MOS器件-關(guān)于柵氧化層解析-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2021-11-08
為了有效地抑制短溝道效應(yīng)，并保持良好的亞閾值斜率，柵氧化層厚度要和溝道長度以同樣的比例下降。對(duì)于0.1μm尺度的CMOS器件，柵氧化層厚度需達(dá)到3nm左右。
對(duì)于超薄氧化層而言，最大的問題是會(huì)發(fā)生量子隧道穿通效應(yīng)。柵氧化層的隧穿電流將隨氧化層厚度的減少量指數(shù)增長，柵偏壓1.5V時(shí)，氧化層厚度若從3.6nm降到1.5nm，柵電流密度大約會(huì)增長10個(gè)數(shù)量級(jí)。
氧化層主要有三個(gè)方面的問題：
(1)硅氧化層在靠近硅的附近有很多缺陷，如高密度的電子和空穴陷阱。這些陷阱能引入快界面態(tài)，造成偏壓與溫度應(yīng)力下的電荷不穩(wěn)定性。
(2)硅與二氧化硅的熱膨脹系數(shù)不同而產(chǎn)生了拉伸應(yīng)力使硅附近氧化層產(chǎn)生較多的缺陷。
(3)普遍認(rèn)為在硅附近100nm厚的氧化層區(qū)是屬于缺陷較多的區(qū)，如氧化層局部生長速率不均勻引起的小斑點(diǎn)和氧化層針孔。
柵氧化層的泄漏電流通常遠(yuǎn)小于器件的導(dǎo)通態(tài)電流，對(duì)器件的正常工作不會(huì)產(chǎn)生致命的影響，但會(huì)對(duì)器件的靜態(tài)功耗造成不良影響。
對(duì)于下一代納米級(jí)CMOS器件，柵有源區(qū)的總面積可能會(huì)低于0.1cm2，此時(shí)如果電源電壓V∞≈1V的話，柵電流密度的最大允許值應(yīng)該在1A/cm2的數(shù)量級(jí)，由下圖《柵電流密度》可知。
達(dá)到這一限制的氧化層厚度為2nm，當(dāng)氧化層減薄到2nm以下，由隧穿電流引起的CMOS電路芯片的靜態(tài)功耗將達(dá)到100mW數(shù)量級(jí)，這對(duì)于實(shí)際應(yīng)用而言是無法接受的。
換句話說，體硅CMOS溝道長度只能縮小到25~50nm，除非采用新的柵介質(zhì)材料來取代現(xiàn)用的二氧化硅介質(zhì)。
動(dòng)態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器(DRAM)的性能對(duì)柵氧化層漏電流更為敏感，因此要求其氧化層的極限厚度更大些。
從傳統(tǒng)的角度來看，柵氧化層的減薄會(huì)導(dǎo)致電場強(qiáng)度的增加，因而使與時(shí)間相關(guān)的擊穿(TDDB)更容易發(fā)生，從而縮短器件的壽命。然而，理論和實(shí)驗(yàn)研究結(jié)果都證明，對(duì)于納米級(jí)CMOS器件這個(gè)問題并不突出。
原因在于當(dāng)電源電壓降低到1V左右的時(shí)候，跨越氧化層的電子的能量大幅度降低，已不足以對(duì)氧化層產(chǎn)生損傷，因此難以發(fā)生TDDB擊穿。至少在氧化的厚度2nm以上的CMOS器件中，TDDB擊穿不構(gòu)成限制因素。
氧化層減薄引起的另一個(gè)問題是反型層電荷的減少，器件跨導(dǎo)會(huì)因此而下降，這是由反型層量子化效應(yīng)和多晶硅姍耗盡效應(yīng)引起的。
由于反型層量子化效應(yīng)的存在，反型層電子密度的峰值出現(xiàn)在硅表面以下約1nm處，這將使等效的柵電容減小，進(jìn)而使有效的反型層電荷減少。
據(jù)估算，由此將導(dǎo)致等效氧化層厚度比氧化層厚度的物理厚度增加0.3~0.4nm。
類似地，多晶硅柵耗盡效應(yīng)也會(huì)引起等效柵電容及反型層電荷的減小。
氧化層越薄，上述兩種效應(yīng)就越顯著，對(duì)于多晶硅摻雜濃度為1020cm-3，氧化層厚度為2nm的CMOS器件，在1.5V的柵壓下，反型層電荷的損失比例大約為20%。
MOS晶體管的性能依賴于柵氧化層的厚度。柵氧化層厚度的降低，增強(qiáng)了晶體管的電流驅(qū)動(dòng)能力，提高了速度和功率特性。
因此在工藝縮減中降低柵氧化層厚度可以有效地提高晶體管性能，然而薄的氧化層會(huì)加重電流遂穿效應(yīng)并降低氧化層可靠性。
隨著現(xiàn)代數(shù)字CMOS工藝中柵氧化層厚度達(dá)到了幾個(gè)分子層(幾納米)的水平，電源電壓被柵氧層的電場所限制”。
電源電壓的變化會(huì)使加在柵氧層的電壓高于標(biāo)稱電壓，降低器件的長期可靠性。需要限制電源和地電壓的過沖，來避免晶體管可靠性的顯著下降。
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