在半导体芯片的长期使用中，大家可能会发现芯片变慢了，或者开启电压变了。这很可能是热载流子注入（Hot Carrier Injection, HCI）在作怪。虽然名字里带“热”，但它在低温下反而更严重。它是现代微缩工艺（尤其是短沟道器件）中不可忽视的可靠性问题。
什么是“热载流子”？
在MOSFET的沟道中，当漏极电压（Vds）很高时，漏端附近的电场会变得极强。
电子在强电场中加速，获得了极高的动能，变成了“热电子”（Hot Electron）。
这些“热电子”能量太高，甚至能冲破势垒，撞进脆弱的栅极氧化层（Gate Oxide），造成损伤。
HCI带来的危害
一旦热电子陷在氧化层里或在界面产生缺陷，就会永久性地改变器件参数：
- 阈值电压 (Vth) 漂移： 通常Vth会升高，导致管子更难开启。
- 饱和电流 (Idsat) 下降： 沟道迁移率变差，驱动能力变弱，导致电路速度变慢。
- 跨导 (Gm) 降低： 控制能力下降。
HCI测试方法与条件
为了在短时间内模拟几年的老化，HCI测试通常采用电压加速。
- 最恶劣条件： 对于NMOS，通常发生在 $V_{gs} \approx V_{ds} / 2$ 时（此时衬底电流 Isub 最大）。
- 温度选择： HCI具有负温度系数。与一般老化不同，低温（如-40℃）下电子平均自由程更长，更容易获得高能量。因此HCI通常在常温或低温下测试。
- 判据： 当Vth漂移超过50mV，或Idsat下降超过10%，判定失效。
总结
HCI效应限制了芯片的工作电压上限。通过HCI测试，我们可以绘制出寿命-电压曲线，确定芯片的“安全工作电压区”，在性能与寿命之间找到平衡点。
上海德垲拥有先进的半导体可靠性分析系统，支持晶圆级（Wafer Level）的HCI、NBTI/PBTI等退化机理测试。我们能为先进制程及功率MOSFET提供精准的寿命预测模型，帮助设计人员优化LDD（轻掺杂漏）结构，提升抗HCI能力。
