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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。电场加强会使得载流子能量提高，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。那热载流子注入效应具体有哪些影响呢？
阈值电压漂移
当载流子通过直接注入或者隧道效应进入 SiO2，这些高能载流子能够引发栅氧化层的损伤，产生缺陷，或者在栅氧化层内通过碰撞电离生成氢离子，进而影响界面态的密度。这些界面态和缺陷能够捕获电荷，导致氧化层充电。充电后的栅氧化层会生成纵向电场，进而影响器件的阈值电压，使器件的电学特性随工作时间而发生变化，降低器件的可靠性，最终可能导致器件失效。
电荷注入影响 Vth
由于流向衬底的热空穴电流与流向栅极的热载流子电流呈正比关系，且流向衬底的热空穴电流比流向栅极的热电子电流大数个数量级，因此衬底的热空穴电流更容易被测量。因此，晶圆厂通常将衬底电流作为评估热载流子注入效应的一个重要指标。
漏致势垒降低效应（Drain Induced Barrier Lowering, DIBL）
漏致势垒降低效应（Drain Induced Barrier Lowering，DIBL）是指在小尺寸场效应晶体管（FET）中，当沟道长度减小、漏源电压 V ds 增加时，漏结与源结的耗尽层靠近，导致沟道中的电力线可以从漏区穿越到源区，使源极端势垒高度降低，从而增加源区注入到沟道的电子数量，结果漏极电流增加。沟道长度越短，DIBL 效应越显著。
从上面的定义来看，DIBL 主要与沟道长度微缩有关，那热载流子效应是如何引起 DIBL 加剧的呢？前面提到，当热空穴流向衬底形成衬底电流，该电流通过衬底等效电阻 R sub 产生电势差 V b=IsubRsub，进而使衬底电压升高 V b。这一电压升高导致源极与衬底之间的自建势垒高度降低 qVb，使得漏极的电子更容易跨越沟道势垒，从而增加漏极漏电流 I d，也就是所谓的 DIBL 效应加剧。衬底电流越大，DIBL 效应越显著。
闩锁效应
既然热载流子注入效应会使得热空穴流向衬底，衬底的电压会升高，由此可能触发闩锁效应（Latch-up Effect），进而激活寄生的 NPN 和 PNP 晶体管。如下图所示，相邻的 NMOS 和 PMOS 晶体管存在寄生的 NPN 和 PNP 结构，其中 R sub 代表 P -Well 衬底的等效电阻，Rn-well 代表 N -Well 衬底的等效电阻。当热空穴流向 P -Well 衬底时，会形成衬底电流 I sub，导致 P -Well 衬底电压升高 I subRsub。如果 I subRsub 超过 0.6V，NMOS 源极与 P -Well 衬底之间的 pn 结将正向偏置，而 N -Well 衬底与 P -Well 衬底之间的 pn 结将反向偏置，从而使 NPN 晶体管正向导通。
闩锁效应示意图
由于 NMOS 源极与 P -Well 衬底之间的 pn 结正向偏置，部分热空穴会进入源极，每个到达源极的空穴都会引发大量电子注入 P -Well 衬底，其中许多电子会被 N -Well 衬底收集，形成 N -Well 电流 I n-well，并在 N -Well 衬底的等效电阻 R n-well 上产生压降 I n-wellRn-well。如果 I n-wellRn-well 小于 0.6V，PMOS 源极与 N -Well 衬底之间的 pn 结将正向偏置，N-Well 衬底与 P -Well 衬底之间的 pn 结将反向偏置，从而使 PNP 晶体管正向导通。实际上，压降 I n-wellRn-well 是 NPN 导通在 PNP 上形成的正反馈。
PNP 正向导通后，由于 PMOS 源极与 P -Well 衬底之间的 pn 结正向偏置，PMOS 源极注入 N -Well 衬底的空穴会被 P -Well 衬底收集，同时形成空穴电流，并在 R sub 上产生压降，这是 PNP 导通后在 NPN 上形成的正反馈。因此，NPN 和 PNP 之间形成正反馈回路，NPN 和 PNP 同时导通，形成闩锁效应，即 PNPN 低阻通路。
总结
综上所述，热载流子注入效应会对器件的性能和可靠性产生负面影响，例如导致阈值电压漂移、载流子迁移率下降、DIBL 效应加剧和闩锁效应等。因此，无数的科学家和工程师们想了很多减缓 HCI 效应的方法，包括轻掺杂漏（Lightly Doped Drain, LDD）结构被用来降低漏极附近的峰值电场，Halo 注入角度等，这些有机会再介绍了。
