MOS器件-關于柵氧化層解析-KIA MOS管

柵氧化層

為了有效地抑制短溝道效應，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。對于0.1μm尺度的CMOS器件，柵氧化層厚度需達到3nm左右。

對于超薄氧化層而言，最大的問題是會發生量子隧道穿通效應。柵氧化層的隧穿電流將隨氧化層厚度的減少量指數增長，柵偏壓1.5V時，氧化層厚度若從3.6nm降到1.5nm，柵電流密度大約會增長10個數量級。

氧化層的缺陷

氧化層主要有三個方面的問題：

(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，造成偏壓與溫度應力下的電荷不穩定性。

(2)硅與二氧化硅的熱膨脹系數不同而產生了拉伸應力使硅附近氧化層產生較多的缺陷。

(3)普遍認為在硅附近100nm厚的氧化層區是屬于缺陷較多的區，如氧化層局部生長速率不均勻引起的小斑點和氧化層針孔。

泄漏電流

柵氧化層的泄漏電流通常遠小于器件的導通態電流，對器件的正常工作不會產生致命的影響，但會對器件的靜態功耗造成不良影響。

對于下一代納米級CMOS器件，柵有源區的總面積可能會低于0.1cm2，此時如果電源電壓V∞≈1V的話，柵電流密度的最大允許值應該在1A/cm2的數量級，由下圖《柵電流密度》可知。

達到這一限制的氧化層厚度為2nm，當氧化層減薄到2nm以下，由隧穿電流引起的CMOS電路芯片的靜態功耗將達到100mW數量級，這對于實際應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材料來取代現用的二氧化硅介質。

動態隨機存儲器(DRAM)的性能對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

從傳統的角度來看，柵氧化層的減薄會導致電場強度的增加，因而使與時間相關的擊穿(TDDB)更容易發生，從而縮短器件的壽命。然而，理論和實驗研究結果都證明，對于納米級CMOS器件這個問題并不突出。

原因在于當電源電壓降低到1V左右的時候，跨越氧化層的電子的能量大幅度降低，已不足以對氧化層產生損傷，因此難以發生TDDB擊穿。至少在氧化的厚度2nm以上的CMOS器件中，TDDB擊穿不構成限制因素。

氧化層減薄引起的另一個問題是反型層電荷的減少，器件跨導會因此而下降，這是由反型層量子化效應和多晶硅姍耗盡效應引起的。

由于反型層量子化效應的存在，反型層電子密度的峰值出現在硅表面以下約1nm處，這將使等效的柵電容減小，進而使有效的反型層電荷減少。

據估算，由此將導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，多晶硅柵耗盡效應也會引起等效柵電容及反型層電荷的減小。

氧化層越薄，上述兩種效應就越顯著，對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，增強了晶體管的電流驅動能力，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，然而薄的氧化層會加重電流遂穿效應并降低氧化層可靠性。

隨著現代數字CMOS工藝中柵氧化層厚度達到了幾個分子層(幾納米)的水平，電源電壓被柵氧層的電場所限制”。

電源電壓的變化會使加在柵氧層的電壓高于標稱電壓，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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