互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體（CMOS）工藝中，柵氧化層厚度（t??）隨技術(shù)發(fā)展不斷縮減。在65nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)，其厚度已達(dá)到1.2nm至1.6nm。隨著尺寸縮小，柵氧化層中的電場(chǎng)隨之升高，薄氧化層的長(zhǎng)期可靠性成為深亞微米（<0.10μm）工藝中的關(guān)鍵問(wèn)題。本文將圍繞柵氧化層擊穿的成因、特征及失效模型展開(kāi)探討。

柵氧化層雖薄，卻是晶體管的“守護(hù)神”，它的可靠性直接關(guān)系到整個(gè)芯片的壽命。

N型金屬氧化物半導(dǎo)體（NMOS）晶體管是四端器件，柵極控制P型硅襯底中溝道的形成，以連接N型摻雜的源極和漏極。第四端（體端）在NMOS中通常接地，在P型金屬氧化物半導(dǎo)體（PMOS）中接VDD。柵氧化層由二氧化硅構(gòu)成，作為柵極與襯底間的絕緣體。多晶硅柵極經(jīng)重?fù)诫s成為導(dǎo)體，襯底雖也是硅，但采用生長(zhǎng)而非結(jié)晶方式形成（即多晶硅）。

柵氧化層中的缺陷通常稱為陷阱，因退化的氧化層能捕獲電荷而得名。陷阱通常呈電中性，在陽(yáng)極附近會(huì)迅速帶正電，在陰極附近則帶負(fù)電。

柵氧化層擊穿指從柵氧化層某一界面的“種子”開(kāi)始，一系列相連的鍵形成的簇到達(dá)另一界面的時(shí)刻。

擊穿始于氧化層中陷阱的形成。初期陷阱互不重疊，無(wú)法導(dǎo)電；隨著陷阱增多，它們重疊形成導(dǎo)電通路，此時(shí)發(fā)生軟擊穿（SBD）。

導(dǎo)電發(fā)生后，熱損傷會(huì)產(chǎn)生新陷阱，進(jìn)一步增加電導(dǎo)，形成“導(dǎo)電-產(chǎn)熱-更多導(dǎo)電”的循環(huán)，最終導(dǎo)致熱失控和擊穿點(diǎn)橫向擴(kuò)展。氧化層擊穿點(diǎn)中的硅熔化并釋放氧氣，形成硅絲，這種擊穿稱為硬擊穿（HBD）。從SBD到HBD，就像小火花變成了大火苗，破壞程度逐級(jí)升級(jí)。

下圖展示了通過(guò)發(fā)射顯微鏡（EMMI）觀察到的柵氧化層；亮區(qū)是光子發(fā)射集中的區(qū)域，顯示出柵氧化層擊穿的部位。

反相器擊穿后，漏極電流與柵極電流密切匹配，源極電流大幅增加。正電壓應(yīng)力下NMOS受損，負(fù)電壓應(yīng)力下PMOS受損，傳輸特性發(fā)生偏移。下圖展示了空穴在氧化物中如何產(chǎn)生陷阱的一個(gè)示例，其中空穴會(huì)在單個(gè)硅原子處引發(fā)兩次鍵斷裂

當(dāng)連接鍵角超過(guò) 150° 時(shí)，化學(xué)鍵的強(qiáng)度會(huì)大幅減弱，進(jìn)而產(chǎn)生氧空位，此時(shí)硅 - 氧 - 硅（Si - O - Si）鍵會(huì)被硅 - 硅（Si - Si）鍵取代，如下圖所示 。這種氧空位被認(rèn)為是導(dǎo)致氧化層擊穿的缺陷。氧化物內(nèi)剩余的氧 - 硅（O - Si）鍵是極性很強(qiáng)的鍵；總能量的 70% 源于離子鍵成分。此外，硅 - 硅（Si - Si）鍵是一種非常弱的鍵。因此，當(dāng)向氧化物施加電場(chǎng)時(shí)，由于 O - Si 鍵的極性，晶格會(huì)發(fā)生畸變。而且，這種畸變會(huì)引發(fā)如下圖所示的極化（P） 。這樣一來(lái)，每個(gè)二氧化硅（SiO?）分子不僅會(huì)受到外加電場(chǎng)的作用，還會(huì)受到由極化（P）產(chǎn)生的偶極場(chǎng)的影響，所以局部電場(chǎng)（Eloc）會(huì)顯著大于外加電場(chǎng)（Eox） 。

當(dāng)擊穿發(fā)生在溝道上方時(shí)，就如同電流從柵極通過(guò)擊穿路徑注入溝道，隨后流向漏極和源極。這種效應(yīng)可以用下圖右側(cè)和左側(cè)的兩個(gè)晶體管來(lái)模擬。此外，當(dāng)柵極電壓（VG）＜0 時(shí)，下圖的模型中會(huì)額外加入兩個(gè)雙極晶體管，以解釋從柵極注入的電子通過(guò)襯底擴(kuò)散并最終在源極或漏極收集的現(xiàn)象。

柵氧化層擊穿是CMOS技術(shù)中的關(guān)鍵可靠性問(wèn)題，隨氧化層變薄愈發(fā)突出。軟擊穿和硬擊穿均由陷阱形成導(dǎo)電通路導(dǎo)致，滲流模型能較好描述這一過(guò)程。陽(yáng)極空穴注入模型和熱化學(xué)模型解釋了陷阱產(chǎn)生機(jī)制，但仍存在爭(zhēng)議。