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ある。「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のに使用される有効温度を指す。電荷キャリアはMOSトランジスタのゲート誘電体に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永久的に変化する可能性がある。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与えるメカニズムの1つである。 ^[1]

「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 )製）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 である必要があります。「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ときに使用される有効温度用語 (フェルミ ディラック関数を使用) 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、温度が高ければ高いほど、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、もともと半導体内の非平衡電子（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を表しますが、有効温度が上昇しています。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、その結果、半導体デバイス内を移動する方法に影響を与えます。^[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る代わりに、半導体材料からトンネルを抜けることができます。その結果、漏れ電流が増加し、ホットキャリアが誘電体の原子構造を乱した場合、それを包んでいる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、電磁放射線（光など）の高エネルギー光子が半導体に当たると生成されます。光子のエネルギーは電子に伝達され、電子を価電子帯から励起して電子正孔対を形成します。電子が価電子帯を離れ、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、有効温度が高いという特徴があります。有効温度が高いため、ホットエレクトロンは非常に動きやすく、半導体から出て周囲の他の材料に移動する傾向があります。

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したエネルギーは熱として失われるため、非効率性を示します。たとえば、一部の太陽電池は、光を電気に変換するために半導体の光起電特性に依存しています。このようなセルでは、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多数あります。^[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）相互作用を予測します。^{[7] [8]}ホットエレクトロン効果モデルは、消費される電力、電子ガス温度、過熱の相関関係を示しています。

MOSFETでは、ホット エレクトロンは、薄いゲート酸化物を通り抜けるのに十分なエネルギーを持っているため、ゲート電流または基板リーク電流として現れます。MOSFET では、ゲートが正でスイッチがオンの場合、電子が導電性チャネルを通ってソースからドレインまで横方向に流れるようにデバイスが設計されています。ホット エレクトロンは、たと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入ることがあります。これらのホット エレクトロンは、意図したとおりにチャネルを流れる電流量には寄与せず、代わりにリーク電流になります。

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したり、デバイスの他の操作 (軽度ドープ ドレインや二重ドープ ドレインなど) が必要になる場合があります。

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。その後、衝突により冷たい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よって収集され、追加の正孔が基板によって排出されます。
2. キャリアはSi-H結合に衝突し、結合を切断します。界面状態が生成され、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監視する理由です。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 結合の切断メカニズムが効率的であることを意味します。

界面状態が生成されると、しきい値電圧が変更され、サブスレッショルドの傾斜が劣化します。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。

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、電力と遅延の要件、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スケーリングすることはできませんでした。

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）の増加という追加の利点が得られ、スイッチング速度が向上しますが、^[9]高電界がデバイスの信頼性に影響を与えるホットキャリア注入を誘発するため、これらのデバイスの長期動作に 大きな信頼性の問題も生じます。

MOSFET 内の大きな電界は、「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持っているため、ゲートや側壁の酸化物、またシリコン オン インシュレータ(SOI) MOSFETの場合は埋め込み酸化物など、半導体から周囲の誘電体フィルムに注入することができます。

酸化物中にこのような移動キャリアが存在すると、長期間にわたってデバイスの特性が劇的に変化する可能性のある多数の物理的損傷プロセスが引き起こされます。損傷が蓄積すると、しきい値電圧などの重要なパラメータがこのような損傷によってシフトするため、最終的に回路が故障す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 デバイスに基づく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よって影響を受けます。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、コンポーネント 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 の寿命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 コストなどのビジネス コストに影響し、ファウンドリや IC メーカーのマーケティングや販売の約束に影響を及ぼす可能性があります。

ホットキャリア劣化は、宇宙システムで太陽の陽子、電子、X 線、ガンマ線への曝露 により発生する、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 は、 EPROMセルなどの多くの不揮発性メモリ技術の動作の基盤です。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、回路のパフォーマンスを損なうことなくその影響を軽減するいくつかの製造戦略が考案されました。

NORフラッシュ メモリは、ゲート酸化膜全体に意図的にキャリアを注入してフローティング ゲートを充電するホット キャリア注入の原理を活用します。この電荷により、MOS トランジスタのしきい値電圧が変化し、論理「0」状態を表します。充電されていないフローティング ゲートは「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 トンネリングのプロセスによって蓄積された電荷が除去されます。

通常の NOR フラッシュ動作によって酸化物が損傷するため、HCI 損傷は書き込み消去サイクル数が制限される要因の 1 つです。電荷を保持する能力と酸化物内の損傷トラップの形成は、明確な「1」と「0」の電荷状態を持つ能力に影響を与えるため、HCI 損傷により、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 ウィンドウが閉じます。「1」と「0」を区別できなくなる書き込み消去サイクルの数によって、不揮発性メモリの耐久性が決まります。

• 時間依存ゲート酸化膜破壊（時間依存誘電破壊、TDDBとも呼ばれる）
• エレクトロマイグレーション（EM）
• 負バイアス温度不安定性(NBTI)
• ストレス移行
• 格子散乱

• www.siliconfareast.com のホットキャリアに関する記事
• IEEE国際信頼性物理シンポジウムは、HCI やその他の信頼性現象を含む半導体の信頼性に関する主要な学術技術会議です。