(NMOS中的HCI效应)一、几个概念载流子“电子”和“空穴”被称为载流子 —— 其核心使命就是搬运电荷、形成电流热载流子载流子在电场加速下获得过高的能量称为热载流子hot carriers are particles that attain a very high kinetic energy from being accelerated by a high electric field.在热平衡态下载流子的能量服从费米分布。高电场作用使沟道载流子能量突破晶格热平衡形成热载流子。热载流子注入半导体器件如晶体管工作时高能电子或空穴突破材料势垒、侵入栅极与沟道间绝缘层并注入氧化层中被截获导致氧化层损伤或引发界面态密度增加, 导致器件性能逐渐退化甚至失效。二、为什么会产生热载流子1. 高电场加速与能量积累晶体管工作时源极与漏极间的电压形成强电场。载流子如电子在电场中被加速运动速度大幅提升。当电场强度超过临界值例如在短沟道器件中载流子动能可能达到甚至超过材料的晶格振动能级约3-4 eV从而脱离常规输运路径。2. 碰撞电离与能量传递高能载流子与晶格原子或其它载流子碰撞时可能引发雪崩效应一次碰撞产生多个二次载流子进一步加剧能量分布的不均匀性。部分载流子因此获得足够能量直接穿透栅氧化层的势垒量子隧穿效应。3. 材料界面缺陷的放大作用栅氧化层与硅衬底的界面并非绝对光滑微观缺陷如悬挂键、氧空位会成为载流子的陷阱。高能载流子撞击缺陷点时可能引发局部电荷积累加速氧化层老化形成永久性损伤路径。三、热载流子注入机制1. channel hot-electron (CHE) injection — 沟道热电子注入当Vg和Vd 均高于源端电压时沟道内的载流子会在横向电场及纵向电场的共同作用下进入栅氧化层形成界面态。2. drain avalanche hot-carrier (DAHC) injection —— 漏极雪崩热载流子注入 high Vds and lower Vgs 发生在漏极边缘的强电场中由雪崩倍增产生的空穴和电子注入引起载流子在漏极区域的高电场作用下获得能量。由于两种载流子类型是同时注入的因此难以测量DAHC。此外部分生成的载流子还会导致体电流。3. secondary generated hot-electron (SGHE) injection —— 二次生成热电子注入由于碰撞电离在漏极附近发射的光子, 与热空穴发生二次碰撞电离, 从而出现新的电子和空穴, 相应的产生衬底电流和漏极电流量可以到达Si-SiO2 界面并注入到 SiO2中。4. substrate hot-electron (SHE) injection. —— 衬底热电子注入NMOS 器件中当 VDS BS, VGS VT 时在衬底与源、漏、沟道之间有反向电流流过。衬底中的电子被耗尽区的电场拉出并加速向沟道运动当电场足够高时这些电子就有了足够的能量可以到达Si-SiO2 界面并注入到SiO2中。衬底热载流子注入损伤均匀。四、热载流子的危害1. 阈值电压漂移threshold voltage shifts热载流子注入栅氧化层后会在界面处形成固定电荷。这些电荷改变晶体管的阈值电压开启电压导致电路延迟增加、功耗上升。2. 跨导退化transconductance degradation与驱动能力下降栅氧化层损伤会降低沟道载流子迁移率表现为晶体管跨导增益下降。3. 寿命指数级衰减HCI引发的失效时间TTF与电场强度呈指数关系。根据Black方程模型电场强度每降低10%器件寿命可延长10倍。五、如何应对热载流子效应1. 尺寸器件尺寸的缩小会引发沟道电场急剧增强。在5nm FinFET中其沟道电场强度比传统28nm平面器件高出40%以上高能载流子的生成概率也因此提高。2. 材料采用高介电常数High-K材料如HfO₂替代传统SiO₂可在相同物理厚度下实现更高的电容密度降低工作电压。同时应变硅技术通过拉伸或压缩晶格提升载流子迁移率减少高电场需求。High-K材料的引入虽可有效抑制漏电流但其与硅衬底的界面缺陷密度较高易成为热载流子捕获位点加剧界面陷阱的形成。3. 结构三维结构的创新使得载流子注入路径高度复杂化。在FinFET 器件的三维鳍结构中鳍顶角电场集中导致 HCI 退化表现出明显的位置依赖性而在更先进的GAA全环绕栅极晶体管中纳米片间存在应力耦合现象电场畸变会使得热载流子的注入路径难以预测加剧退化的随机性。轻掺杂漏极LDD通过在漏极附近形成梯度掺杂区分散电场峰值。六、HCI 退化模型From JEP122)