本文始于2025年5月，浅谈栅氧完整性失效机制，旨在让读者基本了解 GOI 是什么，对设计有哪些影响，以及介绍一些提高栅氧化层可靠性的方法。

---

1. 什么是 Gate Oxide Integrity？

GOI，全称：Gate Oxide Integrity ，栅氧完整性，是指在长期高电场、电压和高温下，MOS器件栅介质（SiO₂或高k材料）保持绝缘不击穿的能力。时变介质击穿，TDDB（Time Dependent Dielectric Breakdown）是主导失效模式之一，其可靠性决定了器件的寿命、稳定性和安全工作边界。

TDDB 是在电压、电结温度和氧化层厚度的共同作用下，栅氧化层电介质逐渐退化，最终导致击穿。尤其在亚微米工艺（如45nm及以下）中更为显著。

2. 栅氧化层失效机制

在长时间电应力下，电子电流通过栅氧化层时，会向介质中注入电子，在介质中电子受到电场加速并转化为热电子。这种快速移动的热电子与介质原子剧烈碰撞，撞出结合松散的价电子。这个过程产生了空穴，氧化层内的空穴通路产生了陷阱，这些陷阱积累形成微导电路径，降低局部击穿电压。一旦路径连通形成贯穿通道，击穿电流暴增，出现不可逆的击穿。

💡 简单说：GOI 的失效，本质上是载流子在高电场激励下，与氧化层微观结构发生“粒子级别”的碰撞与破坏，逐步削弱其绝缘性能，最终导致电气击穿。

3. 栅氧化层寿命预测模型

常见的模型如下：

各变量定义：

符号	含义
Tfail	器件在给定应力下的寿命时间
Vcc	栅极工作电压（V）
n	电压加速指数（通常为正数）（适用于薄氧化层）
Ea	活化能，描述温度加速效应
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）
Aox	栅氧面积（μm²）
β	Weibull 分布的形状因子（与器件失效的统计分布有关）

4. 一些实验数据分析_{^{（来自T家）}}

📌 从测试表格可以看出：在温度等其他条件不变的情况下，Vgate电压越高寿命越短；而且Vgate电压的差距非常小，但寿命会差别很大。另外从表格中可以看到pmos的栅电压更低，控制更关键。由此，合理的Vgate非常重要。

5. 提高栅氧化层可靠性的几种方法

• 限制最大工作电压：设计中会规定最大的电压，超过会影响寿命；
• 做寿命模拟：通过电压、温度和面积建模，来预估寿命；
• 使用更耐压的材料：如在 I/O 区域使用更厚的氧化层等等。
• 晶圆出厂前，采用过压应力测试（OVST），提前检测出相关问题。

💡 Tips：过压应力测试（Over Voltage Stress Test）是指在器件上施加高于其额定电压（通常是工作电压的1.2–2倍）的电压，持续一定时间，以观察是否会出现击穿、泄漏电流增大、参数漂移等失效迹象。

6. 参考

获取参考文档

关注【藍色天空】博客的公众号，并在公众号里发送对应的下载关键字【KX004】获取下载链接。