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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 

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MOS器件-關(guān)于柵氧化層解析-KIA MOS管


柵氧化層

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)。


MOS 柵氧化層


氧化層的缺陷

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。


泄漏電流

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。


MOS 柵氧化層


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。


影響因素

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%。


可靠性的降低

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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