热载流子注入效应对芯片有什么危害

文章来源：Jeff的芯片世界

原文作者：Jeff的芯片世界

本文介绍了热载流子产生的原因和对晶体管的危害。

什么是热载流子注入效应

热载流子注入效应(Hot Carrier Inject, HCI)是半导体器件(如晶体管)工作时，高能电子或空穴突破材料势垒、侵入绝缘层的物理现象。当芯片中的载流子(电流载体)在电场加速下获得过高能量，就可能挣脱束缚，撞击并破坏晶体管结构中的栅氧化层(栅极与沟道间的绝缘层)，导致器件性能逐渐退化甚至失效。

这一效应是制约芯片可靠性的核心问题之一。随着集成电路尺寸缩小至纳米级，晶体管内部电场强度显著增强，热载流子问题愈发严重。从手机处理器到服务器芯片，HCI引发的寿命衰减可能直接导致设备运行卡顿、功能异常，甚至引发灾难性故障。

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。

HCI对芯片有什么具体危害

1. 阈值电压漂移

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。实验数据显示，某些28nm工艺芯片在HCI影响下，阈值电压偏移可达50mV以上，直接影响处理器主频稳定性。

2. 跨导退化与驱动能力下降

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。例如，某40nm工艺测试中，HCI应力试验后NMOS跨导退化率达15%，直接影响逻辑门开关速度，严重时可能引发时序错误。

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。以某7nm FinFET工艺为例，工作电压从0.7V升至0.75V，HCI失效时间从10年骤降至不足2年。

如何应对热载流子效应

1. 材料创新：高K介质与应变硅

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。Intel的22nm Tri-Gate技术即通过3D结构将HCI寿命提升5倍。

2. 结构优化：LDD与FinFET

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。而FinFET等三维结构通过增强栅极对沟道的控制力，将工作电压降至0.5V以下。台积电5nm工艺中，环栅(GAA)结构使HCI漏电流降低40%。

3. 系统级防护：电压调节与寿命模型

动态电压频率调节(DVFS)根据负载实时降低电压;EDA工具集成HCI寿命预测模型，在设计阶段优化布线。例如，Synopsys的PrimeSim HSPICE可通过仿真提前识别HCI高危节点，指导设计加固。