P型金氧半場效電晶體熱載子效應之研究

Abstract

近年來,N型複晶矽閘極(n polysilicon gate)及P 型複晶矽閘極(p polysilicon gat -e) 的P 型金屬半場效電晶體中熱載子注入導致元件衰敗的現象開始被注意到。在P 型金氧半場效電晶體中傳導的主要載子雖然是電洞, 但因電洞的能障較電子高, 故在 低閘極電壓時, 實際被閘極氧化層捕獲的大部份仍撞擊離化產生的電子, 被閘極氧化 層捕獲的電子使得P 型金氧半場效電晶體的臨限電壓(threshold voltage) 植降低, 電導提高, 同時亦使得靠近汲極的通道反轉(inverse),這個反轉區對長通道元件而言 , 如同一低攙雜區域, 可降低最大電場, 將使得累增崩潰(avalanche breakdown) 電 壓提高; 對短通道元件來說, 將使有效通道長度更為減少, 穿透崩潰(punch through ) 電壓降低的情形將更為嚴重。P 型複晶矽閘極的P 型金氧半場效電晶體因其為表面 通道, 在電特性上有較好的短通道效應, 在縮小元件尺寸時佔了很大的優勢, 經偏壓 測試后, 因熱電子注入導致穿透崩潰電壓降低的效應亦比N 型複晶矽閘極的P 型金氧 半場效電晶體要低。 從串聯寄生電阻及K 因子的量測中, 我們認為這反轉區并不是局限於靠近汲極的通道 裡, 而是隨著最大電場向內遷移而往源極方向延伸。而且在N 型複晶矽閘極元件中反 轉區的濃度及長度比P 型複晶矽閘極元件來得既高且長。 從以上的衰敗模型, 我們將可以解釋為何在低溫(-196℃)中元件的衰敗機構何以和室 溫時相似, 而在低溫時之所以會更嚴重主要是由於低溫時載子的散射較少, 平均自由 路徑較長且足以獲得較高能量所致。