金属氧化物半导体场效应电晶体( 三 )

把金氧半场效电晶体的尺寸缩小到一微米以下对于半导体工艺而言是个挑战，不过现在的新挑战多半来自尺寸越来越小的金氧半场效电晶体组件所带来过去不曾出现的物理效应。次临限传导
由于金氧半场效电晶体栅极氧化层的厚度也不断减少，所以栅极电压的上限也随之变少，以免过大的电压造成栅极氧化层雪崩击穿（breakdown）。为了维持同样的性能，金氧半场效电晶体的临界电压也必须降低，但是这也造成了金氧半场效电晶体越来越难以完全关闭。也就是说，足以造成金氧半场效电晶体沟道区发生弱反转的栅极电压会比从前更低，于是所谓的亚阈值电流（subthreshold current）造成的问题会比过去更严重，特别是今日的积体电路晶片所含有的电晶体数量剧增，在某些超大规模积体电路的晶片，次临限传导造成的功率消耗竟然占了总功率消耗的一半以上。不过反过来说，也有些电路设计会因为金氧半场效电晶体的次临限传导得到好处，例如需要较高的转导/电流转换比（transconductance-to-current ratio）的电路里，利用次临限传导的金氧半场效电晶体来达成目的的设计也颇为常见。晶片内部连线导线的寄生电容效应
传统上，互补式金属氧化物半导体逻辑门的切换速度与其组件的栅极电容有关。但是当栅极电容随着金氧半场效电晶体尺寸变小而减少，同样大小的晶片上可容纳更多电晶体时，连线这些电晶体的金属导线间产生的寄生电容效应就开始主宰逻辑门的切换速度。如何减少这些寄生电容，成了晶片效率能否向上突破的关键之一。晶片发热量增加
当晶片上的电晶体数量大幅增加后，有一个无法避免的问题也跟着发生了，那就是晶片的发热量也大幅增加。一般的积体电路组件在高温下工作可能会导致切换速度受到影响，或是导致可靠度与寿命的问题。在一些发热量非常高的积体电路晶片如微处理器，目前需要使用外加的散热系统来缓和这个问题。在功率电晶体（Power金氧半场效电晶体）的领域里，沟道电阻常常会因为温度升高而跟着增加，这样也使得在组件中PN结（pn-junction）导致的功率损耗增加。假设外置的散热系统无法让功率电晶体的温度保持在够低的水準，很有可能让这些功率电晶体遭到热失控的命运。栅极氧化层漏电流增加
栅极氧化层随着金氧半场效电晶体尺寸变小而越来越薄，目前主流的半导体工艺中，甚至已经做出厚度仅有1.2奈米的栅极氧化层，大约等于5个原子叠在一起的厚度而已。在这种尺度下，所有的物理现象都在量子力学所规範的世界内，例如电子的穿隧效应。因为穿隧效应，有些电子有机会越过氧化层所形成的位能障壁（potential barrier）而产生漏电流，这也是今日积体电路晶片功耗的来源之一。为了解决这个问题，有一些介电係数比二氧化硅更高的物质被用在栅极氧化层中。例如铪和锆的金属氧化物（二氧化铪、二氧化锆）等高介电係数的物质均能有效降低栅极漏电流。栅极氧化层的介电係数增加后，栅极的厚度便能增加而维持一样的电容大小。而较厚的栅极氧化层又可以降低电子通过穿隧效应穿过氧化层的机率，进而降低漏电流。不过利用新材料製作的栅极氧化层也必须考虑其位能障壁的高度，因为这些新材料的传导带和价带和半导体的传导带与价带的差距比二氧化硅小（二氧化硅的传导带和硅之间的高度差约为8ev），所以仍然有可能导致栅极漏电流出现。工艺变异更难掌控
现代的半导体工艺工序複杂而繁多，任何一道工艺都有可能造成积体电路晶片上的组件产生些微变异。当金氧半场效电晶体等组件越做越小，这些变异所占的比例就可能大幅提升，进而影响电路设计者所预期的性能，这样的变异让电路设计者的工作变得更为困难。栅极材料理论上金氧半场效电晶体的栅极应该儘可能选择电性良好的导体，多晶硅在经过重掺杂之后的导电性可以用在金氧半场效电晶体的栅极上，但是并非完美的选择。目前金氧半场效电晶体使用多晶硅作为的理由如下：