在半導體行業(yè)追求芯片性能與集成度的道路上，熱載流子注入效應（HCI）如同隱形殺手，悄然侵蝕著芯片的可靠性與壽命。隨著集成電路尺寸邁入納米級，這一問題愈發(fā)凸顯，成為制約芯片技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵瓶頸。

一、HCI：芯片中的 “能量入侵者”

HCI 本質(zhì)是半導體器件工作時，高能載流子突破材料勢壘侵入絕緣層的物理現(xiàn)象。如圖 1 所示，當芯片中的電子或空穴在電場加速下獲得過高能量，會掙脫束縛撞擊柵氧化層——這一晶體管柵極與溝道間的關(guān)鍵絕緣層，最終導致器件性能退化甚至失效。從手機處理器到服務器芯片，HCI 引發(fā)的壽命衰減可能造成設備卡頓、功能異常，極端情況下還會引發(fā)災難性故障。

（圖1）

二、HCI 的三大 “催生因子”

HCI 的產(chǎn)生并非偶然，而是多重物理機制共同作用的結(jié)果，其核心誘因可歸納為三點：

01高電場加速與能量積累

晶體管源極與漏極間的電壓形成強電場，載流子（如電子）在電場中加速。當電場強度超過臨界值（尤其短溝道器件），載流子動能可能突破晶格振動能級（約 3-4 eV），脫離常規(guī)輸運路徑，成為 “高能失控粒子”。

02碰撞電離與能量傳遞

如圖 2 所示，高能載流子與晶格原子或其他載流子碰撞時，會引發(fā) “雪崩效應”—— 一次碰撞產(chǎn)生多個二次載流子，進一步加劇能量分布不均。部分載流子借由量子隧穿效應，直接穿透柵氧化層的勢壘，完成 “注入” 過程。

03材料界面缺陷的放大作用

柵氧化層與硅襯底的界面并非絕對光滑，微觀缺陷（如懸掛鍵、氧空位）會成為載流子的 “陷阱”。如圖 3 所示，高能載流子撞擊缺陷點時，會引發(fā)局部電荷積累，加速氧化層老化，最終形成永久性損傷路徑。

（圖2）

[圖 2：HCI 碰撞電離過程示意圖（標注源區(qū)、漏區(qū)、耗盡層及碰撞電離發(fā)生區(qū)域）](GS DS 源區(qū) 漏區(qū) n 碰撞電離 p-Si 耗盡層 Rsub ? VBS)

（圖3）

[圖 3：柵氧化層缺陷與載流子陷阱示意圖（展示缺陷點對載流子的捕獲及電荷積累過程）](載流子如何注入？氧化層缺陷)

三、HCI 對芯片的三重 “致命打擊”

HCI 對芯片的危害具有累積性與破壞性，具體體現(xiàn)在三個核心性能指標的退化：

01閾值電壓漂移

熱載流子注入柵氧化層后，會在界面處形成固定電荷，改變晶體管的閾值電壓（開啟電壓）。這直接導致電路延遲增加、功耗上升 —— 實驗數(shù)據(jù)顯示，28nm 工藝芯片在 HCI 影響下，閾值電壓偏移可達 50mV 以上，嚴重影響處理器主頻穩(wěn)定性。

02跨導退化與驅(qū)動能力下降

柵氧化層損傷會降低溝道載流子遷移率，表現(xiàn)為晶體管跨導（增益）下降。例如，40nm 工藝測試中，HCI 應力試驗后 NMOS 跨導退化率達 15%，直接減慢邏輯門開關(guān)速度，嚴重時可能引發(fā)時序錯誤，導致芯片運算結(jié)果偏差。

03壽命指數(shù)級衰減

HCI 引發(fā)的失效時間（TTF）與電場強度呈指數(shù)關(guān)系。根據(jù) Black 方程模型，電場強度每降低 10%，器件壽命可延長 10 倍。以 7nm FinFET 工藝為例，當工作電壓從 0.7V 升至 0.75V，HCI 失效時間會從 10 年驟降至不足 2 年，凸顯電壓控制對芯片壽命的關(guān)鍵影響。

四、多維度防御：抵御 HCI 的 “三重屏障”

為應對 HCI 威脅，半導體行業(yè)已形成材料、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)多維度的解決方案：

01材料創(chuàng)新：高 K 介質(zhì)與應變硅

如圖 4 所示，采用高介電常數(shù)（High-K）材料（如 HfO?）替代傳統(tǒng) SiO?，可在相同物理厚度下實現(xiàn)更高電容密度，降低工作電壓；同時，應變硅技術(shù)通過拉伸或壓縮晶格提升載流子遷移率，減少高電場需求。Intel 的 22nm Tri-Gate 技術(shù)即通過 3D 結(jié)構(gòu)與材料優(yōu)化，將 HCI 壽命提升 5 倍。

02結(jié)構(gòu)優(yōu)化：LDD 與 FinFET

輕摻雜漏極（LDD）通過在漏極附近形成梯度摻雜區(qū)，分散電場峰值，避免局部電場過強；而 FinFET 等三維結(jié)構(gòu)通過增強柵極對溝道的控制力，將工作電壓降至 0.5V 以下。臺積電 5nm 工藝中，環(huán)柵（GAA）結(jié)構(gòu)進一步優(yōu)化電場分布，使 HCI 漏電流降低 40%。

03系統(tǒng)級防護：電壓調(diào)節(jié)與壽命模型

動態(tài)電壓頻率調(diào)節(jié)（DVFS）可根據(jù)芯片負載實時降低電壓，減少高電場工況；同時，EDA 工具（如 Synopsys 的 PrimeSim HSPICE）集成 HCI 壽命預測模型，在設計階段通過仿真識別 HCI 高危節(jié)點，指導布線與電路優(yōu)化，從源頭降低 HCI 風險。

（圖4）

[圖 4：High-K 材料與應變硅結(jié)構(gòu)對比圖（左為傳統(tǒng) SiO?結(jié)構(gòu)，右為 High-K + 應變硅結(jié)構(gòu)，標注柵極、氧化層、襯底等關(guān)鍵部分）](Metal Metal Gate SiGe Gate SiGe Oxide Oxide Silicon Sillicon Substrate Substrate High Speed (HP/SP) High Voltage (TG) and Low Power Logic (LP/ULP))

在芯片向更小制程、更高性能演進的過程中，HCI 的挑戰(zhàn)仍將持續(xù)。唯有不斷突破材料、結(jié)構(gòu)與設計技術(shù)，才能有效抵御這一隱形殺手，為芯片的長期穩(wěn)定運行保駕護航。

季豐電子

季豐電子成立于2008年，是一家聚焦半導體領(lǐng)域，深耕集成電路檢測相關(guān)的軟硬件研發(fā)及技術(shù)服務的賦能型平臺科技公司。公司業(yè)務分為四大板塊，分別為基礎實驗室、軟硬件開發(fā)、測試封裝和儀器設備，可為芯片設計、晶圓制造、封裝測試、材料裝備等半導體產(chǎn)業(yè)鏈和新能源領(lǐng)域公司提供一站式的檢測分析解決方案。

季豐電子通過國家級專精特新“小巨人”、國家高新技術(shù)企業(yè)、上海市“科技小巨人”、上海市企業(yè)技術(shù)中心、研發(fā)機構(gòu)、公共服務平臺等企業(yè)資質(zhì)認定，通過了ISO9001、 ISO/IEC17025、CMA、CNAS、IATF16949、ISO/IEC27001、ISO14001、ISO45001、ANSI/ESD S20.20等認證。公司員工超1000人，總部位于上海，在浙江、北京、深圳、成都等地設有子公司。