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GOI and the degradation-induced factors
器件GOI及其失效原因分析
01
MOS管结构及GOI定义
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03
GOI的评估
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05
未来的挑战
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02
GOI失效缘由
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04
GOI的应变策略
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主要内容
CONTENT
MOS器件结构及基本工作原理
≈
P
N
N
MOS
开关
栅氧化物
金属栅极
低电势
高电势
栅氧化物是MOS器件的“心脏”，它起到隔离金属栅极和电流运行沟道的作用。
栅极氧化物的隔离失效，栅极无法起到开启沟道导通的功能，MOS管失效
MOS管类似于一开关，其中的栅极电压起着开关的作用。
源
漏
01
全称Gate Oxide Integrity，即栅氧化物完整性。它主要表明栅氧化物电学上“完整”。MOS器件失效的重要原因是栅氧化物的击穿。一定程度上而言，MOS器件可靠性的同义词就是GOI。
02
为了提高器件的速度，增大器件电流，降低阈值电压，栅氧化层厚度需要不断降低。栅氧化层越薄，对其品质要求就越严格，成功的栅氧化层必须具有很低的漏电流或很高的崩溃电场。
GOI的定义
GOI失效的缘由
理想MOS结构的栅氧化物是一绝缘材料，类似于平板电容器，横跨氧化物的电场可以表示为：
E＝Vg/d
Vg为栅电压，d为平板间距离，即氧化物厚度
当栅氧化物变薄的时候，对于某一固定的工作电压（5V，），其电场强度就增加了。或者，栅氧化物中存在缺陷，局部电场变化。如此一来，电子就可以tunneling产生漏电流或导致崩溃。
栅氧化物中的电场分布
GOI失效的缘由
金属极
Si衬底
通过Fowler-Nordheim隧穿机制或热激发，电子由金属极直接进入氧化物的导带
他们在电场中得到能量，加速运动，并与氧化物晶格膨胀给出能量
损失的能量导致：
界面处Si-O键断裂，悬挂键在带隙中引入能级，可以俘获电子和空穴
引起钝化界面陷阱的H的释放；
导致界面处发生碰撞电离，产生更多的热电子和热空穴，空穴再穿越到氧化物中，发生类似于电子的行为
载流子在氧化中的穿越
GOI失效的缘由
虽然SiO2这种介电材料是绝缘体，其中一般不发生导电。然而一定条件下，该介电材料会发生击穿，导通电流。击穿类型可以分为本征击穿和非本征击穿。
1
电击穿：电子在栅氧化物中横跨电场作用下加速运动，与材料晶格碰撞。一般而言，栅氧化物的晶格有足够的能力容纳来自电子碰撞产生的能量。但是，在足够大的电场下，存在于栅氧化物中的电子可以获得较大的动能，引起晶格原子的电离，导致雪崩效应，材料中产生显著的电流。
2
本征击穿的机理有热击穿、电击穿和热电混合击穿。
3
热击穿：SiO2中有显著的电流通过时，焦耳热使材料温度升高，反过来又促使电流增大，如此循环下去，在很短时间内SiO2发生局部或全部熔化、分解或挥发而损毁。材料热导率、环境温度、散热条件和电场的持续时间都会影响热击穿电场数值。
4
栅氧化物的击穿机理
5
GOI失效的缘由
栅氧化物的击穿机理
非本征击穿：是由于SiO2中的针孔、微裂缝、纤维丝、杂质等引起的，是SiO2膜中薄弱环节处的击穿，不能反应SiO2膜本身的固有特征。
GOI失效的缘由之:
Na+
Na+
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
＋
×
×
×
×
×
×
Na+
＋
＋
＋
×
＋
＋
－
－
＋
－
SiO2
SiOx
Si
SiO2中的可动离子电荷 固定氧化物电荷
界面陷阱电荷
氧化物陷阱电荷
SiO2层外表面的正负离子
可动离子电荷:主要是Na、K、H等正离子，它们在激活后将移向Si-SiO2界面附近，并在Si表面感应出负电荷，使MOS器件的阈值电压不稳定，还会降低SiO2的介电强度，导致SiO2的过早击穿。
Al
固定氧化物电荷:来源是界面附加过剩硅离子，带正电，不受SiO2厚度、Si中掺杂程度以及界面能带弯曲和电势变化的影响。(111)>(110)>(100)。氧化温度高、氧化速率低、干氧化有利于这部分电荷的减少。
界面陷阱电荷:来源是Si和SiO2界面的不连续，导致界面处Si的悬挂键存在，它们在禁带中呈一些分离的或连续的能级或电子状态。半导体表面处的晶格缺陷、机械损伤和杂质污染都可以使界面陷阱电荷密度增加。它们会增加MOS管的阈值电压，降低表面沟道载流子迁移率和跨导，引起器件性能不稳定。该类电荷与衬底晶向有关，（111)>(110)>(100)。
氧化物陷阱电荷:来源是电离辐射、雪崩注入或其它类似过程注入到SiO2中的空穴或电子。他是MOS管负偏压不稳定的原因之一，甚至会使有效沟道长度发生变化。
外表面正负离子:来源于制造过程中的沾污，主要是影响电极引线漏电。
Si-SiO2系统中的电荷
GOI失效的缘由之： 颗粒
Vg
d
particle
硅片表面异质颗粒是栅氧化物中针孔缺陷形成的重要原因之一，因为它可以导致栅氧化物减薄，甚至穿透氧化物。
电力线在颗粒处汇集，导致此处电场显著增大，进而引发器件击穿。