热载流子注入

热载流子注入（Hot carrier injection, HCI）是固态电子器件中发生一个现象，当电子或空穴获得足够的动能后，它们就能够突破势垒的约束。这里“热”这个术语是指用来对载流子密度进行建模的有效温度，而非器件本身的温度。由于载流子被束缚在金属氧化物半导体场效晶体管的栅极电介质层中，晶体管的开关性能可以被永久地改变，热载流子注入是一种可能对半导体器件可靠性产生负面影响的机制。

热载子效应的原理：当 MOSFET 的通道长 L 很小时，也就是 short-channel（短通道）元件。

此时，靠近 Drain 端的横向电场 E ≒ Vds/L 会是很大。

MOSFET 的通道载子，NMOS 的电子或 PMOS 的电洞，从 Source 端跑向 Drain 端时，受到上述横向电场 E 的作用而获得能量，称为热载子 (Hot carrier)。

热载子所获得能量如果够大，将产生碰撞游离 (impact ionization)，就会生成很多的电子-电洞对 (electron-hole pair)。

这些电子-电洞对，有些会受到Gate端电压的吸引，而跑入闸极氧化层里，变成陷井电荷 (trapped charge) 或固定电荷 (fixed charge)，或是打断氧化层/硅界面上的键结，形成界面态 (interface states)。

有些是会跑入基板 (substrate) 端，构成 substrate 电流。

种种上面提到的结果，都会对MOSFET元件的可靠度特性产生影响，降低其使用的寿命。

## 物理机制

“热载流子注入”一词通常指MOSFET中的效应。在该效应中，载流子从硅衬底的导电沟道注入到通常由二氧化硅（SiO2）构成的栅极电介质中。为了成为“热”载流子并进入SiO2的导带，电子必须获得~3.2 eV的动能。对于空穴，由于价带偏移的限制，其必须具备4.6 eV的动能。“热电子”一词源于模拟载流子密度（如使用费米-狄拉克函数）时所使用的有效温度项，并不指代半导体的体温度（在其他条件相同的情况下，尽管物理温度越高，热电子的数量越多，但半导体本体在物理上可以是冷的）。

“热电子”一词最初用于描述半导体中的非平衡电子（或空穴）。更广泛地说，该术语描述了可用费米函数描述但具有更高有效温度的电子分布。这种较高的能量会影响电荷载流子的迁移率，进而影响它们在半导体器件中的传输方式。

热电子可以隧穿出半导体材料，而不是与空穴复合或通过材料导向收集极。由此产生的影响包括漏电流增加；如果热载流子破坏了介电材料的原子结构，还可能对封装介电材料造成损伤。

当高能电磁辐射光子（如光）撞击半导体时，也会产生热电子。光子的能量可以传递给电子，激发电子离开价带并形成电子-空穴对。如果电子获得足够的能量离开价带并越过导带，它就会成为热电子。此类电子的特征是具有极高的有效温度。由于有效温度高，热电子具有很强的迁移能力，很可能离开半导体并进入周围的其他材料。

在某些半导体器件中，热电子声子耗散的能量代表了效率损失，因为能量以热的形式流失。例如，某些太阳能电池依靠半导体的光伏特性将光转化为电。在此类电池中，热电子效应是部分光能转化为热能而非电能的原因。即使在简并半导体或金属中，热电子在低温下也会普遍存在。目前已有多种模型用于描述热电子效应。最简单的模型是基于纯净三维自由电子模型预测的电子-声子（e-p）相互作用。热电子效应模型阐明了耗散功率、电子气温度与过热之间的相关性。

## 对晶体管的影响

在MOSFET中，热电子具有足够的能量隧穿过薄栅极氧化层，表现为栅极电流或衬底漏电流。在MOSFET中，当栅极处于正电位且开关导通时，器件设计的意图是使电子从源极经由导电沟道横向流向漏极。然而，热电子可能会从沟道区或漏极跳出并进入栅极或衬底。这些热电子不会贡献预期的沟道电流，反而构成了漏电流。

纠正或补偿MOSFET中热电子效应的尝试可能包括在栅极端设置反向偏置二极管，或对器件进行其他改进（例如轻掺杂漏极或双掺杂漏极）。

当电子在沟道中加速时，它们在平均自由程上获得能量。这些能量通过两种不同的方式流失：

- 载流子撞击衬底中的原子。碰撞产生一个冷载流子和一个额外的电子-空穴对。对于nMOS晶体管，额外的电子被沟道收集，额外的空穴则通过衬底排出。
- 载流子撞击Si-H键并使其断裂。

由此产生一个界面态，氢原子被释放到衬底中。撞击原子或Si-H键的概率是随机的，每个过程涉及的平均能量在两种情况下是相同的。

这就是在HCI应力测试期间监测衬底电流的原因。高衬底电流意味着产生了大数量的电子-空穴对，从而表明存在高效的Si-H键断裂机制。当界面态产生时，阈值电压会发生偏移，且亚阈值斜率会退化。这会导致电流降低，并降低集成电路的工作频率。

## 尺寸缩放的影响

半导体制造技术的进步以及对更快、更复杂集成电路（IC）不断增长的需求，推动了相关MOSFET向更小尺寸缩放。

然而，由于与前代电路的兼容性、噪声容限、功率与延迟要求，以及阈值电压、亚阈值斜率和寄生电容的不按比例缩放等因素，无法成比例地降低用于运行这些集成电路的电源电压。

结果导致，在剧烈缩小的MOSFET中内部电场增加，这虽然带来了载流子速度增加（直至速度饱和）从而提高开关速度的额外好处，但也为这些器件的长期运行带来了严重的可靠性问题，因为高电场会诱发热载流子注入，进而影响器件可靠性。

MOSFET中的大电场意味着存在高能载流子，即“热载流子”。这些热载流子具有足够高的能量和动量，使其能够从半导体注入到周围的电绝缘薄膜中，例如栅极氧化层、侧墙氧化层，以及在绝缘体上硅（SOI）MOSFET情况下的埋氧层。

## 可靠性影响

氧化层中此类移动载流子的存在会引发多种物理损伤过程，从而在长时间运行后大幅改变器件特性。损伤的累积最终可能导致电路失效，因为阈值电压等关键参数会因损伤而发生偏移。因热载流子注入导致器件行为退化的损伤累积被称为“热载流子退化”。

基于此类MOS器件的电路和集成电路的使用寿命因此受到MOS器件自身寿命的影响。为了确保采用最小几何尺寸器件制造的集成电路的使用寿命不受损，必须充分了解组成它们的MOS器件的HCI退化情况。未能准确表征HCI寿命效应最终会影响企业的保修和支持成本，并影响代工厂或IC制造商的市场及销售承诺。

## 与辐射效应的关系

热载流子退化在本质上与被称为总剂量损伤的电离辐射效应相同。正如航天系统因暴露于太阳质子、电子、X射线和伽马射线所经历的情况那样。

## HCI与NOR闪存单元

HCI是包括EPROM单元在内的多种非易失性存储器技术的工作基础。一旦认识到热载流子注入对电路可靠性的潜在不利影响，便设计出了多种制造策略，以在不损害电路性能的情况下减少该效应。

NOR闪存利用热载流子注入原理，通过刻意将载流子注入栅极氧化层来为浮栅充电。这种电荷会改变MOS晶体管的阈值电压，从而代表逻辑“0”状态。不带电的浮栅则代表逻辑“1”状态。擦除NOR闪存单元的操作通过Fowler–Nordheim隧穿过程移除存储的电荷。

由于常规NOR闪存操作对氧化层造成的损伤，HCI损伤是限制写擦除循环次数的原因之一。由于保持电荷的能力以及氧化层中产生的损伤载流子陷阱会影响区分“1”和“0”电荷状态的能力，HCI损伤会导致非易失性存储器的逻辑容限窗口随时间收缩。无法再区分“1”和“0”时的写擦除循环次数定义了非易失性存储器的耐受次数（Endurance）。

## 外部链接

- An article about hot carriers at www.siliconfareast.com
- IEEE International Reliability Physics Symposium , the primary academic and technical conference for semiconductor reliability involving HCI and other reliability phenomena