文章來源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介紹了熱載流子產(chǎn)生的原因和對(duì)晶體管的危害。

什么是熱載流子注入效應(yīng)

熱載流子注入效應(yīng)(Hot Carrier Inject, HCI)是半導(dǎo)體器件(如晶體管)工作時(shí)，高能電子或空穴突破材料勢(shì)壘、侵入絕緣層的物理現(xiàn)象。當(dāng)芯片中的載流子(電流載體)在電場(chǎng)加速下獲得過高能量，就可能掙脫束縛，撞擊并破壞晶體管結(jié)構(gòu)中的柵氧化層(柵極與溝道間的絕緣層)，導(dǎo)致器件性能逐漸退化甚至失效。

這一效應(yīng)是制約芯片可靠性的核心問題之一。隨著集成電路尺寸縮小至納米級(jí)，晶體管內(nèi)部電場(chǎng)強(qiáng)度顯著增強(qiáng)，熱載流子問題愈發(fā)嚴(yán)重。從手機(jī)處理器到服務(wù)器芯片，HCI引發(fā)的壽命衰減可能直接導(dǎo)致設(shè)備運(yùn)行卡頓、功能異常，甚至引發(fā)災(zāi)難性故障。

為什么會(huì)產(chǎn)生熱載流子

1. 高電場(chǎng)加速與能量積累

晶體管工作時(shí)，源極與漏極間的電壓形成強(qiáng)電場(chǎng)。載流子(如電子)在電場(chǎng)中被加速，運(yùn)動(dòng)速度大幅提升。當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度超過臨界值(例如在短溝道器件中)，載流子動(dòng)能可能達(dá)到甚至超過材料的晶格振動(dòng)能級(jí)(約3-4 eV)，從而脫離常規(guī)輸運(yùn)路徑。

2. 碰撞電離與能量傳遞

高能載流子與晶格原子或其它載流子碰撞時(shí)，可能引發(fā)"雪崩效應(yīng)"：一次碰撞產(chǎn)生多個(gè)二次載流子，進(jìn)一步加劇能量分布的不均勻性。部分載流子因此獲得足夠能量，直接穿透柵氧化層的勢(shì)壘(量子隧穿效應(yīng))。

3. 材料界面缺陷的放大作用

柵氧化層與硅襯底的界面并非絕對(duì)光滑，微觀缺陷(如懸掛鍵、氧空位)會(huì)成為載流子的"陷阱"。高能載流子撞擊缺陷點(diǎn)時(shí)，可能引發(fā)局部電荷積累，加速氧化層老化，形成永久性損傷路徑。

HCI對(duì)芯片有什么具體危害

1. 閾值電壓漂移

熱載流子注入柵氧化層后，會(huì)在界面處形成固定電荷。這些電荷改變晶體管的閾值電壓(開啟電壓)，導(dǎo)致電路延遲增加、功耗上升。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，某些28nm工藝芯片在HCI影響下，閾值電壓偏移可達(dá)50mV以上，直接影響處理器主頻穩(wěn)定性。

2. 跨導(dǎo)退化與驅(qū)動(dòng)能力下降

柵氧化層損傷會(huì)降低溝道載流子遷移率，表現(xiàn)為晶體管跨導(dǎo)(增益)下降。例如，某40nm工藝測(cè)試中，HCI應(yīng)力試驗(yàn)后NMOS跨導(dǎo)退化率達(dá)15%，直接影響邏輯門開關(guān)速度，嚴(yán)重時(shí)可能引發(fā)時(shí)序錯(cuò)誤。

3. 壽命指數(shù)級(jí)衰減

HCI引發(fā)的失效時(shí)間(TTF)與電場(chǎng)強(qiáng)度呈指數(shù)關(guān)系。根據(jù)Black方程模型，電場(chǎng)強(qiáng)度每降低10%，器件壽命可延長(zhǎng)10倍。以某7nm FinFET工藝為例，工作電壓從0.7V升至0.75V，HCI失效時(shí)間從10年驟降至不足2年。

如何應(yīng)對(duì)熱載流子效應(yīng)

1. 材料創(chuàng)新：高K介質(zhì)與應(yīng)變硅

采用高介電常數(shù)(High-K)材料(如HfO?)替代傳統(tǒng)SiO?，可在相同物理厚度下實(shí)現(xiàn)更高的電容密度，降低工作電壓。同時(shí)，應(yīng)變硅技術(shù)通過拉伸或壓縮晶格提升載流子遷移率，減少高電場(chǎng)需求。Intel的22nm Tri-Gate技術(shù)即通過3D結(jié)構(gòu)將HCI壽命提升5倍。

2. 結(jié)構(gòu)優(yōu)化：LDD與FinFET

輕摻雜漏極(LDD)通過在漏極附近形成梯度摻雜區(qū)，分散電場(chǎng)峰值。而FinFET等三維結(jié)構(gòu)通過增強(qiáng)柵極對(duì)溝道的控制力，將工作電壓降至0.5V以下。臺(tái)積電5nm工藝中，環(huán)柵(GAA)結(jié)構(gòu)使HCI漏電流降低40%。

3. 系統(tǒng)級(jí)防護(hù)：電壓調(diào)節(jié)與壽命模型

動(dòng)態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)(DVFS)根據(jù)負(fù)載實(shí)時(shí)降低電壓;EDA工具集成HCI壽命預(yù)測(cè)模型，在設(shè)計(jì)階段優(yōu)化布線。例如，Synopsys的PrimeSim HSPICE可通過仿真提前識(shí)別HCI高危節(jié)點(diǎn)，指導(dǎo)設(shè)計(jì)加固。