente de fuga y posibles daños al material dieléctrico que lo recubre si el portador caliente altera la estructura atómica del dieléctrico.
Los electrones calientes se pueden crear cuando un fotón de alta energía de radiación electromagnética (como la luz) choca con un semiconductor. La energía del fotón se puede transferir a un electrón, lo que lo hace salir de la banda de valencia y forma 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. Estos electrones se caracterizan por tener altas temperaturas efectivas. Debido a estas altas temperaturas efectivas, los electrones calientes son muy móviles y es probable que abandonen el semiconductor y se desplacen hacia 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 dichas células, el efecto de los electrones calientes es la razón por la que una parte de la energía de la luz se pierde en forma de 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 del electrón caliente. [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 óxido delgado de la compuerta y aparecer como corriente de compuerta o como corriente de fuga del sustrato. En un MOSFET, cuando una compuerta 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 drenador. Los electrones calientes pueden saltar desde la región del canal o desde el drenador, por ejemplo, y entrar en la compuerta o en el sustrato. Estos electrones calientes no contribuyen a la cantidad de corriente que fluye a través del canal como se pretende y, en cambio, son una corriente de fuga.
Los intentos de corregir o compensar el efecto del electrón caliente en un MOSFET pueden implicar la ubicación de un diodo en polarización inversa en el terminal de la compuerta 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 encontrar un átomo o un enlace Si-H es aleatoria, y la energía promedio involucrada en cada proceso es la misma en ambos casos.
Por este motivo, se controla la corriente del sustrato durante la tensión del HCI. Una corriente de sustrato alta significa que se crean una gran cantidad de pares electrón-hueco y, por lo tanto, un mecanismo eficiente de ruptura del enlace Si-H.
Cuando se crean estados de interfaz, se modifica el voltaje umbral y se degrada la pendiente del subumbral. Esto genera una corriente más baja y degrada la frecuencia de operación 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 al transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) asociado a escalar a dimensiones más pequeñas.
Sin embargo, no ha sido posible escalar el voltaje de suministro utilizado para operar estos IC de manera proporcional debido a factores tales como la compatibilidad con circuitos de generaciones anteriores, margen de ruido , requisitos de potencia y retardo, y la no escala del voltaje de umbral , pendiente de subumbral y capacitancia parásita .
Como resultado, los campos eléctricos internos aumentan en los MOSFET de escala agresiva, lo que viene con el beneficio adicional de mayores velocidades de portadora (hasta la saturación de velocidad ) y, por lo tanto, mayor velocidad de conmutación, [9] pero también presenta un problema de confiabilidad importante para el funcionamiento a largo plazo de estos dispositivos, ya que los campos altos inducen la 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 suficientemente altos como para permitir que se los inyecte desde el semiconductor a las películas dieléctricas circundantes, como los óxidos de la compuerta y de la pared lateral, así como el óxido enterrado en el caso de los MOSFET de silicio sobre aislante (SOI) .
La presencia de estos 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 daños puede eventualmente provocar que el circuito falle como parámetros clave como el cambio de voltaje umbral debido a dicho daño. La acumulación de daños que resulta en la degradación del comportamiento del dispositivo debido a la inyección de portadores calientes se denomina " degradación de portadores calientes ".
Por lo tanto, la vida útil de los circuitos y circuitos integrados basados en un dispositivo MOS de este tipo se ve afectada por la vida útil del propio dispositivo MOS. Para garantizar que los circuitos integrados fabricados con dispositivos de geometría mínima no vean afectada su vida útil, es necesario comprender bien la degradación de la HCI de los dispositivos MOS que los componen. Si no se caracterizan con precisión los efectos de la vida útil de la HCI, pueden afectar en última instancia 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 del portador caliente es fundamentalmente la misma que el efecto de la radiación de ionización , conocido como daño de dosis total a los semiconductores, como el que se experimenta en los sistemas espaciales debido a la exposición a protones , electrones, rayos X y rayos gamma solares .
La 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 al inyectar deliberadamente portadores a través del óxido de la compuerta para cargar la compuerta flotante . Esta carga altera el voltaje de umbral del transistor MOS para representar un estado lógico "0" . Una compuerta flotante sin carga representa un estado "1". Al borrar la celda de la memoria flash NOR se elimina la carga almacenada a través del proceso de tunelización de Fowler-Nordheim .
Debido al daño al óxido causado por el funcionamiento normal de la memoria flash NOR, el daño de la HCI es uno de los factores que hacen que la cantidad de ciclos de escritura y borrado sea limitada. Debido a que la capacidad de mantener la carga y la formación de trampas de daño en el óxido afectan la capacidad de tener estados de carga "1" y "0" distintos, el daño de la HCI provoca el cierre de la ventana de margen lógico de la memoria no volátil con el tiempo. La cantidad de ciclos de escritura y borrado en los que ya no se puede distinguir "1" y "0" define la resistencia de una memoria no volátil.