Inyección de portador caliente

La inyección de portadores calientes ( HCI ) es un fenómeno en dispositivos electrónicos de estado sólido donde un electrón o un hueco adquiere 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 puerta de un transistor MOS , las características de conmutación del transistor pueden alterarse permanentemente. La inyección de portadores calientes es uno de los mecanismos que afecta negativamente la fiabilidad de los semiconductores de los dispositivos de estado sólido. ^{[ 1 ]}

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

Para que un electrón se vuelva "caliente" y entre en la banda de conducción del SiO₂ _, debe adquirir una energía cinética de aproximadamente 3,2 eV . En el caso de los huecos, el desfase de la banda de valencia exige 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 del material semiconductor (que puede ser físicamente fría, aunque cuanto más caliente esté, mayor será la población de electrones calientes que contendrá, si todo lo demás permanece constante).  

El término «electrón caliente» se introdujo originalmente para describir electrones (o huecos) en desequilibrio en semiconductores. ^{[ 2 ]} En términos más generales, el término describe distribuciones de electrones descriptibles 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, su desplazamiento a través de un dispositivo semiconductor. ^{[ 3 ]}

Los electrones calientes pueden atravesar el material semiconductor por efecto túnel, en lugar de recombinarse con un hueco o ser conducidos a través del material hasta un colector. Esto puede provocar un aumento de la corriente de fuga y posibles daños al material dieléctrico circundante si el portador caliente altera la estructura atómica del dieléctrico.

Los electrones calientes se generan cuando un fotón de alta energía de radiación electromagnética (como la luz) incide sobre un semiconductor. La energía del fotón se transfiere a un electrón, excitándolo y sacándolo de la banda de valencia, lo que da lugar a la formación de 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 temperaturas efectivas elevadas. Debido a estas altas temperaturas, los electrones calientes son muy móviles y tienden a abandonar el semiconductor y desplazarse 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 se basan en 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 luminosa 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 de los electrones calientes. ^{[ 6 ]} El más simple predice una interacción electrón-fonón (ep) basada en un modelo de electrones libres tridimensional limpio. ^{[ 7 ] [ 8 ]} Los modelos del efecto de los electrones calientes ilustran una correlación entre la potencia disipada, la temperatura del gas de electrones y el sobrecalentamiento.

En los MOSFET , los electrones calientes poseen la energía suficiente para atravesar por efecto túnel el óxido de puerta delgado y manifestarse como corriente de puerta o como corriente de fuga del sustrato. En un MOSFET, cuando la puerta es positiva y el interruptor está activado, el dispositivo está diseñado para 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 puerta o el sustrato. Estos electrones calientes no contribuyen a la cantidad de corriente que fluye a través del canal como se esperaba, sino que constituyen una corriente de fuga.

Los intentos de corregir o compensar el efecto de electrones calientes en un MOSFET pueden implicar la colocación de un diodo en 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 maneras diferentes:

1. El portador choca con un átomo del sustrato. Esta colisión genera un portador frío y un par electrón-hueco adicional. En el caso de los transistores nMOS, los electrones adicionales son recolectados por el canal y los huecos adicionales son evacuados por el sustrato.
2. El portador choca con un enlace Si-H y lo rompe. Se crea un estado de interfaz y el átomo de hidrógeno se libera en el sustrato.

La probabilidad de impactar 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 monitoriza la corriente del sustrato durante la prueba de estrés HCI. Una corriente elevada en el sustrato implica la creación de un gran número de pares electrón-hueco y, por lo tanto, un mecanismo eficaz de ruptura del enlace Si-H.

Cuando se crean estados de interfaz, la tensión umbral se modifica y la pendiente subumbral se degrada. Esto conlleva una menor corriente y reduce la frecuencia de funcionamiento del circuito integrado.

Los avances en las técnicas de fabricación de semiconductores y la creciente demanda de circuitos integrados (CI) más rápidos y complejos han impulsado la reducción de las dimensiones del transistor de efecto de campo de metal-óxido-semiconductor (MOSFET) asociado.

Sin embargo, no ha sido posible reducir proporcionalmente la tensión de alimentación utilizada para el funcionamiento de estos circuitos integrados debido a factores como la compatibilidad con los circuitos de la generación anterior, el margen de ruido , los requisitos de potencia y retardo, y la falta de escalado de la tensión umbral , la pendiente subumbral y la capacitancia parásita .

Como resultado, los campos eléctricos internos aumentan en los MOSFET escalados agresivamente, lo que conlleva el beneficio adicional de mayores velocidades de portadores (hasta la saturación de velocidad ) y, por lo tanto, una mayor velocidad de conmutación, ^{[ 9 ]} pero también presenta un importante problema de confiabilidad para el funcionamiento a largo plazo de estos dispositivos, ya que los campos altos inducen la inyección de portadores calientes 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 permitirles ser inyectados desde el semiconductor hacia 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 portadores móviles en los óxidos desencadena numerosos procesos de daño físico que pueden alterar drásticamente las características del dispositivo durante periodos prolongados. La acumulación de daños puede provocar la falla del circuito, ya que parámetros clave como el desplazamiento del voltaje umbral se ven afectados por dichos daños. La acumulación de daños que resulta en la degradación del comportamiento del dispositivo debido a la inyección de portadores calientes se denomina " degradación por portadores calientes ".

La vida útil de los circuitos y circuitos integrados basados ​​en dispositivos MOS se ve afectada por la vida útil del propio dispositivo MOS. Para garantizar que la vida útil de los circuitos integrados fabricados con dispositivos de geometría mínima no se vea comprometida, es fundamental comprender bien la degradación por interacción hiperespectral (HCI) de los dispositivos MOS que los componen. No caracterizar con precisión los efectos de la HCI en la vida útil puede repercutir en los costes operativos, como los de garantía y soporte, e impactar en las promesas de marketing y ventas de una fundición o fabricante de circuitos integrados.

La degradación por portadores calientes es fundamentalmente la misma que el efecto de la radiación ionizante conocido como daño por dosis total en semiconductores, tal como se experimenta en los sistemas espaciales debido a la exposición a protones solares , electrones, rayos X y rayos gamma .

La inyección de HC es la base del 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 fiabilidad del circuito, se idearon varias estrategias de fabricación para reducirla sin comprometer el rendimiento del circuito.

La memoria flash NOR aprovecha el principio de inyección de portadores calientes, inyectando deliberadamente portadores a través del óxido de puerta para cargar la puerta flotante . Esta carga modifica el voltaje umbral del transistor MOS para representar un estado lógico '0' . Una puerta flotante sin carga 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 NOR Flash, el daño por HCI es uno de los factores que limitan el número de ciclos de escritura y borrado. Dado que la capacidad de retener carga y la formación de trampas de daño en el óxido afectan la capacidad de distinguir entre estados de carga '1' y '0', el daño por HCI provoca que, con el tiempo, se cierre el margen lógico de la memoria no volátil. El número de ciclos de escritura y borrado en los que ya no se pueden distinguir los estados '1' y '0' define la durabilidad de una memoria no volátil.

• Ruptura del óxido de puerta dependiente del tiempo (también ruptura dieléctrica dependiente del tiempo , TDDB)
• Electromigración (EM)
• Inestabilidad de temperatura con polarización negativa (NBTI)
• Migración del estrés
• Dispersión reticular
• Teoría de las células solares

• Un artículo sobre portadores calientes en www.siliconfareast.com
• Simposio Internacional de Física de la Fiabilidad del IEEE , la principal conferencia académica y técnica sobre fiabilidad de semiconductores que incluye HCI y otros fenómenos de fiabilidad.