本文始于2025年6/7月，浅谈热载流子效应（HCI），旨在让读者基本了解 HCI 是什么，对设计有哪些影响，以及介绍一些降低HCI效应的措施。

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1. 什么是热载流子注入效应（HCI）？

HCI，全称：Hot Carrier Injection 是指在强电场作用下，MOSFET 中的载流子（电子或空穴）获得高能量，冲破势垒注入到栅氧化层中，从而导致器件性能退化的一种现象。

它是深亚微米MOS工艺中常见的可靠性问题之一，对长期使用的数模混合电路、I/O 驱动器等尤其关键。

2. 物理机制解释

主要有以下几点：

• 载流子加速：在MOS晶体管中，当 漏极–源极电压 Vds 很高 时，沟道中载流子（NMOS 为电子，PMOS 为空穴）会在靠近漏极区域遇到非常强的电场。

• 能量积累与碰撞：这些载流子被加速，变成“热”载流子，其能量可达几 eV。它们可能撞击 Si 晶格原子，生成电子–空穴对（impact ionization），电子可能穿越氧化层隧穿至栅极或界面，而空穴则沿相反的方向运动，即朝着源区和衬底运动，到达衬底，形成背栅电流。因为空穴对比电子跨越氧-硅界面所需要的能量低，所以背栅电流比栅电流大几个数量级。由于这种背栅电流比起微弱的栅电流更容易测量，所以常用来作为热载流子注入的指标。

• 注入与陷阱形成：高能量载流子会注入到 Si/SiO₂界面 或氧化层内部，形成电荷陷阱或界面态。这些缺陷逐渐积累，导致器件电气特性退化。

📌 与PMOS的区别：PMOS 热载流子效应比 NMOS 弱，主要因为空穴质量大、迁移率低，难以加速到高速，也就不易获得足够能量穿透氧化层。

相关热载流子效应图片如下：

3. 典型失效表现

HCI 主要引起器件以下参数的退化：

影响参数	后果
阈值电压 (Vth) 漂移	使得MOS开启点变化，影响电路逻辑
迁移率下降	因界面态密度增加，电子受散射增强
饱和漏电流 (Idsat) 下降	导致驱动能力减弱
串联电阻增加	电流路径损耗加剧
亚阈值特性变差	电路噪声边界模糊，尤其影响模拟电路

📌 这些变化会造成：

• 电路速度下降；
• 延迟时间增加；
• 器件老化、寿命缩短。

4. 寿命模型（Mean Time To Failure, MTTF）

常见的寿命模型如下：

各参数解释：

符号	含义
A、B	经验拟合常数，依赖工艺和测试方式
f(L,W)	依赖于栅长 L 和宽度 W 的几何函数
Δ%	失效判据（例如：Idsat 下降10%，或 transconductance Gm 下降10%）
n	失效判据的指数
Vds	漏源极电压，高Vds加速HCI
Ea	活化能，描述温度影响
k	玻尔兹曼常数（8.617 × 10⁻⁵ eV/K）
T	绝对温度（单位为 Kelvin）（开尔文 K）

5. 一些实验数据分析^{_{（来自T家）}}

5.1 有如下相关数据

类型	电压等级	器件	W/L	温度	MTTF@Vop	Vop	Vmax
Core (STD)	1.1V	NMOS	10/0.04	125°C	0.211 年	1.21V	1.25V
Core (STD)	1.1V	PMOS	10/0.04	125°C	0.371 年	1.21V	1.28V
1.8V I/O	1.8V	NMOS	10/0.15	25°C	0.285 年	1.98V	2.00V
1.8V I/O	1.8V	PMOS	10/0.15	25°C	15.24 年	1.98V	2.251V
2.5V I/O	2.5V	NMOS	10/0.27	25°C	1.13 年	2.75V	2.90V
2.5V I/O	2.5V	PMOS	10/0.27	25°C	15.1 年	2.75V	3.3V
3.3V I/O	3.3V	NMOS	10/0.5	25°C	0.2167 年	3.63V	3.64V
3.3V I/O	3.3V	PMOS	10/0.4	25°C	0.39 年	3.63V	3.77V

5.2 数据分析

1️⃣ Core 电压（1.1V）条件下

• 在1.21V 操作电压时，NMOS 的寿命 仅 0.211 年（≈2.5 个月）；
• PMOS 的寿命 0.371 年，稍高但仍远低于设计期望（通常要求 ≥10年）；
• 对应的 最大可承受电压（Vmax）仅略高于工作电压（Vop），表明这类器件在核心电压过压条件下非常敏感；
• W/L = 10/0.04，栅长极小，加剧了热载流子效应，寿命大幅缩短。

2️⃣ 1.8V I/O

• NMOS 在 1.98V 下仅有 0.285 年寿命，而 PMOS 有 15.24 年；
• NMOS 的 Vmax 也极接近 Vop（2.0V vs. 1.98V）极易失效；
• PMOS 的裕度相对安全，Vmax 达到 2.251V。

3️⃣ 2.5V I/O

• NMOS 使用寿命提升到 1.13 年；
• PMOS 寿命依旧很好，达 15.1 年；
• 在此电压段中，NMOS 同样对电压变化极其敏感，易失效。

4️⃣ 3.3V I/O：

• NMOS 在 3.63V 电压下寿命仅 0.2167 年（约2.6个月）；
• PMOS 寿命为 0.39 年，依然非常短；
• 表明在高电压下，两种器件 均面临极大 HCI 挑战；
• Vmax 相对Vop仅高出一点点，基本无裕量。

5.3 总结

要点	建议做法
低栅长 NMOS 寿命短	增加栅长（Lg），尤其在高电压 I/O 和 core 中
温度越高寿命越短	保持在合适的工作条件喜下（如，25°C） 更可靠
高电压下 NMOS 更危险	IO 接口设计中，NMOS 尽量保守用电压
PMOS 一般更稳定	但在极端电压和高温下也会面临可靠性下降
对 Vmax 要有裕量	使用电压应保持在小于Vmax以下更安全

6. 降低HCI效应的几种措施

• 减少漏极附近衬底的掺杂浓度，适当加宽夹断区
• 减少漏区外围的掺杂浓度，使耗尽区延伸到漏区（轻掺杂漏区LDD工艺）
• 降低 Vds 使用值：保持在规定工作电压范围内，避免误用 overdrive
• 拉长栅长 L：对关键路径器件可以增加 mos 管 L 值 以降低电场强度
• 降低工作频率或 duty-cycle：减少热载流子作用时间，降低老化速率
• 仿真与布局优化：对 HCI 敏感路径进行 IR-drop、温度分布仿真，避免热点集中

7. 参考