熱載流子注入

熱載流子注入（Hot carrier injection, HCI）是固態電子器件中發生一個現象，當電子或空穴獲得足夠的動能後，它們就能夠突破勢壘的約束。這裡「熱」這個術語是指用來對載流子密度進行建模的有效溫度，而非器件本身的溫度。由於載流子被束縛在金屬氧化物半導體場效電晶體的柵極電介質層中，電晶體的開關性能可以被永久地改變，熱載流子注入是一種可能對半導體器件可靠性產生負面影響的機制。

熱載子效應的原理：當 MOSFET 的通道長 L 很小時，也就是 short-channel（短通道）元件。

此時，靠近 Drain 端的橫向電場 E ≒ Vds/L 會是很大。

MOSFET 的通道載子，NMOS 的電子或 PMOS 的電洞，從 Source 端跑向 Drain 端時，受到上述橫向電場 E 的作用而獲得能量，稱為熱載子 (Hot carrier)。

熱載子所獲得能量如果夠大，將產生碰撞游離 (impact ionization)，就會生成很多的電子-電洞對 (electron-hole pair)。

這些電子-電洞對，有些會受到Gate端電壓的吸引，而跑入閘極氧化層裡，變成陷井電荷 (trapped charge) 或固定電荷 (fixed charge)，或是打斷氧化層/矽界面上的鍵結，形成界面態 (interface states)。

有些是會跑入基板 (substrate) 端，構成 substrate 電流。

種種上面提到的結果，都會對MOSFET元件的可靠度特性產生影響，降低其使用的壽命。

## 物理機制

「熱載流子注入」一詞通常指MOSFET中的效應。在該效應中，載流子從矽襯底的導電溝道注入到通常由二氧化矽（SiO2）構成的柵極電介質中。為了成為「熱」載流子並進入SiO2的導帶，電子必須獲得~3.2 eV的動能。對於空穴，由於價帶偏移的限制，其必須具備4.6 eV的動能。「熱電子」一詞源於模擬載流子密度（如使用費米-狄拉克函數）時所使用的有效溫度項，並不指代半導體的體溫度（在其他條件相同的情況下，儘管物理溫度越高，熱電子的數量越多，但半導體本體在物理上可以是冷的）。

「熱電子」一詞最初用於描述半導體中的非平衡電子（或空穴）。更廣泛地說，該術語描述了可用費米函數描述但具有更高有效溫度的電子分布。這種較高的能量會影響電荷載流子的遷移率，進而影響它們在半導體器件中的傳輸方式。

熱電子可以隧穿出半導體材料，而不是與空穴複合或通過材料導向收集極。由此產生的影響包括漏電流增加；如果熱載流子破壞了介電材料的原子結構，還可能對封裝介電材料造成損傷。

當高能電磁輻射光子（如光）撞擊半導體時，也會產生熱電子。光子的能量可以傳遞給電子，激發電子離開價帶並形成電子-空穴對。如果電子獲得足夠的能量離開價帶並越過導帶，它就會成為熱電子。此類電子的特徵是具有極高的有效溫度。由於有效溫度高，熱電子具有很強的遷移能力，很可能離開半導體並進入周圍的其他材料。

在某些半導體器件中，熱電子聲子耗散的能量代表了效率損失，因為能量以熱的形式流失。例如，某些太陽能電池依靠半導體的光伏特性將光轉化為電。在此類電池中，熱電子效應是部分光能轉化為熱能而非電能的原因。即使在簡併半導體或金屬中，熱電子在低溫下也會普遍存在。目前已有多種模型用於描述熱電子效應。最簡單的模型是基於純淨三維自由電子模型預測的電子-聲子（e-p）相互作用。熱電子效應模型闡明了耗散功率、電子氣溫度與過熱之間的相關性。

## 對電晶體的影響

在MOSFET中，熱電子具有足夠的能量隧穿過薄柵極氧化層，表現為柵極電流或襯底漏電流。在MOSFET中，當柵極處於正電位且開關導通時，器件設計的意圖是使電子從源極經由導電溝道橫向流向漏極。然而，熱電子可能會從溝道區或漏極跳出並進入柵極或襯底。這些熱電子不會貢獻預期的溝道電流，反而構成了漏電流。

糾正或補償MOSFET中熱電子效應的嘗試可能包括在柵極端設置反向偏置二極體，或對器件進行其他改進（例如輕摻雜漏極或雙摻雜漏極）。

當電子在溝道中加速時，它們在平均自由程上獲得能量。這些能量通過兩種不同的方式流失：

- 載流子撞擊襯底中的原子。碰撞產生一個冷載流子和一個額外的電子-空穴對。對於nMOS電晶體，額外的電子被溝道收集，額外的空穴則通過襯底排出。
- 載流子撞擊Si-H鍵並使其斷裂。

由此產生一個界面態，氫原子被釋放到襯底中。撞擊原子或Si-H鍵的機率是隨機的，每個過程涉及的平均能量在兩種情況下是相同的。

這就是在HCI應力測試期間監測襯底電流的原因。高襯底電流意味著產生了大數量的電子-空穴對，從而表明存在高效的Si-H鍵斷裂機制。當界面態產生時，閾值電壓會發生偏移，且亞閾值斜率會退化。這會導致電流降低，並降低積體電路的工作頻率。

## 尺寸縮放的影響

半導體製造技術的進步以及對更快、更複雜積體電路（IC）不斷增長的需求，推動了相關MOSFET向更小尺寸縮放。

然而，由於與前代電路的兼容性、噪聲容限、功率與延遲要求，以及閾值電壓、亞閾值斜率和寄生電容的不按比例縮放等因素，無法成比例地降低用於運行這些積體電路的電源電壓。

結果導致，在劇烈縮小的MOSFET中內部電場增加，這雖然帶來了載流子速度增加（直至速度飽和）從而提高開關速度的額外好處，但也為這些器件的長期運行帶來了嚴重的可靠性問題，因為高電場會誘發熱載流子注入，進而影響器件可靠性。

MOSFET中的大電場意味著存在高能載流子，即「熱載流子」。這些熱載流子具有足夠高的能量和動量，使其能夠從半導體注入到周圍的電絕緣薄膜中，例如柵極氧化層、側牆氧化層，以及在絕緣體上矽（SOI）MOSFET情況下的埋氧層。

## 可靠性影響

氧化層中此類移動載流子的存在會引發多種物理損傷過程，從而在長時間運行後大幅改變器件特性。損傷的累積最終可能導致電路失效，因為閾值電壓等關鍵參數會因損傷而發生偏移。因熱載流子注入導致器件行為退化的損傷累積被稱為「熱載流子退化」。

基於此類MOS器件的電路和集成電路的使用壽命因此受到MOS器件自身壽命的影響。為了確保採用最小几何尺寸器件製造的積體電路的使用壽命不受損，必須充分了解組成它們的MOS器件的HCI退化情況。未能準確表徵HCI壽命效應最終會影響企業的保修和支持成本，並影響代工廠或IC製造商的市場及銷售承諾。

## 與輻射效應的關係

熱載流子退化在本質上與被稱為總劑量損傷的電離輻射效應相同。正如航太系統因暴露於太陽質子、電子、X射線和伽馬射線所經歷的情況那樣。

## HCI與NOR快閃記憶體單元

HCI是包括EPROM單元在內的多種非易失性存儲器技術的工作基礎。一旦認識到熱載流子注入對電路可靠性的潛在不利影響，便設計出了多種製造策略，以在不損害電路性能的情況下減少該效應。

NOR快閃記憶體利用熱載流子注入原理，通過刻意將載流子注入柵極氧化層來為浮柵充電。這種電荷會改變MOS電晶體的閾值電壓，從而代表邏輯「0」狀態。不帶電的浮柵則代表邏輯「1」狀態。擦除NOR快閃記憶體單元的操作通過Fowler–Nordheim隧穿過程移除存儲的電荷。

由於常規NOR快閃記憶體操作對氧化層造成的損傷，HCI損傷是限制寫擦除循環次數的原因之一。由於保持電荷的能力以及氧化層中產生的損傷載流子陷阱會影響區分「1」和「0」電荷狀態的能力，HCI損傷會導致非易失性存儲器的邏輯容限窗口隨時間收縮。無法再區分「1」和「0」時的寫擦除循環次數定義了非易失性存儲器的耐受次數（Endurance）。

## 外部連結

- 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