热载流子注入

热载流子注入（也称为热载流子注入，HCI）是固态电子器件中的一种现象，其中电子或空穴（空穴）获得足够的动能以克服破坏界面态所需的势垒。术语“热”是指用于模拟载流子密度的有效温度，而不是器件的整体温度。由于电荷载流子会被困在 MOS 场效应晶体管 (MOSFET) 的栅极电介质中，因此晶体管的开关特性可能会永 久改变。 HCI是影响固态器件中半导体可靠性的机制之一。

术语“热载流子注入”通常是指 MOSFET 中的效应，其中电荷载流子从硅衬底中的导电通道注入到栅极电介质中，栅极电介质通常是二氧化硅 (SiO2)。

为了变“热”并进入 SiO2 的导带，电子必须达到约 3.2 eV 的动能。对于空穴，价带偏移在这种情况下决定了 4.6 eV 的动能。术语“热电子”来自用于模拟电荷载流子密度的有效温度概念，具有费米狄拉克函数。它与半导体的整体温度无关（物理上可能是冷的，但温度越高，热电子数量就越高，其他条件相同）。

“热电子”一词最初是为了描述半导体中的非平衡电子（或空穴）而引入的。在更广泛的意义上，该术语描述了可以用费米函数描述的电子分布，但具有更高的有效温度。这种更高的能量会影响电荷载流子的迁移率，从而影响它们如何移动通过半导体器件。

热电子可以从半导体材料中穿出隧道，而不是与空穴重新结合或被引导通过材料到达收集器。当热载流子破坏电介质的原子结构时，随之而来的影响包括增加泄漏电流和可能损坏周围的电介质材料。

当电磁辐射的高能光子（例如光）撞击半导体时，它们就会出现。 光子的能量可以转移到电子，使电子被激发出价带并产生电子-空穴对。 当电子获得足够的能量离开价带并穿过导带时，它就变成了热电子。 这种电子的特点是有效温度高。 由于有效温度高，热电子非常灵活，可以离开半导体并穿透其他周围材料。

在一些半导体器件中，热电子声子消耗的能量效率低下，因为能量以热的形式损失了。 例如，一些太阳能电池利用半导体的光伏特性将光能转化为电能。 在这种电池中，热电子效应是部分光能以热能形式损失而不是转化为电能的原因。

热电子通常发生在低温下，即使在退化的半导体或金属中也是如此。 有许多模型可以描述热电子效应。 最简单的模型基于干净的三维自由电子模型预测电子-声子 (e-p) 相互作用。 热电子效应模型显示了功耗、电子气温度和过热之间的相关性。

在 MOSFET 中，热电子有足够的能量穿过薄氧化物栅极并表现为栅极电流或衬底漏电流。 当 MOSFET 具有正极栅极且开关导通时，器件设计为电子通过导电通道从源极流向漏极。 热电子可以 B.跳出沟道区或跳出漏极进入栅极或衬底。 这些热电子不会按预期增加流经通道的电流量，而是代表漏电流。

可以通过在栅极端子上放置反向偏置二极管或对器件进行其他操作（例如轻掺杂漏极 (LDD) 或双掺杂漏极）来校正或补偿该效应名词

当电子在通道中加速时，它们会沿着平均自由程获得能量。 这种能量以两种不同的方式损失：

• 电荷载流子撞击基板中的原子。 碰撞产生冷载流子和额外的电子空穴对。 在 NMOS 晶体管的情况下，额外的电子从沟道中被接受，额外的空穴从衬底中移除。
• 载流子遇到并破坏硅氢键。 界面态产生，氢原子在衬底中释放。

撞击原子或 Si-H 键的概率是随机的，并且在这两种情况下，每个过程中涉及的平均能量都是相同的。 因此，在 HCI 加载期间监测衬底电流。 高衬底电流意味着产生大量电子-空穴对，因此是破坏Si-H键的有效机制。当界面态出现时，阈值电压发生变化，亚阈值斜率降低。 这会导致较低的电流并降低集成电路的工作频率。

半导体制造的进步以及对更快、更复杂的集成电路 (IC) 不断增长的需求导致相关的 MOSFET 变得越来越小。 然而，由于与上一代电路的兼容性、噪声容限、功率和延迟要求以及阈值电压的非缩放、亚阈值斜率等因素，无法按比例缩放用于操作这些 IC 的电源电压，结果，积极缩放的 MOSFET 中的内部电场增加，这具有增加载流子速度（达到速度饱和）并因此增加开关速度的额外好处，但也对长期运行的可靠性提出了主要问题这些设备，因为高场会引起热载流子注入，从而影响组件的可靠性。

氧化物中移动电荷载流子的存在会触发许多物理损坏过程，这些过程会在很长一段时间内彻底改变组件的特性。 损坏的累积最终会导致电路故障，因为这种损坏会导致阈值电压偏移等关键参数。 由于热载流子注入导致器件性能下降的损伤累积称为热载流子退化。

基于这种MOS器件的电路和集成电路的寿命因此受到MOS器件本身寿命的影响。 为确保使用最小几何器件制造的集成电路的寿命不受影响，必须准确了解 MOS 器件的寿命及其 HCI 退化。 最终，未能准确描述 HCI 寿命的影响会影响业务成本，例如保修和支持成本，并影响代工厂或 IC 制造商的营销和销售承诺。

HCl 降解基本上与称为半导体总剂量损伤的电离辐射效应相同，因为它在空间系统中因暴露于质子、电子、X 射线和伽马射线而发生。

HCI 是许多非易失性存储器技术（如 EPROM 单元）运行的基础。 一旦认识到 HCI 注入对电路可靠性的潜在不利影响，便开发了几种制造策略来减少它而不影响电路性能。

NOR闪存利用热载流子注入的原理，有意地通过栅氧化层注入电荷载流子，给电未连接的栅充电。 该电荷改变了 MOS 晶体管的阈值电压，使其代表逻辑“0”状态。 未充电的门表示“1”状态。擦除 NOR 闪存单元会通过 Fowler-Nordheim 隧道效应移除存储的电荷。

由于正常NOR flash操作造成的氧化物损坏，HCI损坏是影响步数的因素之一限制 eib 删除周期。 由于保持电荷的能力和氧化物中电荷陷阱的形成削弱了具有不同“1”和“0”电荷状态的能力，HCI 损坏导致非易失性存储器逻辑窗口随着时间的推移而变宽关闭。 无法再区分“1”和“0”的写入-擦除循环次数定义了非易失性存储器的寿命。