什么是热载流子注入效应（HCI）

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热载流子注入效应（Hot Carrier Injection, HCI）是指在半导体器件中，由于载流子的热激发和热传输，导致载流子浓度分布的非均匀性，进而影响器件的电性能。当载流子的能量超过 Si-SiO₂ 的势垒高度（3.5eV）时，载流子能直接注入或通过隧道效应进入 SiO₂，导致器件性能退化或损伤。听上去还是很‘玄之又玄，众妙之门’，接下来，我们从底层物理理解一下 HCI。

晶体管的 IV 特性曲线

要想理解热载流子效应，首先，我们得理解晶体管的 IV 特性曲线。前面介绍过，MOSFET（金属氧化物半导体场效应晶体管）是一种重要的三端器件，它的三个主要电极分别是栅极（Gate）、源极（Source）和漏极（Drain）。栅极是控制电极，用于调节 MOSFET 的导通状态。通过向栅极施加一个小的电压，可以控制漏极和源极之间的大电流。

N-MOSFET 器件结构示意图

当栅极电压 V _g 大于阈值电压 V _t 时，漏极电流起初会随漏极电压线性增长，这是因为此时器件的沟道可被视为一个电阻，这一工作区间被称为线性区。随着漏极电压的进一步提升，栅极在漏极附近的反型层厚度逐渐减小，导致漏电流偏离线性关系，此时器件进入非线性区。当漏极电压持续增大，漏电流的曲线逐渐趋于平缓，直至沟道被完全夹断，漏电流达到一个稳定值，器件最终进入饱和区。

N-MOSFET 的输出特性曲线

MOSFET 的电压与电流特性曲线可分为三个区域：线性区、非线性区和饱和区。如下图所示，当 V _g>V_t 时，NMOS 的沟道形成反型层，施加较小的漏极电压时，电流从源极通过导电沟道流向漏极，此时沟道可等效为一个电阻，漏电流 I _d 随漏极电压 V _d 线性增长，器件处于线性区。随着漏极电压 V _d 的增加，靠近漏极的反型层电荷受到漏极电势的影响而减少，电流开始偏离线性关系，器件从线性区过渡到非线性区。当 V _d 达到 V _dsat 时，器件在漏极附近发生夹断，夹断点的反型层电荷几乎为零，但沟道仍保持连续。夹断点随漏极电压的增大向源极移动，而夹断点的电压 V _dsat 保持不变，因此从源极到夹断点的载流子数量保持恒定，源漏电流也维持稳定，漏极电流几乎不再随漏极电压的增加而变化。

N-MOSFET 工作在线性区和饱和区

对于处于饱和区工作的器件，漏极有源区与衬底之间会形成一个耗尽区，该耗尽区的电阻率远高于强反型沟道的电阻率，因此器件的等效电阻主要集中在夹断点到漏极有源区之间的耗尽区，大部分的源漏电压都加载在这个耗尽区上，最强的横向电场出现在漏极有源区与衬底的交界处。一旦载流子进入漏极有源区，横向电场会迅速降至几乎为零，因为漏极有源区的电阻率很低。尽管随着漏极电压的升高，耗尽区的宽度也会相应增加，但这种增加不足以抵消或削弱电势差的增大，因此随着器件漏极电压的升高，漏极耗尽区的电场将进一步增强。

热载流子注入效应

为了持续提升器件性能并增加单位面积内的晶体管密度，器件尺寸持续按比例减小。然而，这种按比例缩小并非完美，因为并非所有参数都能同步减小。例如，器件的工作电压并未按比例降低，导致器件的沟道横向电场强度随着尺寸的缩小而增强，尤其是在漏极附近，电场强度达到最高。当器件的特征尺寸缩小至亚微米及深亚微米级别时，漏极附近会出现热载流子注入效应（Hot Carrier Injection, HCI）。

前面提到，在饱和区工作的 NMOS 晶体管中，大部分的源漏电压都加载在夹断点靠近漏极的耗尽区上，最强的横向电场出现在漏极有源区与衬底的交界处。当沟道载流子进入耗尽区时，在未经晶格非弹性碰撞之前，载流子在强电场的作用下经过若干平均自由程加速而直接获得足够的能量成为高能载流子，这些高能载流子被称为热载流子，其能量高于导带的最低能量 Ec。

漏极附近的强电场区域会加速载流子，使其成为热载流子。当电子获得的能量超过半导体禁带宽度的 30% 时，这些热载流子会与耗尽区的晶格发生碰撞电离，产生高能量的热电子和热空穴。新产生的热电子大部分会流向漏极，形成漏电流，而少数热电子会越过 Si/SiO₂ 界面的势垒，进入栅氧化层并到达栅极，形成栅电流。

新产生的热空穴也有多种可能的流向，其中一小部分会越过 Si/SiO₂ 界面的势垒进入栅极，形成栅电流。大部分热空穴会流向电势最低的衬底，形成衬底电流 I _sub。在短沟道器件中，还有一小部分热空穴会到达源极，形成源电流。空穴的具体流向取决于衬底到源极的等效电阻 Rsub。理论上，当 R _sub 为 0 时，所有空穴都会流向衬底，不会流向栅极或源极，但实际上 R _sub 不可能为 0。这种热载流子直接注入或通过隧道效应进入 SiO₂，导致器件性能退化或损伤现象，就是热载流子注入效应（Hot Carrier Injection, HCI）。

总结

热载流子注入效应（Hot Carrier Injection, HCI）是摩尔定律推动下的技术挑战之一，随着工艺尺寸的不断缩小，器件的特征尺寸减小，但电源电压未能与之等比例减小，导致沟道横向电场与纵向电场显著增强，从而使得 HCI 效应更加显著。这种效应会对器件的性能和可靠性产生负面影响，后面有机会我们再分析。