उष्ण वाहक अन्तःक्षेपण (हॉट-कैरियर इंजेक्शन)

हॉट कैरियर इंजेक्शन (एचसीआई) [[ ठोस अवस्था (इलेक्ट्रॉनिक्स) ]] | सॉलिड-स्टेट इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों में एक घटना है जहां एक इलेक्ट्रॉन या "इलेक्ट्रॉन छेद" इंटरफ़ेस स्थिति को तोड़ने के लिए आवश्यक संभावित बाधा को दूर करने के लिए पर्याप्त गतिज ऊर्जा प्राप्त करता है। गर्म शब्द प्रभावी तापमान को संदर्भित करता है जिसका उपयोग मॉडल वाहक घनत्व के लिए किया जाता है, न कि डिवाइस के समग्र तापमान के लिए। चूंकि चार्ज वाहक MOSFET के गेट डाइइलेक्ट्रिक में फंस सकते हैं, ट्रांजिस्टर की स्विचिंग विशेषताओं को स्थायी रूप से बदला जा सकता है। हॉट-कैरियर इंजेक्शन ट्रांजिस्टर उम्र बढ़ने है जो सॉलिड-स्टेट डिवाइसेस की विश्वसनीयता (सेमीकंडक्टर) पर प्रतिकूल प्रभाव डालता है।

भौतिकी

शब्द "हॉट कैरियर इंजेक्शन" आमतौर पर धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर में प्रभाव को संदर्भित करता है, जहां एक वाहक को सिलिकॉन सब्सट्रेट में गेट ढांकता हुआ में कंडक्टिंग चैनल से इंजेक्ट किया जाता है, जो आमतौर पर सिलिकॉन डाइऑक्साइड (SiO) से बना होता है।₂).

"गर्म" बनने के लिए और SiO2 के चालन बैंड में प्रवेश करें₂, एक इलेक्ट्रॉन को ~3.2 यह इलेक्ट्रॉन था की गतिज ऊर्जा प्राप्त करनी चाहिए। होल्स के लिए, इस मामले में संयोजी बंध ऑफ़सेट तय करता है कि उनके पास 4.6 eV की गतिज ऊर्जा होनी चाहिए। गर्म इलेक्ट्रॉन शब्द उस प्रभावी तापमान शब्द से आता है जिसका उपयोग वाहक घनत्व (यानी, फर्मी-डिराक फ़ंक्शन के साथ) मॉडलिंग करते समय किया जाता है और सेमीकंडक्टर के थोक तापमान को संदर्भित नहीं करता है (जो शारीरिक रूप से ठंडा हो सकता है, हालांकि यह गर्म है, गर्म इलेक्ट्रॉनों की आबादी जितनी अधिक होगी, उसमें बाकी सभी समान होंगे)।

"गर्म इलेक्ट्रॉन" शब्द मूल रूप से अर्धचालकों में गैर-संतुलन इलेक्ट्रॉनों (या छेद) का वर्णन करने के लिए पेश किया गया था। अधिक मोटे तौर पर, शब्द इलेक्ट्रॉन वितरण का वर्णन करता है जिसे फर्मी समारोह द्वारा वर्णन किया जा सकता है, लेकिन एक उच्च प्रभावी तापमान के साथ। यह अधिक ऊर्जा आवेश वाहकों की गतिशीलता को प्रभावित करती है और परिणामस्वरूप यह प्रभावित करती है कि वे एक अर्धचालक उपकरण के माध्यम से कैसे यात्रा करते हैं। एक इलेक्ट्रॉन छेद के साथ पुनर्संयोजन करने या सामग्री के माध्यम से एक कलेक्टर तक ले जाने के बजाय, गर्म इलेक्ट्रॉन अर्धचालक सामग्री से बाहर निकल सकते हैं। परिणामी प्रभावों में वृद्धि हुई लीकेज करंट और एन्केसिंग डाइइलेक्ट्रिक सामग्री को संभावित नुकसान शामिल है यदि गर्म वाहक डाइइलेक्ट्रिक की परमाणु संरचना को बाधित करता है।

गर्म इलेक्ट्रॉनों का निर्माण तब किया जा सकता है जब विद्युत चुम्बकीय विकिरण (जैसे प्रकाश) का एक उच्च-ऊर्जा फोटॉन एक अर्धचालक से टकराता है। फोटॉन से ऊर्जा को एक इलेक्ट्रॉन में स्थानांतरित किया जा सकता है, इलेक्ट्रॉन को वैलेंस बैंड से बाहर निकाला जा सकता है, और एक इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी बना सकता है। यदि इलेक्ट्रॉन वैलेंस बैंड को छोड़ने और चालन बैंड को पार करने के लिए पर्याप्त ऊर्जा प्राप्त करता है, तो यह एक गर्म इलेक्ट्रॉन बन जाता है। ऐसे इलेक्ट्रॉनों की विशेषता उच्च प्रभावी तापमान होती है। उच्च प्रभावी तापमान के कारण, गर्म इलेक्ट्रॉन बहुत गतिशील होते हैं, और अर्धचालक को छोड़कर अन्य आसपास की सामग्रियों में यात्रा करने की संभावना होती है।

कुछ अर्धचालक उपकरणों में, गर्म इलेक्ट्रॉन फोनन द्वारा नष्ट की गई ऊर्जा एक अक्षमता का प्रतिनिधित्व करती है क्योंकि ऊर्जा गर्मी के रूप में खो जाती है। उदाहरण के लिए, कुछ सौर सेल प्रकाश को बिजली में बदलने के लिए सेमीकंडक्टर्स के फोटोवोल्टिक गुणों पर निर्भर करते हैं। ऐसी कोशिकाओं में, गर्म इलेक्ट्रॉन प्रभाव के कारण प्रकाश ऊर्जा का एक हिस्सा बिजली में परिवर्तित होने के बजाय गर्मी में खो जाता है। पतित अर्धचालकों या धातुओं में भी कम तापमान पर सामान्य रूप से गर्म इलेक्ट्रॉन उत्पन्न होते हैं। गर्म-इलेक्ट्रॉन प्रभाव का वर्णन करने के लिए कई मॉडल हैं। सबसे सरल एक स्वच्छ त्रि-आयामी मुक्त-इलेक्ट्रॉन मॉडल के आधार पर एक इलेक्ट्रॉन-फोनन (ई-पी) इंटरैक्शन की भविष्यवाणी करता है। गर्म इलेक्ट्रॉन प्रभाव मॉडल बिजली की खपत, इलेक्ट्रॉन गैस तापमान और अति ताप के बीच एक संबंध का वर्णन करते हैं।

ट्रांजिस्टर पर प्रभाव

MOSFETs में, गर्म इलेक्ट्रॉनों में गेट करंट के रूप में या सब्सट्रेट लीकेज करंट के रूप में दिखाने के लिए पतले गेट ऑक्साइड के माध्यम से सुरंग बनाने के लिए पर्याप्त ऊर्जा होती है। MOSFET में, जब एक गेट सकारात्मक होता है, और स्विच चालू होता है, तो डिवाइस को इस इरादे से डिज़ाइन किया जाता है कि इलेक्ट्रॉन प्रवाहकीय चैनल के माध्यम से स्रोत से नाली तक प्रवाहित होंगे। उदाहरण के लिए, गर्म इलेक्ट्रॉन चैनल क्षेत्र या नाली से कूद सकते हैं और गेट या सब्सट्रेट में प्रवेश कर सकते हैं। ये गर्म इलेक्ट्रॉन चैनल के माध्यम से प्रवाहित धारा की मात्रा में योगदान नहीं करते हैं और इसके बजाय एक लीकेज करंट होता है।

MOSFET में गर्म इलेक्ट्रॉन प्रभाव को ठीक करने या क्षतिपूर्ति करने के प्रयासों में गेट टर्मिनल पर रिवर्स बायस में एक डायोड का पता लगाना या डिवाइस के अन्य जोड़-तोड़ (जैसे हल्के डोप किए गए नालियां या डबल-डोप्ड नालियां) शामिल हो सकते हैं।

जब इलेक्ट्रॉनों को चैनल में त्वरित किया जाता है, तो वे औसत मुक्त पथ के साथ ऊर्जा प्राप्त करते हैं। यह ऊर्जा दो अलग-अलग तरीकों से खो जाती है:

1. वाहक सब्सट्रेट में एक परमाणु को हिट करता है। फिर टकराव एक ठंडा वाहक और एक अतिरिक्त इलेक्ट्रॉन-छिद्र जोड़ी बनाता है। एनएमओएस ट्रांजिस्टर के मामले में, अतिरिक्त इलेक्ट्रॉनों को चैनल द्वारा एकत्र किया जाता है और अतिरिक्त छिद्रों को सब्सट्रेट द्वारा खाली कर दिया जाता है।
2. वाहक सी-एच बंधन को हिट करता है और बंधन तोड़ता है। एक इंटरफ़ेस स्थिति बनाई जाती है और हाइड्रोजन परमाणु को सब्सट्रेट में छोड़ दिया जाता है।

किसी परमाणु या Si-H बांड के हिट होने की संभावना यादृच्छिक होती है, और प्रत्येक प्रक्रिया में शामिल औसत ऊर्जा दोनों मामलों में समान होती है।

यही कारण है कि एचसीआई तनाव के दौरान सब्सट्रेट करंट की निगरानी की जाती है। एक उच्च सब्सट्रेट करंट का अर्थ है बड़ी संख्या में निर्मित इलेक्ट्रॉन-होल जोड़े और इस प्रकार एक कुशल Si-H बॉन्ड टूटना तंत्र।

जब इंटरफ़ेस स्टेट्स बनाए जाते हैं, तो थ्रेशोल्ड वोल्टेज को संशोधित किया जाता है और सबथ्रेशोल्ड स्लोप को नीचा दिखाया जाता है। यह कम धारा की ओर जाता है, और एकीकृत परिपथ की ऑपरेटिंग आवृत्ति को कम करता है।

स्केलिंग

सेमीकंडक्टर निर्माण तकनीकों में प्रगति और तेजी से और अधिक जटिल एकीकृत सर्किट (आईसी) की बढ़ती मांग ने धातु-ऑक्साइड-सेमीकंडक्टर फील्ड-इफेक्ट ट्रांजिस्टर (एमओएसएफईटी) को छोटे आयामों के पैमाने पर संचालित किया है।

हालांकि, पिछली पीढ़ी के सर्किट, शोर में कमी, बिजली और देरी की आवश्यकताओं, और सीमा वोल्टेज , सबथ्रेशोल्ड ढलान और परजीवी के गैर-स्केलिंग जैसे कारकों के कारण इन आईसी को संचालित करने के लिए उपयोग किए जाने वाले आपूर्ति वोल्टेज को मापना संभव नहीं है। समाई।

नतीजतन, आक्रामक रूप से बढ़े हुए MOSFETs में आंतरिक विद्युत क्षेत्र बढ़ जाते हैं, जो वाहक वेग (वेग संतृप्ति तक) में वृद्धि के अतिरिक्त लाभ के साथ आता है, और इसलिए स्विचिंग गति में वृद्धि होती है, लेकिन इन उपकरणों के दीर्घकालिक संचालन के लिए एक प्रमुख विश्वसनीयता (अर्धचालक) समस्या भी प्रस्तुत करता है, क्योंकि उच्च क्षेत्र गर्म वाहक इंजेक्शन को प्रेरित करते हैं जो डिवाइस की विश्वसनीयता को प्रभावित करता है।

MOSFETs में बड़े विद्युत क्षेत्र उच्च-ऊर्जा वाहकों की उपस्थिति का संकेत देते हैं, जिन्हें "गर्म वाहक" कहा जाता है। इन गर्म वाहकों में पर्याप्त उच्च ऊर्जा और संवेग होते हैं जो उन्हें सेमीकंडक्टर से आसपास की ढांकता हुआ फिल्मों जैसे कि गेट और साइडवॉल ऑक्साइड के साथ-साथ इंसुलेटर (SOI) SOI MOSFET पर सिलिकॉन के मामले में दफन ऑक्साइड में इंजेक्ट करने की अनुमति देते हैं।

विश्वसनीयता प्रभाव

ऑक्साइड में ऐसे मोबाइल वाहक की उपस्थिति कई भौतिक क्षति प्रक्रियाओं को ट्रिगर करती है जो लंबे समय तक उपकरण की विशेषताओं को काफी हद तक बदल सकती है। क्षति का संचय अंततः सर्किट को विफल कर सकता है क्योंकि इस तरह की क्षति के कारण थ्रेशोल्ड वोल्टेज शिफ्ट जैसे प्रमुख पैरामीटर हैं। गर्म वाहक इंजेक्शन के कारण उपकरण के व्यवहार में गिरावट के परिणामस्वरूप क्षति का संचय "गर्म वाहक गिरावट" कहलाता है।

ऐसे MOS डिवाइस पर आधारित सर्किट और इंटीग्रेटेड सर्किट का उपयोगी जीवनकाल इस प्रकार MOS डिवाइस के जीवनकाल से ही प्रभावित होता है। यह सुनिश्चित करने के लिए कि न्यूनतम ज्यामिति उपकरणों के साथ निर्मित एकीकृत परिपथों का उपयोगी जीवन खराब नहीं होगा, घटक एमओएस उपकरणों के जीवन काल में उनके एचसीआई अवक्रमण को अच्छी तरह से समझा जाना चाहिए। HCI जीवन-समय के प्रभावों को सटीक रूप से चिह्नित करने में विफलता अंततः वारंटी और समर्थन लागत जैसी व्यावसायिक लागतों को प्रभावित कर सकती है और फाउंड्री या IC निर्माता के लिए विपणन और बिक्री के वादों को प्रभावित कर सकती है।

विकिरण प्रभाव से संबंध

हॉट कैरियर डिग्रेडेशन मूल रूप से रेडिएशन हार्डनिंग के समान ही है # रेडिएशन हार्डनिंग के रूप में जाना जाने वाला फंडामेंटल मैकेनिज्म # सेमीकंडक्टर्स को परिणामी नुकसान, जैसा कि सौर प्रोटॉन, इलेक्ट्रॉन, एक्स-रे और गामा रे एक्सपोजर के कारण अंतरिक्ष प्रणालियों में अनुभव होता है।

HCI और NOR फ्लैश मेमोरी सेल

एचसीआई कई गैर-वाष्पशील स्मृति प्रौद्योगिकियों जैसे ईपीरोम कोशिकाओं के संचालन का आधार है। जैसे ही सर्किट की विश्वसनीयता पर एचसी इंजेक्शन के संभावित हानिकारक प्रभाव को पहचाना गया, सर्किट के प्रदर्शन से समझौता किए बिना इसे कम करने के लिए कई निर्माण रणनीतियां तैयार की गईं।

NOR फ्लैश मेमोरी फ्लोटिंग गेट को चार्ज करने के लिए जानबूझकर गेट ऑक्साइड में कैरियर्स को इंजेक्ट करके गर्म वाहक इंजेक्शन के सिद्धांत का फायदा उठाती है। यह चार्ज एमओएस ट्रांजिस्टर थ्रेशोल्ड वोल्टेज को बूलियन-वैल्यूड फंक्शन | लॉजिक '0' स्थिति का प्रतिनिधित्व करने के लिए बदल देता है। एक अपरिवर्तित फ़्लोटिंग गेट '1' स्थिति का प्रतिनिधित्व करता है। NOR फ्लैश मेमोरी सेल को मिटाने से फाउलर-नॉर्डहाइम टनलिंग की प्रक्रिया के माध्यम से संग्रहीत चार्ज को हटा दिया जाता है।

सामान्य NOR फ्लैश ऑपरेशन के कारण ऑक्साइड को होने वाली क्षति के कारण, HCI क्षति उन कारकों में से एक है जो लिखने-मिटाने के चक्रों की संख्या को सीमित करने का कारण बनती है। क्योंकि चार्ज रखने की क्षमता और ऑक्साइड में क्षति वाहक जाल के गठन से विशिष्ट '1' और '0' आवेश अवस्थाओं की क्षमता प्रभावित होती है, समय के साथ गैर-वाष्पशील मेमोरी लॉजिक मार्जिन विंडो के बंद होने के परिणामस्वरूप HCI क्षति होती है। लिखने-मिटाने के चक्रों की संख्या जिस पर '1' और '0' को अलग नहीं किया जा सकता है, एक गैर-वाष्पशील स्मृति के धीरज को परिभाषित करता है।

यह भी देखें

• समय-निर्भर गेट ऑक्साइड ब्रेकडाउन (टाइम-डिपेंडेंट डाइइलेक्ट्रिक ब्रेकडाउन, TDDB)
• इलेक्ट्रोमाइग्रेशन (ईएम)
• नकारात्मक पूर्वाग्रह तापमान अस्थिरता (NBTI)
• तनाव प्रवास
• जाली बिखरना

संदर्भ

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बाहरी संबंध

• An article about hot carriers at www.siliconfareast.com
• IEEE International Reliability Physics Symposium, the primary academic and technical conference for semiconductor reliability involving HCI and other reliability phenomena