随着半导体特征尺寸缩减，其电源电压并没有按比例缩减，导致器件内部电场强度增加，这在MOSFET中特别突出。其中热载流子损伤在NMOS器件中占主导地位，基于热载流子对半导体器件的重要影响，来聊如下5个问题
1.什么是热载流子？
2.热载流子注入效应HCI;
3.HCI对MOS器件的影响;
4.预兆单元的概念;
5.HCI失效预兆单无的PHM方法。
一、什么是热载流子
所谓热载流子，是指比零电场下的载流子具有更高平均动能的载流子,一般比费米能级大几个ＫＴ以上的载流子，因此其速度也一定很高。零电场下，载流子通过吸收和发射声子与晶格交换能量，并与之处于热平衡状态，其温度与晶格温度相等。在有电场的作用存在时，载流子可以从电场直接获取能量，而晶格却不能。晶格只能借助载流子从电场直接获取能量，就从电场获取并积累能量又将能量传递给晶格的稳定之后，载流子的平均动能将高于晶格的平均动能，自然也高于其本身在零电场下的动能，成为热载流子。
当载流子从外界获得了很大能量时，即可成为热载流子。例如在强电场作用下，载流子沿着电场方向不断漂移，不断加速，即可获得很大的动能，从而可成为热载流子。对于半导体器件，当器件的特征尺寸很小时，即使在不很高的电压下，也可产生很强的电场，从而易于导致出现热载流子。因此，在小尺寸器件以及大规模集成电路中，容易出现热载流子。
二、热载流子注入（HCI）效应
集成电路制造技术正向纳米尺度迅速发展，在器件的沟道长度、结深和栅氧厚度等尺寸等比缩小和衬底掺杂浓度增加的同时，电源电压并未随之等比缩小，这就导致沟道区的横向和纵向电场显著增加。在电场中，载流子一方面从电场获得能量，另一方面通过碰撞把所获得的能量传递给点阵。由于有高的能量，热载流子的行为不同于热平衡的载流子。在电场下载流子的平均动能比在热平衡下的平均动能（等于点阵的平均动能）高，电场越强，从电场获得能量的速率越大，载流子平均动能就越高。这种被显著“加热了”的载流子称为热载流子，它的能量比费米能级大几个kT以上的载流子。这些载流子与晶格不处于热平衡状态，当其能量达到或超过Si/SiO2界面势垒时（对电子注入为3.2 eV，对空穴注入为4.5 eV）便会注入到氧化层中，产生界面态、氧化层陷阱或被陷阱所俘获，使氧化层电荷增加或波动不稳，这就是HCI效应。这种器件特性的退化将造成器件功能严重损坏，因此热载流子注入效应已成为限制VLSI最大器件密度的主要因素之一。
三、HCI对MOS器件性能的影响
1.热载流子对器件寿命的影响
热载流子注入效应改变了氧化层中电荷的分布，引起器件参数的退化，大大降低了器件的可靠性和工作寿命。
2.热载流子效应的失效现象
对于MOSFET（金氧半场效晶体管）及其IC（集成电路），在高温偏置条件下工作时，有可能发生阈值电压的漂移；但若在没有偏置的情况下再进行烘烤（200～250 oC）几个小时之后，即可部分或者全部恢复原来的性能；不过若再加上电压工作时，性能又会产生变化。这就是热载流子效应所造成的失效现象。
1)雪崩倍增效应
在小尺寸MOSFET中，不大的源-漏电压即可在漏极端附近处形成很高的电场；特别是，当MOSFET工作于电流饱和的放大状态时，沟道在漏极附近处被夹断（耗尽），其中存在强电场；随着源-漏电压的升高、以及沟道长度的缩短，夹断区中的电场更强。这时，通过夹断区的载流子即将从强电场获得很大的漂移速度和动能，就很容易成为热载流子，同时这些热载流子与价电子碰撞时还可以产生雪崩倍增效应。
2)阈值电压漂移
由于热载流子具有很大的动能和漂移速度，则在半导体中通过碰撞电离可产生出大量次级的电子-空穴对——次级热载流子；其中的电子（也包括原始电子）将流入漏极而形成输出源-漏电流（IDS），而产生出的次级空穴将流入衬底而形成衬底电流（Isub）。通过测量Isub就可以得知沟道热电子和漏区电场的情况。
若夹断区中的一些热载流子与声子发生碰撞、得到了指向栅氧化层的动量，那么这些热载流子就有可能注入到栅氧化层中；进入到栅氧化层中的一部分热载流子，还有可能被陷于氧化层中的缺陷处，并变成为固定的栅氧化层电荷，从而引起阈值电压漂移和整个电路性能的变化。
图1 n-MOSFET的热电子效应
3)MOSFET性能的退化
沟道中有一小部分具有足够高能量的热载流子可以越过Si/SiO2界面的势垒（电子势垒高度Eb约为3.2eV，空穴的约为4.9eV）而注入到栅SiO2层中，并多数形成了栅极电流IG。虽然此栅极电流很小，但是它所造成的后果却很严重，因为热电子注入到栅SiO2层中将会引起界面陷阱积蓄电荷，经过一段时间的电荷积累即会使得器件性能发生退化（阈值电压漂移、跨导降低和亚阈值斜率增大，甚至栅氧化层击穿），这将危及到小尺寸MOSFET及其VLSI的可靠性。可见，MOS器件性能的退化主要是与较小的栅极电流IG有关，而与比它大几个数量级的衬底电流Isub无关。
4)寄生晶体管效应
当有较大的Isub流过衬底（衬底电阻为Rsub）时将产生电压降（Isub×Rsub），这会使源-衬底的n+-p结正偏（因为源极通常是接地的），从而形成一个“源-衬底-漏”的寄生n+-p-n+晶体管；这个寄生晶体管与原来的MOSFET相并联而构成一个复合结构的器件，这种复合结构往往是导致短沟道MOSFET发生源-漏击穿的原因，并且还会使伏安特性曲线出现回滞现象，在CMOS电路中还将会导致闩锁效应。为了提高短沟道MOSFET的源-漏击穿电压及其可靠性，就应当设法不让与热载流子有关的寄生晶体管起作用。因此，就需要减小衬底电阻Rsub，以使得乘积(Isub×Rsub)<0.6V，这样一来寄生晶体管就不能导通工作了。这就是寄生晶体管效应。
3.热载流子注入对MOS结构C-V和I-V特性的影响
由于热载流子效应的存在，严重影响了MOS集成电路集成度及电路和器件的长期可靠性，热载流子效应对MOS结构的影响，会造成C-V和I-V特性曲性畸变。
四、预兆单元
在电路中增加易损单元，使其先于主单元失效而提供预警，达到保证主单元安全的目的。其中，易损单元被称为预兆单元或预校准单元，因为这些预兆单元的失效时间都相对于主单元的失效时间进行了预校准。由于工作应力相同，所以主单元和预校准单元的损伤速率也应该相同。我们可以通过按比例对预兆单元增加应力，即相对于主单元加速预兆单元失效。按比例增加应力可以通过控制预兆单元中电流密度实现。增大加在预兆单元上的电压或减小电流通过的横截面积都能够增加电流密度。大的电流密度会导致单元内部热运动加剧，给预兆单元产生更大的应力，因此，当大的电流密度通过预兆单元时，它就会比主单元加速失效。图2展示了主单元和预兆单元的失效分布。在同样的环境和工作负载情况下，预兆单元更快进入耗损区，表明主单元即将到来的失效。预兆单元被预校准到能提供足够的预测故障距离，有充足时间进行维护和更换。由于预测故障点可以提前，因此可以提供多个故障触发点。
国际上，在预兆单元技术领域比较突出的是美国锐拓公司，其研发的半导体可靠性预警技术被形象地命名为“半导体哨兵技术”。由于相同的失效模式可能会由不同的失效机理产生，因此，需要针对不同失效机理设计不同的预兆单元。
图2主单元和预兆单元的失效概率密度分布
五、HCI失效的预兆单元PHM方法
热载流子损伤在NMOS器件中占主导地位，因为在沟道中电子比空穴更容易加速。迁移率越高，它们获得的动能就越大。这些热电子能够引起强电离，产生电子-空穴对。相对于 PMOS，在 NMOS 偏置的情况下，空穴更容易注入到栅氧化层中。在漏极附近，大量的强电离发生，产生大量的间接载流子，且漏栅电压能够有利于空穴注入到栅氧化层，这时热载流子损伤最大。最差偏置条件可以通过最小沟道长度器件（漏极电场大）获得，这时，漏极电压很大（也会导致漏极电场变大），栅极电压大约为漏极电压的 1/3（将大电流和空穴注入偏置结合起来）。
在MOSFET中，热载流子退化是累积效应。随着时间的累积，氧化层累积的电荷能够改变阈值电压和器件跨导，当这两个参数变化超过一定限值时，器件就失效了。在严酷条件下，发生热载流子损伤的器件越多，热载流子损伤发生的就越多。电路中热载流子损伤取决于电路设计。热载流子损伤能表明阈值电压的变化或亚阈值摆幅的退化。电路对晶体管特性的这些变化的敏感程度也取决于电路结构。因此，要设计一个针对热载流子退化的能够精确预测电路失效的预兆单元，需要对最差情况下栅压摆幅和电路所能承受的阈值电压偏移量进行合理的评估。要确定电路的一些量，因为这些参数的工艺会发生变化。一旦知道了这些量，就可以选出正确的预兆单元，它能够反映最差情况栅极偏置条件和在可承受的阈值电压偏移情况下输出的错误。
热载流子失效预警电路如图3所示。该电路在开关S1和S2的控制下有两种状态：应力状态和测试状态。当开关S1闭合而开关S2打开时，电路处于应力状态。此时，NMOS1和NMOS2有不同的栅偏置电压，即对两个一致的MOS管（NMOS1和NMOS2）施加不同的电应力。参考器件NMOS2则不受应力。而受应力器件NMOS1处于最严酷条件，即三角波电压应力。此时，NMOS1将加速发生热载流子注入效应。当开关 S1打开而开关 S2闭合时，电路处于测试状态。由于MOS管分别连接到两个相同的恒流源I0和I1，当NMOS1和NMOS2的漏极电压差值达到一定值时，比较器输出电平发生翻转，进而发出预警信号。
图3 HCI失效预警电路
六、结束语
目前，预兆单元法已成功地应用于与时间有关的电介质击穿、热载流子效应、电迁移、静电放电和辐照效应等失效机理。后续我们接着聊关于典型失效机理的的相关预兆单元方法。
晚安，亲们！
