MOS 热载流子退化与应力判据

MOS Hot-Carrier Degradation and Stress Criteria（HCI/HCD）也称热载流子老化、热载流子注入可靠性

区分高能载流子的生成、注入与缺陷累积，并用配套偏压和电参数判断老化。

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约 1 分钟

热载流子中的“热”首先指载流子从电场获得的非平衡能量，而非芯片整体温度。漏端高场可产生栅电流、碰撞电离与衬底电流；更重要的长期影响是缺陷改变阈值、跨导和驱动电流。

系统理解

约 2 分钟

先确定载流子在哪个电场区域获得能量，再区分越过势垒的注入、穿过势垒的隧穿以及碰撞电离生成的电子空穴对。不同端电流观测不同过程，电流峰值偏压不一定相同，不能把某一路电流的大小直接当作通用寿命。

热载流子退化是载流子输运、缺陷生成与退化后器件特性的连续链条。应力测试须定义各端偏压、温度、时长、读出条件及允许参数漂移；把测量结果外推到使用条件时，还要核对模型是否覆盖相应沟道长度和能量机制。

承接MOSFET和界面态，补充短沟道总览之外的老化计量；与BTI并列比较，不把二者强行串成先学依赖。

关键参数

关键参数
参数	单位	含义
各端应力电压	V	栅、漏、源及体端电位和参考端
栅与衬底电流	A	对应注入及碰撞电离等过程的监测量
电特性退化	按指标为1、S或V	相同读出条件下的漏极电流、跨导和阈值变化

常见误区

热载流子只是在说芯片温度高。
栅电流峰值和衬底电流峰值必然是同一个偏压。
降低电源电压就可以不做热载流子老化验证。

工程深入

12 条结论 · 1 道例题

能量、注入与缺陷

定义

热载流子中的热首先是非平衡动能

MOS漏端高场区域中的载流子可在散射耗散之前获得额外动能，偏离与晶格温度对应的平衡分布。热载流子并不等同于器件整体升温，高温工作与高能载流子是需要分别描述的条件。^{1, 2}

成立条件 针对电场驱动的非平衡输运，不以单一平均速度刻画全部能量分布；不由此推断老化与晶格温度无关

机制

碰撞电离为额外电子与空穴提供不同去向

高能载流子可引发碰撞电离，生成额外电子空穴对；在典型NMOS漏端结构中，电子主要被漏极收集，空穴可流向体端或参与其他寄生过程。衬底电流因而提供一种高场监测信息。^{1, 2}

成立条件 载流子分流取决于器件极性、体接触和偏压；衬底电流不是全部高能载流子的直接计数

边界

越过势垒的热注入与穿过势垒的隧穿要分开

高能电子越过硅/绝缘层势垒进入介质，与电子经量子隧穿穿过势垒不是同一种输运过程。两者都可能表现为栅电流，因此仅观测到栅电流不能唯一确认热载流子注入。^{1, 3}

成立条件 具体势垒和载流子能量取决于材料与电场；不将经典Si/SiO₂电子势垒数值推广给所有高k栅叠层

边界

注入电流很小仍可能积累出明显参数变化

热注入栅电流可远小于主沟道电流，但长期注入及缺陷生成仍可改变器件电特性；不能用瞬时栅电流占比小来排除寿命内的累积退化。^{1, 3}

成立条件 累积量和缺陷反应还与偏压、温度、时间及介质品质有关；不把积分电流直接等同于全部存留陷阱电荷

应力偏压与计量

机制

缺陷退化需要同时观察静电与输运变化

热载流子应力生成或激活的介质电荷和界面缺陷，可同时改变阈值、界面散射、跨导及亚阈值特性。只报告一个阈值数不足以完整描述应力前后的器件变化。^{1, 3}

成立条件 不同陷阱类型和空间分布可能给出不同漂移符号；比较应力前后同温度、同读出条件的特性

边界

栅电流峰与衬底电流峰不必出现在同一偏压

改变栅偏压时，沟道载流子供应、漏端高场和介质方向的注入条件会一起改变；因此热注入栅电流与碰撞电离相关衬底电流的峰值可分离。某一路电流峰不能不经验证就作为全部器件的最坏老化偏压。^{1, 4}

成立条件 教材给出的近似峰值只适用于其结构和偏压范围；现代短沟道器件的最坏应力还需相应实验或输运模型确认

关联

漏端局域损伤不能用全沟道平均缺陷数完全替代

经典沟道热载流子应力的损伤常集中于漏端附近，并不沿整段沟道均匀生成。模型除缺陷总量外，还需保留足以描述受损位置的信息；把局部缺陷平均到全沟道可能改变对器件电特性退化的解释。^{1, 4}

成立条件 限定对应沟道高场损伤结构，不把全部介质老化都视为漏端局域；空间分辨率应与所用输运及缺陷模型相匹配

机制

衬底电流用作退化代理前需要校准

衬底电流是高场载流子产生和收集的结果，界面缺陷生成还受载流子能谱、键断裂动力学和空间分布影响。把衬底电流用作退化代理前，应在目标器件与偏压范围用电参数变化校准；不能直接把某个体电流值换成新增界面态数量。^{1, 4}

成立条件 器件结构、偏压、温度与读出条件须明确；经验代理与缺陷数量、分布的物理反演不是同一测量

设计取舍与验证

边界

加速应力必须与使用条件和判据相衔接

热载流子寿命应定义为指定使用及读出条件下某些参数越过允许范围的时间；加速试验的应力偏压、退化指标与外推模型必须配套，不能仅凭试验电压更高就认定外推一定保守。^{1, 3, 4}

成立条件 外推模型须覆盖对应器件结构和应力机制；明确温度、时间、各端偏压和电参数允许范围

公式

多参数退化要按各自基准和限值比较

同一热载流子应力可使漏极电流、跨导和阈值按不同幅度变化。对电流或跨导的相对下降，先用各自初始值归一化，再分别与已声明的允许范围比较，不把一个量合格当成所有量合格。^{1, 3}

D_{I_D}=\frac{I_{D,0}-I_{D,t}}{I_{D,0}},\qquad D_{g_m}=\frac{g_{m,0}-g_{m,t}}{g_{m,0}}

$D_{I_D}$: 漏极电流幅值的相对下降无量纲
$I_{D,0}$: 初始漏极电流幅值单位 A
$I_{D,t}$: 应力后相同条件的漏极电流幅值单位 A
$D_{g_m}$: 跨导的相对下降无量纲
$g_{m,0}$: 初始跨导单位 S
$g_{m,t}$: 应力后相同条件的跨导单位 S

成立条件 初始值非零，电流取已声明的同极性幅值；下面相对下降仅用于正向幅值退化，不替代带符号阈值判据

例题：动手算一次教学假设，可复算

教学判据规定漏极电流幅值与跨导下降都不得超过8.00%。初始电流200 μA、应力后180 μA，初始跨导100 μS、应力后94.0 μS，是否同时满足？

已知

ID,0=200 μA，ID,t=180 μA
gm,0=100 μS，gm,t=94.0 μS
两指标各自限值8.00%；读出偏压及温度相同

步骤

DID = (200−180)/200 = 0.100 = 10.0%同单位电流相除后得到无量纲退化比例。
Dgm = (100−94.0)/100 = 0.0600 = 6.00%跨导按自己的初始值归一化。
10.0% > 8.00%，而6.00% ≤ 8.00%电流指标未满足，跨导指标满足，不能判为两项同时满足。

结果不同时满足：电流下降超限，跨导下降未超限。

一个退化指标合格不能代替全部指标的判断。

适用边界 所有输入及8.00%限值均为教学假设，不是某工艺、标准或产品的资格判据，也未预测寿命。

边界

低电压下也不能仅用单载流子越障图像排除退化

在缩小的MOS器件中，缺陷生成可能包含多个较低能载流子共同促成的过程；只检查单个载流子是否能一次取得某个完整越障能量，不能据此宣布热载流子退化消失。应使用覆盖相应尺寸的输运与损伤模型。⁴

成立条件 本条只指出单粒子判据的边界，不给统一低压失效阈值；不宣称任意低压下都会有相同强度退化，也不将某模型视为全部器件的最终解释

关联

减轻漏端电场要与扩展区串联电阻同时考虑

源漏扩展区采用较轻掺杂可减小漏端横向电场，但结深、掺杂梯度和通向接触的导电路径也会影响串联电阻。热载流子优化不能只把掺杂越轻当作越好。¹

成立条件 针对教材所述轻掺杂漏区及分段源漏结构；电场降低、短沟道控制和电阻代价须在同一器件结构中比较

出处

4 份资料 · 23 处引用

1
Physics of Semiconductor Devices
S. M. Sze, Yiming Li, Kwok K. Ng · 第4版 · 2021
- 第 6 章 §6.4.6，本地重排PDF第632页，未核得稳定印刷页映射 支持：热载流子中的热首先是非平衡动能
- 第 6 章 §6.4.6，图54–55，本地重排PDF第632–634页，未核得稳定印刷页映射 支持：碰撞电离为额外电子与空穴提供不同去向
- 第 6 章 §6.4.6，本地重排PDF第632–633页，未核得稳定印刷页映射 支持：越过势垒的热注入与穿过势垒的隧穿要分开
- 第 6 章 §6.4.6，本地重排PDF第633页，未核得稳定印刷页映射 支持：注入电流很小仍可能积累出明显参数变化
- 第 6 章 §6.4.6，图56，本地重排PDF第633、635页，未核得稳定印刷页映射 支持：缺陷退化需要同时观察静电与输运变化
- 第 6 章 §6.4.6，图55，本地重排PDF第633–634页，未核得稳定印刷页映射 支持：栅电流峰与衬底电流峰不必出现在同一偏压
- 第 6 章 §6.4.6，图54–56，本地重排PDF第632–635页，未核得稳定印刷页映射 支持：漏端局域损伤不能用全沟道平均缺陷数完全替代
- 第 6 章 §6.4.6，图54–56及体电流与寿命定义段，本地重排PDF第632–635页，未核得稳定印刷页映射 支持：衬底电流用作退化代理前需要校准
- 第 6 章 §6.4.6，寿命定义段，本地重排PDF第633页，未核得稳定印刷页映射 支持：加速应力必须与使用条件和判据相衔接
- 第 6 章 §6.4.6，图56与参数允许范围段，本地重排PDF第633、635页，未核得稳定印刷页映射，相对下降为本条定义 支持：多参数退化要按各自基准和限值比较
- 第 6 章 §6.5.3，图59、62，本地重排PDF第641、643–645页，未核得稳定印刷页映射 支持：减轻漏端电场要与扩展区串联电阻同时考虑
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2
模拟CMOS集成电路设计
Behzad Razavi
- 第 17 章 §17.2.4，印刷第623–624页，PDF第648–649页 支持：热载流子中的热首先是非平衡动能；碰撞电离为额外电子与空穴提供不同去向
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3
Modern Semiconductor Devices for Integrated Circuits
Chenming C. Hu · 2010
- 第 6 章 §6.16.3，图6-37及Hot-Carrier-Injection Reliability框，印刷第242–243页，PDF第243–244页 支持：越过势垒的热注入与穿过势垒的隧穿要分开
- 第 6 章 §6.16.3，Hot-Carrier-Injection Reliability框，印刷第243页，PDF第244页 支持：注入电流很小仍可能积累出明显参数变化；缺陷退化需要同时观察静电与输运变化；加速应力必须与使用条件和判据相衔接
- 第 6 章 §6.16.3可靠性框，印刷第243页，PDF第244页，按应力前后I–V比较定义归一化量 支持：多参数退化要按各自基准和限值比较
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4
Modeling of Hot-Carrier Degradation: Physics and Controversial Issues
Stanislav Tyaginov; Tibor Grasser · 2012
- sections II–III及VI，最坏应力随器件尺度变化的讨论，印刷第206–215页，PDF第1–10页中的实际核读第1–3、10页 支持：栅电流峰与衬底电流峰不必出现在同一偏压
- sections I–II，图1–3，印刷第206–207页，PDF第1–2页 支持：漏端局域损伤不能用全沟道平均缺陷数完全替代
- sections I–III，图1–4，印刷第206–208页，PDF第1–3页 支持：衬底电流用作退化代理前需要校准
- section VI Conclusions，印刷第215页，PDF第10页 支持：加速应力必须与使用条件和判据相衔接
- sections I–III及VI，单粒子/多粒子过程，印刷第206–208、215页，PDF第1–3、10页 支持：低电压下也不能仅用单载流子越障图像排除退化
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关键参数

常见误区

能量、注入与缺陷

#热载流子中的热首先是非平衡动能

#碰撞电离为额外电子与空穴提供不同去向

#越过势垒的热注入与穿过势垒的隧穿要分开

#注入电流很小仍可能积累出明显参数变化

应力偏压与计量

#缺陷退化需要同时观察静电与输运变化

#栅电流峰与衬底电流峰不必出现在同一偏压

#漏端局域损伤不能用全沟道平均缺陷数完全替代

#衬底电流用作退化代理前需要校准

设计取舍与验证

#加速应力必须与使用条件和判据相衔接

#多参数退化要按各自基准和限值比较

已知

步骤

#低电压下也不能仅用单载流子越障图像排除退化

#减轻漏端电场要与扩展区串联电阻同时考虑

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