12、低温硅技术的可靠性方面

低温硅技术的可靠性方面

1. 引言

低温环境下硅技术的可靠性涉及多个方面，涵盖基础问题和应用导向问题。高电场传输现象是理解后续内容的基础，其中包括碰撞电离、浅能级碰撞电离、速度饱和与过冲等基本机制。雪崩和击穿效应在硅电阻器和双极器件中是许多低温器件现象的基础，不同温度（如液氮和液氦温度）下的器件运行存在明显差异。在低温MOSFET中，除了器件泄漏和击穿特性，了解衬底电流的温度特性至关重要，同时与倍增机制相关的闩锁、闩锁效应和扭结效应等现象也需要关注。热载流子退化和可靠性行为在缩小尺寸的技术中对MOS和双极结型晶体管器件的性能有重要影响。

2. 低温下硅中的高电场传输现象

在外部电场 (F) 中运动的自由载流子，在无散射事件发生时，沿路径 (dx) 获得能量 (qFdx)。在稳态下，载流子从电场漂移中获得的能量与通过散射损失的能量达到平衡，导致载流子加热，平均能量大于平均热能 (3kT_1 / 2)（(T_1) 为晶格温度，(k) 为玻尔兹曼常数），载流子分布偏离平衡玻尔兹曼函数，“热载流子” 的平均温度 (T_e)（对于电子）显著高于 (T_1)。

载流子加热会使平均漂移速度增加，超过临界场 (F_e) 时，载流子速度会饱和。热载流子与晶格碰撞时，可能传递足够能量使硅原子电离，产生自由电子 - 空穴对，这就是带间碰撞电离（Impact Ionization，II），可视为俄歇复合的逆过程。

在低温下，由于掺杂原子显著冻结，会出现浅能级碰撞电离（Shallow-Level Impact Ionization，SII）。热载流子与被占据的掺杂原子非弹性碰撞时，多余能量使电子（或空穴）进入导带（或价带），留下电离的掺杂原子。与II相比，SII