半导体可靠性分析：HCI—逃逸分子的影响

### HCI的定义 HCI（Hot Carrier Injection）即热载流子注入效应，是指在高电场条件下，半导体器件中的载流子（电子或空穴）被加速至高能状态，能够克服势垒，注入到栅氧化层或其他绝缘层中的现象。这些高能载流子被称为“热载流子”。HCI效应会导致器件的电学特性变化，如阈值电压漂移、载流子迁移率下降、漏电流增加等，最终可能导致器件失效。 **HCI的形成机理** 随着科技的发展，芯片尺寸越来越小，但供电电压和工作电压的减小幅度不及尺寸缩小的幅度，导致局部电场强度增加、载流子的运动速率增加。当载流子的能量足够高的时候，就会离开硅衬底，隧穿进入栅氧化层，从而发生HCI效应。  ▲HCI形成机理示意图 HCI的形成机理主要分为以下几个过程： **高电场加速** 在MOSFET等半导体器件中，当器件工作在高电压下，特别是漏极和栅极之间存在高电场时，沟道中的载流子（电子或空穴）会被显著加速。这些载流子在高电场的作用下获得了比热平衡态下更高的动能，成为“热载流子”。 **碰撞电离** 加速的热载流子在高能状态下与晶格中的原子发生碰撞，产生更多的电子-空穴对。这些新生成的载流子同样会被加速，进一步增加系统中的热载流子数量。这种现象被称为碰撞电离（Impact Ionization）。 **载流子的注入** 、 部分热载流子能够获得足够的能量，克服Si/SiO2界面势垒，注入到栅氧化层或其他绝缘层中。具体的注入过程包括： 直接注入：热载流子直接穿透势垒进入氧化层。 二次注入：热载流子在接近栅氧化层时发生碰撞电离，产生次级电子-空穴对，这些次级载流子也可能注入到氧化层中。 **形成陷阱态和界面态** 热载流子注入到栅氧化层后，会在氧化层中形成陷阱态，这些陷阱态会捕获其他载流子，改变器件的电学特性。同时，热载流子注入还会在半导体和氧化层界面处产生界面态，这些界面态也会捕获载流子，影响器件的性能。 ### DE-G中的HCI分析界面 以1/Vd模型为例对DE-G中的HCI界面进行解读，HCI界面主要分为参数设置、结果和图表展示两个部分。 **参数设置**  ① 数据选择和设置 在此区域中，用户可将测试文件中用于分析的数据列选到对应的栏目中，如在此实例中将测试文件中的漏极电压 Vd选作为偏置电压，将Id选作为用于分析的具体退化数据等。 ② 参数输入和拟合模型 在此区域中，用户在选择具体的模型后，可以对实验参数和模型拟合参数进行设置，如在Operating Temperature (°C)和Target Temperature (°C)中可以分别设置实验时的温度以及该器件目标工作温度。此外还可以设置Degradation Criteria (%)（退化标准）、Target Failure Probability (%)（目标失效概率）、Target Voltage (Vds/V)（目标电压）等相关参数。 **结果和图表展示** 在完成上述相关参数设置后，点击界面中的”Run”，DE-G即可快速的将分析结果展示出来，以下选取分析结果页面的部分内容进行解读。  DE-G除了会提供模型中参数计算结果外，还会提供如上图所示的信息，其中： Predicted Lifetime(Year)@1.65V：在1.65V的目标工作电压下，该器件的预期寿命，单位为年。 Lifetime Spec(Year)：所设置的器件寿命标准，单位为年。 Pass/Fail：目标工作电压下的预期寿命与Lifetime Spec(Year)的大小比较，若前者大于后者，则为Pass，否则为Fail。在此实例中经过计算，1.65V的工作电压下，该器件的使用寿命为4.5680年，远远大于预期的0.2年，因此判断结果为Pass。 同时，DE-G还提供了丰富的图形分析界面，可以帮助用户加深对HCI计算过程的理解。  HCl ldsat Degradation by Time直观的体现了不同组别（电压）下的ldsat下降的情况，并且提供了每组的拟合方程。在此页面通过鼠标右键可以进行更多的设置，如选取特定的点进行拟合，给用户提供了多种且灵活的分析方法。  在目标工作电压下，基于不同的Target Failure Probability计算得到的 Lifetime数据集，此图将横纵坐标的数据直接展示在图中，可以帮助用户在较短的时间内对Lifetime有个整体的了解。 ### 功能全面与高效分析 在实际应用中，DE-G能实现一键式HCI分析，显著提升工作效率。它通过丰富图表直观展现参数计算过程，加深用户对HCI计算原理的理解。 同时，DE-G提供灵活了参数设置选项，如Fix Slope勾选，便于用户根据分析场景调整HCl ldsat Degradation by Time图中拟合线的斜率计算方法。 目前，DE-G支持的HCI模型包括1/Vd和Isub/Id，更多模型正在研发中，以强化半导体可靠性分析体系。随着HCI模块的持续完善，DE-G将更好地满足用户日益增长的严格分析需求。