熱載流子注入

熱載流子注入（也稱為熱載流子注入，HCI）是固態電子器件中的一種現象，其中電子或空穴（空穴）獲得足夠的動能以克服破壞界面態所需的勢壘。術語“熱”是指用于模擬載流子密度的有效溫度，而不是器件的整體溫度。由于電荷載流子會被困在 MOS 場效應晶體管 (MOSFET) 的柵極電介質中，因此晶體管的開關特性可能會永 久改變。 HCI是影響固態器件中半導體可靠性的機制之一。

術語“熱載流子注入”通常是指 MOSFET 中的效應，其中電荷載流子從硅襯底中的導電通道注入到柵極電介質中，柵極電介質通常是二氧化硅 (SiO2)。

為了變“熱”并進入 SiO2 的導帶，電子必須達到約 3.2 eV 的動能。對于空穴，價帶偏移在這種情況下決定了 4.6 eV 的動能。術語“熱電子”來自用于模擬電荷載流子密度的有效溫度概念，具有費米狄拉克函數。它與半導體的整體溫度無關（物理上可能是冷的，但溫度越高，熱電子數量就越高，其他條件相同）。

“熱電子”一詞最初是為了描述半導體中的非平衡電子（或空穴）而引入的。在更廣泛的意義上，該術語描述了可以用費米函數描述的電子分布，但具有更高的有效溫度。這種更高的能量會影響電荷載流子的遷移率，從而影響它們如何移動通過半導體器件。

熱電子可以從半導體材料中穿出隧道，而不是與空穴重新結合或被引導通過材料到達收集器。當熱載流子破壞電介質的原子結構時，隨之而來的影響包括增加泄漏電流和可能損壞周圍的電介質材料。

當電磁輻射的高能光子（例如光）撞擊半導體時，它們就會出現。 光子的能量可以轉移到電子，使電子被激發出價帶并產生電子-空穴對。 當電子獲得足夠的能量離開價帶并穿過導帶時，它就變成了熱電子。 這種電子的特點是有效溫度高。 由于有效溫度高，熱電子非常靈活，可以離開半導體并穿透其他周圍材料。

在一些半導體器件中，熱電子聲子消耗的能量效率低下，因為能量以熱的形式損失了。 例如，一些太陽能電池利用半導體的光伏特性將光能轉化為電能。 在這種電池中，熱電子效應是部分光能以熱能形式損失而不是轉化為電能的原因。

熱電子通常發生在低溫下，即使在退化的半導體或金屬中也是如此。 有許多模型可以描述熱電子效應。 最簡單的模型基于干凈的三維自由電子模型預測電子-聲子 (e-p) 相互作用。 熱電子效應模型顯示了功耗、電子氣溫度和過熱之間的相關性。

在 MOSFET 中，熱電子有足夠的能量穿過薄氧化物柵極并表現為柵極電流或襯底漏電流。 當 MOSFET 具有正極柵極且開關導通時，器件設計為電子通過導電通道從源極流向漏極。 熱電子可以 B.跳出溝道區或跳出漏極進入柵極或襯底。 這些熱電子不會按預期增加流經通道的電流量，而是代表漏電流。

可以通過在柵極端子上放置反向偏置二極管或對器件進行其他操作（例如輕摻雜漏極 (LDD) 或雙摻雜漏極）來校正或補償該效應名詞

當電子在通道中加速時，它們會沿著平均自由程獲得能量。 這種能量以兩種不同的方式損失：

• 電荷載流子撞擊基板中的原子。 碰撞產生冷載流子和額外的電子空穴對。 在 NMOS 晶體管的情況下，額外的電子從溝道中被接受，額外的空穴從襯底中移除。
• 載流子遇到并破壞硅氫鍵。 界面態產生，氫原子在襯底中釋放。

撞擊原子或 Si-H 鍵的概率是隨機的，并且在這兩種情況下，每個過程中涉及的平均能量都是相同的。 因此，在 HCI 加載期間監測襯底電流。 高襯底電流意味著產生大量電子-空穴對，因此是破壞Si-H鍵的有效機制。當界面態出現時，閾值電壓發生變化，亞閾值斜率降低。 這會導致較低的電流并降低集成電路的工作頻率。

半導體制造的進步以及對更快、更復雜的集成電路 (IC) 不斷增長的需求導致相關的 MOSFET 變得越來越小。 然而，由于與上一代電路的兼容性、噪聲容限、功率和延遲要求以及閾值電壓的非縮放、亞閾值斜率等因素，無法按比例縮放用于操作這些 IC 的電源電壓，結果，積極縮放的 MOSFET 中的內部電場增加，這具有增加載流子速度（達到速度飽和）并因此增加開關速度的額外好處，但也對長期運行的可靠性提出了主要問題這些設備，因為高場會引起熱載流子注入，從而影響組件的可靠性。

氧化物中移動電荷載流子的存在會觸發許多物理損壞過程，這些過程會在很長一段時間內徹底改變組件的特性。 損壞的累積最終會導致電路故障，因為這種損壞會導致閾值電壓偏移等關鍵參數。 由于熱載流子注入導致器件性能下降的損傷累積稱為熱載流子退化。

基于這種MOS器件的電路和集成電路的壽命因此受到MOS器件本身壽命的影響。 為確保使用最小幾何器件制造的集成電路的壽命不受影響，必須準確了解 MOS 器件的壽命及其 HCI 退化。 最終，未能準確描述 HCI 壽命的影響會影響業務成本，例如保修和支持成本，并影響代工廠或 IC 制造商的營銷和銷售承諾。

HCl 降解基本上與稱為半導體總劑量損傷的電離輻射效應相同，因為它在空間系統中因暴露于質子、電子、X 射線和伽馬射線而發生。

HCI 是許多非易失性存儲器技術（如 EPROM 單元）運行的基礎。 一旦認識到 HCI 注入對電路可靠性的潛在不利影響，便開發了幾種制造策略來減少它而不影響電路性能。

NOR閃存利用熱載流子注入的原理，有意地通過柵氧化層注入電荷載流子，給電未連接的柵充電。 該電荷改變了 MOS 晶體管的閾值電壓，使其代表邏輯“0”狀態。 未充電的門表示“1”狀態。擦除 NOR 閃存單元會通過 Fowler-Nordheim 隧道效應移除存儲的電荷。

由于正常NOR flash操作造成的氧化物損壞，HCI損壞是影響步數的因素之一限制 eib 刪除周期。 由于保持電荷的能力和氧化物中電荷陷阱的形成削弱了具有不同“1”和“0”電荷狀態的能力，HCI 損壞導致非易失性存儲器邏輯窗口隨著時間的推移而變寬關閉。 無法再區分“1”和“0”的寫入-擦除循環次數定義了非易失性存儲器的壽命。