Rev. Phys. Appl. (Paris) 13, 619-624 (1978)
DOI: 10.1051/rphysap:019780013012061900

Hot electrons injection into the oxide of a silicon-on-sapphire igfet at low operating voltage

M. Garrigues, Y. Hellouin, T. Pedron et J.J. Urgell

Laboratoire d'Electronique, Automatique et Mesures Electriques de l'Ecole Centrale de Lyon E.R.A. (C.N.R.S.) n° 661, « Génie Electronique », 36, route de Dardilly, F 69130 Ecully, France

Abstract
An experimental method is described for measuring electrons injection from the electrical substrate of a silicon-on-sapphire IGFET into the gate insulator at low operating voltage. The aim of these experiments is to identify the relevant parameters which govern hot-electron related instability problems in IGFET. We notice that a significant injection probability (P ≈ 10-10) exists for Vsubstrate as low as 2.2 V and Vgate = 2.5 V and for doping levels which are consistent with V.L.S.I. trends. Except for oxide field lower than 1 x 106 V cm-1, we found that a lucky-electron model describes the experimental data very well. Using this model, it is concluded that the equivalent collision mean free path is about 100 Å for electrons in S.O.S., and so, practically the same as the value observed for bulk silicon. This model may be useful for predicting the safe operating voltages of highly-doped submicron S.O.S. devices in order to avoid threshold instabilities.

Résumé
On décrit une méthode expérimentale qui permet de mesurer, pour une tension de fonctionnement faible, l'injection dans l'isolant de grille (SiO 2) d'électrons du substrat d'un transistor à effet de champ réalisé en technologie Silicium sur Corindon. Notre but est d'identifier les paramètres essentiels qui régissent les phénomènes d'instabilité des transistors à effet de champ dus aux électrons chauds. On observe qu'une probabilité d'injection non négligeable (P ≈ 10-10) existe pour une tension de substrat réduite à 2,2 V et une tension de grille égale à 2,5 V, pour des dopages similaires à ceux qui seront utilisés pour les dispositifs submicroniques. Un modèle basé sur le concept de l'électron chanceux décrit très bien les résultats expérimentaux, sauf pour des champs électriques dans l'oxyde inférieurs à 1 x 106 V.cm-1. Suivant ce modèle, on trouve un libre parcours moyen équivalent entre collisions de l'ordre de 100 Å, c'est-à-dire pratiquement le même que celui observé pour du silicium massif. Ce modèle doit servir à définir la plage des tensions de fonctionnement qui évite ou limite la dérive du seuil de conduction des dispositifs subminiatures très dopés réalisés en technologie S.S.C.

PACS
2560R - Insulated gate field effect transistors.

Key words
hot carriers -- insulated gate field effect transistors -- gate insulator -- injection probability -- collision mean free path -- SOS IGFET -- hot electrons injection -- lucky electron model