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在討論MOS晶體管時(shí)，短溝道器件中基本上有六種漏電流成分：

? 反向偏置-pn結(jié)漏電流
? 亞閾值漏電流
? 漏極引起的勢(shì)壘降低
? V滾降
? 工作溫度的影響
? 隧道進(jìn)入和通過(guò)柵極氧化物漏電流
? 熱載流子從襯底注入柵氧化層引起的漏電流
? 由于柵極引起的漏極降低 (GIDL) 導(dǎo)致的漏電流


在繼續(xù)之前，請(qǐng)確保您熟悉 MOS 晶體管的基本概念 ，這將為您準(zhǔn)備以下信息。
 
1. 反向偏置 pn 結(jié)漏電流


MOS 晶體管中的漏極/源極和襯底結(jié)在晶體管工作期間被反向偏置。這會(huì)導(dǎo)致器件中出現(xiàn)反向偏置漏電流。該泄漏電流可能是由于反向偏置區(qū)域中少數(shù)載流子的漂移/擴(kuò)散以及由于雪崩效應(yīng)而產(chǎn)生的電子空穴對(duì)。pn 結(jié)反向偏置漏電流取決于摻雜濃度和結(jié)面積。


對(duì)于漏極/源極和襯底區(qū)域的重?fù)诫s pn 結(jié)，帶間隧穿 (BTBT) 效應(yīng)主導(dǎo)反向偏置漏電流。在帶間隧穿中，電子直接從 p 區(qū)的價(jià)帶隧穿到 n 區(qū)的導(dǎo)帶。對(duì)于大于 10 6 V/cm 的電場(chǎng)，BTBT 是可見(jiàn)的。




圖 1.  MOS 晶體管反向偏置 pn 結(jié)中的帶間隧穿。所有圖片均由 K.Roy 等人提供，“深亞微米 CMOS 電路中的泄漏電流機(jī)制和泄漏減少技術(shù)”；過(guò)程。IEEE，卷。91，第 2 期，2003 年 2 月。


請(qǐng)注意，在本文的上下文中，我們將隧道現(xiàn)象定義為即使電子能量遠(yuǎn)小于勢(shì)壘時(shí)也會(huì)發(fā)生。
 
2.亞閾值漏電流


當(dāng)柵極電壓小于閾值電壓 (V th ) 但大于零時(shí)，晶體管被稱(chēng)為偏置在亞閾值或弱反型區(qū)。在弱反轉(zhuǎn)中，少數(shù)載流子的濃度很小但不為零。在這種情況下，對(duì)于 |V DS |的典型值 > 0.1V 并且整個(gè)電壓降發(fā)生在漏極-襯底 pn 結(jié)上。
漏源之間平行于Si-SiO 2界面的電場(chǎng)分量很小。由于這個(gè)可忽略的電場(chǎng)，漂移電流可以忽略不計(jì)，亞閾值電流主要由擴(kuò)散電流組成。
 
漏極誘導(dǎo)勢(shì)壘降低 (DIBL)


亞閾值漏電流主要是由于漏極引起的勢(shì)壘降低或 DIBL。在短溝道器件中，漏極和源極的耗盡區(qū)相互作用，降低了源極的勢(shì)壘。然后源能夠?qū)㈦姾奢d流子注入溝道表面，導(dǎo)致亞閾值泄漏電流。
DIBL 在高漏極電壓和短溝道器件中很明顯。
 
V滾降


MOS 器件的閾值電壓由于溝道長(zhǎng)度的減少而降低。這種現(xiàn)象稱(chēng)為 Vth滾 降（或閾值電壓滾降）。在短溝道器件中，漏極和源極耗盡區(qū)進(jìn)一步進(jìn)入溝道長(zhǎng)度，耗盡部分溝道。


因此，需要較小的柵極電壓來(lái)反轉(zhuǎn)溝道，從而降低閾值電壓。這種現(xiàn)象對(duì)于更高的漏極電壓是明顯的。閾值電壓的降低增加了亞閾值泄漏電流，因?yàn)閬嗛撝惦娏髋c閾值電壓成反比。
 
工作溫度的影響


溫度對(duì)漏電流也有影響。閾值電壓隨溫度升高而降低。或者，換句話(huà)說(shuō)，亞閾值電流隨著溫度的升高而增加。
 
3. 隧穿柵極氧化層漏電流


在短溝道器件中，薄柵極氧化物會(huì)在 SiO 2層上產(chǎn)生高電場(chǎng)。具有高電場(chǎng)的低氧化物厚度導(dǎo)致電子從襯底隧穿到柵極以及從柵極通過(guò)柵極氧化物隧穿到襯底，從而導(dǎo)致柵極氧化物隧穿電流。


考慮如圖所示的能帶圖。




圖 2.具有(a)平帶、(b)正柵極電壓和(c)負(fù)柵極電壓的 MOS 晶體管的能帶圖


張圖，圖 2(a)，是一個(gè)平帶 MOS 晶體管，即其中不存在電荷。


當(dāng)柵極端子正偏置時(shí)，能帶圖會(huì)發(fā)生變化，如第二張圖所示，圖 2(b)。強(qiáng)烈反轉(zhuǎn)表面處的電子隧道進(jìn)入或穿過(guò) SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流。


另一方面，當(dāng)施加負(fù)柵極電壓時(shí)，來(lái)自 n+ 多晶硅柵極的電子隧道進(jìn)入或穿過(guò) SiO 2層，從而產(chǎn)生柵極電流，如圖 2(c) 所示。
 
Fowler-Nordheim 隧道和直接隧道


柵極和襯底之間主要有兩種隧道機(jī)制。他們是：


? Fowler-Nordheim 隧道效應(yīng)，其中電子隧道穿過(guò)三角形勢(shì)壘
? 直接隧道效應(yīng)，其中電子隧道穿過(guò)梯形勢(shì)壘




圖 3. 能帶圖顯示(a) Fowler-Nordheim 隧道穿過(guò)氧化物的三角形勢(shì)壘和 (b)直接隧道穿過(guò)氧化物的梯形勢(shì)壘


您可以在上面的圖 3(a) 和 3(b) 中看到兩種隧道機(jī)制的能帶圖。
 
4. 從襯底到柵極氧化物的熱載流子注入引起的漏電流


在短溝道器件中，襯底-氧化物界面附近的高電場(chǎng)激發(fā)電子或空穴，它們穿過(guò)襯底-氧化物界面進(jìn)入氧化物層。這種現(xiàn)象被稱(chēng)為熱載流子注入。




圖 4. 能帶圖描繪了電子由于高電場(chǎng)而獲得足夠能量并越過(guò)氧化物勢(shì)壘電位（熱載流子注入效應(yīng)） 


這種現(xiàn)象更可能影響電子而不是空穴。這是因?yàn)榕c空穴相比，電子具有更小的有效質(zhì)量和更小的勢(shì)壘高度。
 
5. 柵極感應(yīng)漏極降低 (GIDL) 引起的漏電流


考慮具有 p 型襯底的 NMOS 晶體管。當(dāng)柵極端子處存在負(fù)電壓時(shí)，正電荷會(huì)積聚在氧化物-襯底界面處。由于襯底上累積的空穴，表面表現(xiàn)為比襯底摻雜更重的 p 區(qū)。


這導(dǎo)致沿漏極-襯底界面的表面耗盡區(qū)較薄（與主體中耗盡區(qū)的厚度相比）。



圖5.(a) 在漏極-襯底界面沿表面形成薄耗盡區(qū)，(b)由雪崩效應(yīng)和 BTBT 產(chǎn)生的載流子引起的 GIDL 電流流動(dòng) 


由于薄的耗盡區(qū)和較高的電場(chǎng)，會(huì)發(fā)生雪崩效應(yīng)和帶間隧穿（如本文部分所述）。因此，柵極下方漏區(qū)中的少數(shù)載流子被產(chǎn)生并被負(fù)柵極電壓推入襯底。這增加了漏電流。
 
6. 穿通效應(yīng)引起的漏電流


在短溝道器件中，由于漏極端子和源極端子的接近，兩個(gè)端子的耗盡區(qū)會(huì)聚集在一起并終合并。在這種情況下，據(jù)說(shuō)發(fā)生了“擊穿”。


穿通效應(yīng)降低了來(lái)自源頭的大多數(shù)載流子的勢(shì)壘。這增加了進(jìn)入襯底的載流子的數(shù)量。這些載流子中的一些被漏極收集，其余載流子導(dǎo)致漏電流。