MOSFET栅漏电流噪声模型研究

CMOS器件的等比例缩小发展趋势，导致了栅等效氧化层厚度、栅长度和栅面积都急剧减小。对于常规体MOSFET，当氧化层厚度2 nm时，大量载流子以不同机制通过栅介质形成显著的栅极漏电流。栅极漏电流不仅能产生于沟道区域，而且能在栅极与源／漏的交叠区域产生。穿越栅氧化层的电流增加了电路的泄漏电流，从而增加了电路的静态功耗，同时也影响MOS器件的导通特性，甚至导致器件特性不正常。栅漏电流增加成为器件尺寸缩减的主要限制因素之一。
栅氧化层越薄，栅漏电流越大，工艺偏差也越大。栅漏电流噪声一方面影响器件性能，另一方面可用于栅介质质量表征，因此由栅介质击穿和隧穿引起的栅电流涨落为人们广泛关注。为了更好地描述和解释栅电流涨落对MOS器件性能的影响，迫切需要建立栅漏电流噪声精确模型。MOS器件噪声的研究，始于60年代，至今已有大量研究报道文献。而栅漏电流大的MOS器件噪声特性的研究仍是现今研究中活跃的课题。尤其当MOS-FET缩减至直接隧穿尺度(3 nm)时，栅漏电流噪声模型显得尤为重要，并可为MOSFET可靠性表征和器件设计提供依据。文中基于MOSFET栅氧击穿效应和隧穿效应，总结了栅漏电流噪声特性，归纳了4种栅漏电流噪声模型，并对各种模型的特性和局限性进行了分析。

1 栅漏电流噪声模型
(1)超薄栅氧隧穿漏电流低频噪声模型。
模型基于泊松方程与薛定谔方程自洽数值求解，采用一维近似描述了器件的静态特性，模型考虑了栅材料多晶硅耗尽效应和量子力学效应。在描述超薄氧化层的栅漏时，同时考虑了势垒透射和界面反射，电子透射系数表达式为

其中，χb为势垒高度，ψ(y)为位置y处的电势，E为隧穿电子能级。
总栅隧穿电流为

其中，Ninv(ψ)为反型层电荷，C(ψ)为取决于界面反射的修正系数，fi(ψ)为频率因子。
氧化层内部的缺陷对栅漏电流涨落的贡献，已在格林表达式中考虑和体现。这种近似允许摈弃等效平带电压涨落的假设，由此得到的栅电流涨落谱密度为

其中，为与静电势ψ(y)相关的栅电流，IG的雅可比矩阵，Gψ(x，x1)为氧化层x1处的单位电荷在氧化层x处的电势ψ(x)的格林函数。