Hot-Carrier-Degradation (HCI)
Teil der Rubrik Zuverlässigkeit.
„Heiß" heißt hier nicht warm. Ein Ladungsträger ist heiß, wenn seine Energie deutlich über der des thermischen Gleichgewichts liegt -- er hat sie nicht aus dem Gitter, sondern aus dem elektrischen Feld. Für die Temperatur des Bauteils sagt das nichts aus; ein Chip bei Raumtemperatur kann voller heißer Elektronen sein.
Und genau darin steckt die Pointe dieses Mechanismus: Er wird bei Kälte schlimmer.
Wo die Träger heiß werden
Ein MOSFET in Sättigung hat kein gleichmäßiges Feld im Kanal. Am Drain-Ende ist der Kanal abgeschnürt, und über der kurzen Verarmungszone dort fällt fast die ganze Drain-Spannung ab. Das ergibt ein laterales Feld-Maximum am Drain -- bei kurzen Kanälen leicht mehrere \(10^5\) V/cm.
Ein Elektron, das diese Strecke durchläuft, ohne zu streuen, gewinnt Energie. Trifft es dabei kein Phonon, kann es zwei Dinge tun:
- Stoßionisation: Es erzeugt ein Elektron-Loch-Paar. Die Löcher fließen ins Substrat ab -- das ist der Substratstrom, und der wird gleich noch wichtig.
- Injektion ins Oxid: Hat es mehr als etwa 3,1 eV gewonnen, kann es die Barriere zum SiO₂ überwinden.
Diese 3,1 eV sind dieselbe Barriere wie beim Tunneln -- nur wird sie hier nicht durchtunnelt, sondern überklettert. Das ist der saubere Unterschied zwischen den beiden Mechanismen: Fowler-Nordheim braucht ein hohes Feld im Oxid, Hot-Carrier-Injektion ein hohes Feld im Kanal.
Das Lucky-Electron-Modell
Die einfachste brauchbare Beschreibung stammt von Hu und geht von einer Frage aus: Wie wahrscheinlich ist es, dass ein Elektron die Energie \(\Phi\) ansammelt, ohne unterwegs zu streuen?
Mit der freien Weglänge \(\lambda\) und dem Feld \(E\) braucht es die Strecke \(\Phi/(qE)\). Die Wahrscheinlichkeit, so weit ungestört zu kommen, fällt exponentiell:
Für Silizium liegt \(\lambda\) bei einigen Nanometern. Zwei Konsequenzen folgen sofort:
Der Effekt hat eine Schwelle. Unterhalb einer Feldstärke passiert praktisch nichts, darüber steigt die Schädigung um Größenordnungen. Wie bei allen exponentiellen Gesetzen gibt es kein sanftes Hineinlaufen.
Und hier kommt die Kälte ins Spiel. \(\lambda\) ist die freie Weglänge zwischen Phononenstößen. Bei tiefer Temperatur sind weniger Phononen da, also wird \(\lambda\) größer -- und weil \(\lambda\) im Nenner des Exponenten steht, steigt \(P\). Mehr Träger erreichen die Schwelle, mehr Schaden.
Deshalb hat HCI eine negative Aktivierungsenergie, deshalb werden HCI-Qualifikationen bei tiefen Temperaturen gefahren, und deshalb ist der sonst übliche Reflex -- heißer testen, um zu beschleunigen -- hier genau falsch.
Die vier Spielarten
Nicht jede Injektion läuft gleich ab. Die Literatur unterscheidet vier Fälle, benannt danach, woher der Träger kommt:
| Kürzel | Name | wann |
|---|---|---|
| CHE | Channel Hot Electron | \(V_{GS} \approx V_{DS}\) -- der Kanalstrom liefert die Träger direkt |
| DAHC | Drain Avalanche Hot Carrier | \(V_{GS} \approx V_{DS}/2\) -- Stoßionisation am Drain, meist der schlimmste Fall |
| SGHC | Secondary Generated Hot Carrier | Träger aus einer zweiten Ionisationsgeneration |
| CHH | Channel Hot Hole | Löcher statt Elektronen, relevant beim PMOS |
Der praktisch wichtigste ist DAHC, und die Bedingung dafür ist unbequem: Das Maximum liegt nicht bei maximaler Gate-Spannung, sondern etwa bei halber Drain-Spannung. Ein Transistor altert also am stärksten nicht im voll durchgeschalteten Zustand, sondern beim Umschalten -- wenn er kurz beides gleichzeitig sieht, hohen Strom und hohe Spannung.
Für Schaltanwendungen heißt das: Die Schädigung sitzt in den Flanken, nicht in den statischen Zuständen. Wer langsam schaltet, verlängert genau die Phase, in der der Transistor altert.
Was der Schaden anrichtet
Injizierte Träger hinterlassen zweierlei:
- Grenzflächenzustände (\(N_{it}\)) an der Si/SiO₂-Grenze -- aufgebrochene Si-H-Bindungen, die als Oberflächenzustände wirken
- Festgehaltene Ladung im Oxid, wenn ein Träger in einem Trap hängen bleibt
Beides verschiebt und verschlechtert die Kennlinie:
| Parameter | Wirkung |
|---|---|
| Schwellspannung \(V_{th}\) | verschiebt sich (NMOS meist nach oben) |
| Steilheit \(g_m\) | sinkt -- Streuung an den neuen Grenzflächenzuständen |
| Sättigungsstrom \(I_{d,sat}\) | sinkt, üblicher Ausfallparameter |
| Unterschwellsteigung | wird flacher, der Off-Strom steigt |
Charakteristisch ist, dass der Schaden lokal am Drain sitzt. Das lässt sich nachweisen, indem man den Transistor verkehrt herum misst, also Source und Drain vertauscht: In Rückwärtsrichtung liegt die geschädigte Zone quellenseitig und wirkt viel stärker auf den Strom. Ein Transistor, der vorwärts kaum, rückwärts aber deutlich degradiert erscheint, hat HCI gesehen -- das ist die Standarddiagnose zur Abgrenzung gegen NBTI, das gleichmäßig über den Kanal wirkt.
Der Substratstrom als Verräter
Man kann die Schädigung nicht direkt beobachten, aber ihren Auslöser: Die bei der Stoßionisation entstehenden Löcher fließen als Substratstrom \(I_{sub}\) ab, und der lässt sich einfach messen.
\(I_{sub}\) folgt derselben Exponentialfunktion wie die Injektion, nur mit kleinerer Schwellenenergie -- rund 1,3 eV für Stoßionisation gegen 3,1 eV für die Oxidbarriere. Damit ist er ein bequemer Stellvertreter, und die übliche Lebensdauerbeziehung lautet
Praktisch heißt das: Man misst \(I_{sub}\) bei mehreren erhöhten Spannungen, trägt doppelt logarithmisch auf, bekommt eine Gerade und extrapoliert auf die Betriebsspannung. Der Exponent um 3 bedeutet dabei, dass eine Verdopplung des Substratstroms die Lebensdauer auf ein Achtel drückt.
Das Ausfallkriterium ist Konvention -- verbreitet sind 10 % Verlust an \(I_{d,sat}\) oder eine feste \(V_{th}\)-Verschiebung, bezogen auf zehn Jahre.
Was dagegen hilft
LDD -- die Standardantwort. Ein schwach dotiertes Gebiet zwischen Kanal und Drain (Lightly Doped Drain) streckt den Spannungsabfall über eine längere Strecke. Das senkt das Feld-Maximum, und weil das Feld im Exponenten steht, wirkt schon eine mäßige Absenkung stark. Der Preis ist ein höherer Serienwiderstand -- der klassische Zielkonflikt zwischen Leistung und Lebensdauer.
Weitere Hebel:
- Betriebsspannung senken. Der wirksamste Hebel überhaupt, und der Grund, warum HCI mit der Spannungsskalierung lange kein Thema war.
- Nitrierte Oxide. Stickstoff an der Grenzfläche macht die Bindungen widerstandsfähiger.
- Schaltflanken nicht unnötig dehnen. Wenn die Schädigung im Übergang sitzt, ist die im Übergang verbrachte Zeit die relevante Größe.
- Kaltstart bedenken. Ein Gerät, das bei −40 °C startet, sieht dort die höchste Degradationsrate, nicht bei Volllast im Warmen.
Abgrenzung zu den Nachbarmechanismen
| HCI | NBTI | TDDB | |
|---|---|---|---|
| Getrieben von | lateralem Feld im Kanal | vertikalem Feld am Gate | vertikalem Feld im Oxid |
| Ort | lokal am Drain | über den ganzen Kanal | schwächste Stelle im Oxid |
| Temperatur | schlimmer bei kalt | schlimmer bei heiß | schlimmer bei heiß |
| Erholung | praktisch keine | ja, deutlich | nein |
| Ende | Parameterdrift | Parameterdrift | harter Durchbruch |
Die Zeile zur Erholung ist dabei die praktisch folgenreichste: NBTI heilt nach dem Abschalten des Stress teilweise aus, HCI nicht. Wer beide mit demselben Messverfahren charakterisiert, misst NBTI systematisch zu klein.
Weiterführendes
- Zuverlässigkeit: Übersicht -- alle Mechanismen nebeneinander, Beschleunigungsmodelle
- Herleitung: Tunnelwahrscheinlichkeit -- dieselbe 3,1-eV-Barriere, nur durchtunnelt statt überklettert; dort auch, warum NOR-Flash mit Hot-Carrier-Injektion schreibt
- MOS-Kapazität -- die Struktur, die hier altert
- Oberflächenzustände -- was die entstehenden Grenzflächenzustände elektrisch anrichten