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ホットキャリアとは

THEME 07 テスト・信頼性 · 劣化と余裕Hot Carrier
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ホットキャリアとは、高電界で加速され、シリコンとゲート酸化膜の間の電位障壁を越えるほどのエネルギーを持ったキャリアです。 その一部がゲート酸化膜に捕まり、素子の特性を少しずつ動かします。これが素子の劣化として現れたものがHCIです。どれだけ劣化するかは、キャリアがどの経路で生まれ、どれだけのエネルギーを得るかで変わります。

高電界で加速されたキャリアの一部が、酸化膜の電位障壁を越える

Section titled “高電界で加速されたキャリアの一部が、酸化膜の電位障壁を越える”
キャリアのエネルギー
高電界領域キャリアのエネルギーソース側ドレイン側位置電位障壁の高さ低温高温ホットキャリア
ドレイン近くの高電界領域で、キャリアのエネルギーは急に上がります。電位障壁の高さを越えた分がホットキャリアで、低温ほど高いエネルギーに届くと考えられています。

ドレインに電圧をかけると、ドレイン近くに高電界領域ができます1。そこへ流れ込んだキャリアは、電子でも正孔でも高電界に加速されて大きなエネルギーを得ます1。一部はSi基板とゲート酸化膜の間の電位障壁を越えるほどのエネルギーを持ち、これがホットキャリアです。

エネルギーのたまり方は温度でも変わります。半導体素子の故障モードの大部分は温度が高いほど加速されますが、ホットキャリア劣化は温度が低いほど加速される傾向があります1。低温ではSi原子の熱振動が小さく、格子に衝突する確率が減ります。そのため電子の平均走行距離が長くなり、より高いエネルギーを持つと考えられています。

越えたキャリアは、膜に捕まるか、ゲート電流か、基板電流になる

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キャリアの行き先
ゲート電極ソースドレインp型 Si 基板電子の流れ衝突電離捕まって空間電荷ゲート電流基板電流
ドレイン端で生まれた電子のうち、酸化膜に捕まった分が空間電荷として残って特性を動かします。捕まらなかった分はゲート電流、正孔は基板電流として測れます。

ドレイン近くの高電界で、ソースから流れてきた電子がインパクト・アイオナイゼーション（衝突電離）を起こし、電子正孔対ができます。正孔の大部分は基板へ流れて基板電流になります。大きなエネルギーを得た電子はゲート酸化膜中に注入されます。

注入されたホットキャリアが膜中にトラップされると、空間電荷を作り、しきい値電圧（Vth）と伝達コンダクタンス（gm）を経時的に劣化させます1。捕まらなかったキャリアはゲート電流になり、基板方向に流れたキャリアは基板電流として観測されます。

注入の経路は4つで、キャリアの生まれる場所と最悪の電圧条件が違う

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4つの注入経路
ゲート電極ソースドレインp型 Si 基板光CHEVg≈Vdで最大DAHCVg＝Vd/2で最大SGHE光が作った電子SHE基板からチャネル全体へ
CHE、DAHC、SGHEはドレイン端の近くで注入が最大になり、SHEはチャネル全体に一様に注入されます。最悪のゲート電圧はCHEとDAHCで違います。

代表的な注入メカニズムは、DAHC（ドレインアバランシェ・ホットキャリア）、CHE（チャネル・ホットエレクトロン）、SGHE（二次的に発生したホットエレクトロン）、SHE（基板ホットエレクトロン）の4つです1。4つは、キャリアがどこで生まれるかで分かれます。

  • CHEは、チャネルを走った電子そのものが酸化膜へ入る経路です。ゲート電圧がドレイン電圧とほぼ等しいときに注入が最大になります2。
  • DAHCは、ドレイン電圧をさらに上げたときにドレインの電界が衝突電離によるなだれ増倍を起こし、ホットエレクトロンとホットホールが注入される2経路です。劣化はゲート電圧がドレイン電圧の半分のとき、すなわち基板電流が最大になる点で最大になります。2種類のキャリアが同時に入るので、測定は難しくなります。
  • SGHEでは、ドレイン近くの高電界領域で光が生まれ、その光が電子正孔対を作ります2。基板バイアスがキャリアを界面へ押し出し、注入を助けます。
  • SHEでは、光による生成か、埋め込んだpn接合からの電気的な注入で基板にキャリアを作り、そのキャリアが界面の障壁を越えて酸化膜へ入ります。

前の3つは注入がチャネルのドレイン端に集まります。SHEでは界面のキャリアがチャネル全体に一様に分布し、絶縁膜の品質の調査や信頼性試験によく使われます2。劣化させる側の現象が、膜を測る道具にもなっています。加速試験では、相手にする経路の最悪条件を狙って電圧をかけるので、経路が変わればかけるべきゲート電圧も変わります。

捕まった電荷が動作電圧の下限を押し上げ、電圧は下げきれない

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捕まった空間電荷はゲートがチャネルを制御するのを妨げ、製品のVcc下限動作電圧の劣化などを引き起こします。素子は壊れていなくても、動作できる電圧の範囲が狭くなります。ドレイン電圧が高いほど劣化は大きく、劣化量は使い方で変わるので、寿命は動作条件と組にして示されます。

信頼性の観点からは、プロセスの微細化は電源電圧の低減と同時に進めるのが理想です3。寸法だけを縮めると、同じ電圧でも電界が強くなります。ところがCMOS型メモリセルの動作下限はNチャネルとPチャネルのしきい値電圧の絶対値の和で決まり、1V以下での量産は難しいとされています3。電圧を下げきれないことが、ホットキャリアの対策を難しくしています。

電界を下げる手には、どれも代償がある

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構造の対策として、LDD（Lightly Doped Drain）構造のMOSFETが採用され、ドレイン端の電界集中を緩和しています1。LDDのようにドレイン端の電界を緩める構造を入れると劣化は減るものの、直列抵抗が増えてオン電流が落ちます。ドレイン電圧を下げれば劣化は小さくなりますが、速度と動作の余裕を削ります。寸法だけを縮めれば面積と速度は得ますが、電界が強まって寿命を削ります。加速試験の電圧を上げれば短時間で測れる一方、実使用と異なる経路が主になる危険が出ます。

よくある質問（FAQ）

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ホットキャリアとは何ですか？

高電界で加速され、シリコンとゲート酸化膜の間の電位障壁を越えるほどのエネルギーを持ったキャリアです。電子の場合も正孔の場合もあります。

どこで加速されるのですか？

ドレインに電圧をかけたときにドレイン近傍にできる高電界の領域です。

何が起きて劣化するのですか？

ゲート酸化膜中に注入されたキャリアが膜中に捕まって空間電荷を作り、特性を経時的に劣化させます。捕まらなかったキャリアはゲート電流になります。

どの特性が動きますか？

しきい値電圧と伝達コンダクタンスです。製品のVcc下限動作電圧の劣化を引き起こします。

注入の経路はいくつありますか？

DAHC・CHE・SGHE・SHEの4つが代表的な注入メカニズムです。前の3つは注入がドレイン端に集まり、SHEはチャネル全体に一様に注入されます。

劣化が最大になる条件は何ですか？

DAHCではゲート電圧がドレイン電圧の半分のとき（基板電流が最大）、CHEではゲート電圧とドレイン電圧が等しいときです。温度は低いほど劣化が加速する傾向があります。

電圧を下げれば和らぎますか？

小さくなります。ドレイン電圧が高いほど劣化が大きくなるからです。

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