为什么越先进的制程漏电越严重？

本文介绍了越先进的制程漏电越严重的原因。

"先进制程"的本质就是把晶体管做得越来越小。缩小的时候，晶体管的各个尺寸都在变：

沟道长度变短（源极到漏极的距离缩短）；

栅氧化层变薄（栅极和沟道之间的绝缘层变薄）；

工作电压降低（为了省功耗、防击穿）；

阈值电压降低（跟着工作电压降）；

掺杂浓度提高；

晶体管数量暴增（同样面积塞更多）；

问题就在于——上面这几个变化，每一个都会从不同角度加剧漏电。

原因一：栅氧化层变薄 → 量子隧穿漏电暴增

制程越先进，栅氧越薄——先进节点薄到只有几个原子层、约 1 纳米。

薄到一定程度，量子隧穿发生了：

按经典物理，绝缘层就是绝缘的，电子过不去；

但当绝缘层薄到几个原子层（纳米级）时，量子力学的隧穿效应（Quantum Tunneling）就变得显著——电子有一定概率直接"穿透"这层极薄的绝缘层；

绝缘层越薄，隧穿概率越大，栅极漏电流呈指数级上升；

结果：栅极的电流"隧穿"漏进沟道，形成栅极漏电流。

原因二：阈值电压降低 → 亚阈值漏电暴增

微缩为了降低功耗，要降低工作电压；

工作电压降低了，晶体管的阈值电压（Vth，让晶体管开启所需的栅极电压）也必须跟着降低——否则工作电压不足以打开晶体管、或者开关速度太慢；

所以制程越先进、工作电压越低、阈值电压也越低；

但阈值电压降低直接导致亚阈值漏电暴增：

晶体管在栅极电压低于阈值电压时应该"关断"，但实际上关断状态下仍有微小的亚阈值电流泄漏；

原因三：短沟道效应 → 栅极"管不住"沟道

晶体管靠栅极电压控制沟道的通断。在长沟道晶体管里，沟道主要由栅极控制——栅极说关就关、说开就开，控制力强。

沟道变短后，问题来了：

当沟道长度缩短到很小（源极和漏极靠得很近），源极和漏极的电场开始"侵入"沟道，和栅极争夺对沟道的控制权。栅极不再能独自、完全地控制沟道了。这一系列问题统称短沟道效应。

原因四：结漏电增加

微缩导致掺杂浓度提高、结变浅,

为了控制短沟道效应，先进制程要提高掺杂浓度、做更浅更陡的结；

高掺杂浓度下，PN 结的反向漏电流增大；

强电场下的带间隧穿（band-to-band tunneling）等机制也让结漏电和 GIDL（栅致漏极漏电）增加；

等等