第8章短溝道MOSFET

1、第八章第八章 短溝道短溝道MOSFET 8.1 短溝道效應 8.2 速度飽和 8.3 溝道長度調制 8.4 源漏串聯(lián)電阻 8.5 MOSFET擊穿 8.6尺寸縮小原理8.1 短溝道效應 8.1.1二維等電勢線和電荷共享模型二維等電勢線和電荷共享模型 8.1.2漏感應勢壘降低（漏感應勢壘降低（DIBL） 8.1.3二維二維Poissons方程方程 和側向電場和側向電場 8.1.4短溝閾值電壓的解析表達式短溝閾值電壓的解析表達式 短溝道效應定義 當溝道長度縮小時，MOSFET（指n MOSFET）的閾值電壓減小。 測量的n MOSFET閾值電壓與溝道長度的關系測量p MOSFET的閾值電壓與溝道長

2、度的關系模擬的等電位線-長溝MOSFET；Vd=3V 模擬的等電位線-短溝MOSFET；Vd=3V 模擬的長溝和短溝MOSFET的等電位線長溝道與短溝道長溝道與短溝道MOSFET的關鍵區(qū)別在于短溝道的關鍵區(qū)別在于短溝道MOSFET耗盡區(qū)的等電位線是二維的而長溝的則是一維的。耗盡區(qū)的等電位線是二維的而長溝的則是一維的。長溝與短溝MOSFET等電位線不同的原因 長溝MOSFET器件源、漏之間的距離較遠，源、漏耗盡層彼此分離，不影響柵下面的電場；但是，在短溝MOSFET源、漏之間的距離與耗盡層垂直方向的寬度可以相比擬，因此，對能帶的彎曲有影響，對柵下面的電場也有影響。電荷共享模型描述 長溝道時，柵下

3、面的電荷：短溝時，柵下面的電荷正比與梯形的面積： P型襯底LWQdmB2/ )(LLWQdmBoxBaSiBfbtCqNVV42oxBBfbtWLCQVV2由于梯形下面的面積較小，因此，它的閾值電壓也相應的減小。表面勢與側向距離的關系三種情況柵電壓相同（a）長溝MOSFET；（b）低漏電壓短溝 MOSFET；（c）高漏電壓短溝MOSFET漏感應勢壘降低的原因漏感應勢壘降低的原因 在長溝道時，表面勢只被柵電壓控制，源和漏電場僅僅影響溝道末端，而在短溝道時，源和漏的電場不僅影響溝道末端，也影響溝道的中間。它使源和漏之間的勢壘降低，電流增加，即閾值電壓下降。漏電壓愈大，閾值電壓下降愈大。由于溝道很窄

4、，使漏結電場與源結相耦合，當VDS高到一定程度時，漏的結電場就會影響源PN結勢壘，使之降低。是器件二維效應與強電場結合的產(chǎn)物VDS增加會使源漏勢壘下降溝道長度縮短會使源漏勢壘下降結果：Vt下降（因為源漏勢壘下降了，就可用較低較低柵壓使器件開啟）源漏穿通：發(fā)射電流加大并以擴散形式到達源端，不受柵壓控制DIBL對亞閾特性的影響對亞閾特性的影響 VDS增加Vt減少使亞閾特性向左偏移，從而使相應的Ioff （ VGS =0時的IDS ）增加；當VDS大到一定程度后，微小器件的亞閾特性增加，即使在關態(tài)器件仍具有相當大的Ioff ；如果此時Ioff已接近或超過定義的開啟電壓，則器件穿通。長溝和短溝器件在低

5、和高漏電壓時的亞閾特性DIBL對器件性能的不利影響對器件性能的不利影響 影響器件的成品率 使器件的亞閾區(qū)性能退化 深亞微米器件的設計中要避免或抑制DIBL效應 可以通過解二維泊松方程加以分析 器件模擬程序二維二維Poissons方程方程 在短溝MOSFET中，側向電場扮演著重要的角色，可以通過求解二維Poissons方程得到： （3.63） 在耗盡區(qū)，可以忽略可動電荷，對于nMOSFET只有離化的受主電荷上式變?yōu)椋?（3.64）垂直方向的電場 ： 可以分成兩部分，一部分受柵壓 控制；另一部分受源、漏電壓 控制 。 Siiiyx2222SiaSiyxqNyExExEix/aqNxExSi/yEy

6、Si/側向電場與側向距離的模擬結果-長溝和短溝器件在長溝器件中，側向電場可以忽略，耗盡層電荷主要受柵電壓控制，短溝器件中，側向電場則很大 側向電場與側向距離的模擬結果-低和高漏電壓隨著側向電場的的加強，源-漏控制耗盡層的電荷密度增加，同時柵控制耗盡層的電荷密度降低。并且略微小于離化的電荷濃度，。 柵控制電荷密度與垂直距離的關系 當源漏電壓增加時，柵控制電可密度比長溝道值降低，即使耗盡層寬度略微加寬，但電荷密度的積分也下降，因此閾值電壓降低。 8.1.4短溝閾值電壓的解析表達式短溝閾值電壓的解析表達式 水平方向：溝道長度L；垂直方向：氧化層厚度tox，耗盡層寬度Wd為了消除SiSiO2界面 的不

7、連續(xù)性，用與Si同樣介電常數(shù)，3倍氧化層厚度取代SiO2介質（因為Si的介電常數(shù)是SiO2介電常數(shù)的3倍）。這樣整個長方形區(qū)可以處理為同樣介電常數(shù)，高度為：Wd+tox，當氧化層厚度與耗盡層厚度差不多薄時，近似很好。邊界條件：源端電勢：bi； 漏端電勢：bi +VDS； 中性p區(qū)電勢：0； 對于n+-p結：bi =Eg/2q+B （2.37） bi 0.80.9eVxi/短溝閾值電壓的解析表達式（續(xù)）短溝閾值電壓的解析表達式（續(xù)）閾值電壓的減小： （3.66） 如果L不是很短，體效應系數(shù)： （3.67）把（3.67）代入（3.66）式得： （3.68） 如果源、漏結深大于柵耗盡層厚度，上述近似

8、結果很好地描述閾 值電壓的降低。短溝器件最小耗盡層厚度比長溝器件大， 如果短溝效應不是太嚴重，可以用長溝器件的值。)3(2/)(24OxdmtWLdsbibidmoxteVWtVdmoxoxdmSiWtCWm31/10dmmWLdsbibiteVmV2/)() 1(8在2B閾值條件下，耗盡層厚度與均勻摻雜襯底摻雜濃度的關系 襯底反偏時的短溝道效應 襯底反偏時，（3.66）式變?yōu)椋?襯底反偏時，短溝效應加重短溝效應加重)3(2/)(24OxdmtWLdsbsbibidmoxteVVWtVbsbibiV襯底或阱摻雜濃度及溝道長度的設計原則 為了避免短溝效應太嚴重，在CMOS中，襯底或阱摻雜濃度的選

9、取原則是：最小溝道長度，Lmin，大約是Wdm的23倍。最小溝道長度大于源、漏耗盡層寬度之和。Lmin WS+WD （A6.7） （A6.8）abiSiSqNW2adsbiSiDqNVW)(28.2 速度飽和 8.2.1 速度與電場的關系 8.2.2 n=1時的解析解 8.2.3 飽和漏電壓和電流 8.2.4 速度飽和點 8.2.5 速度過沖 I-V特性曲線的實驗結果虛線：長溝L=0.95m；實線：短溝 L=0.25m原因：原因：在短溝器件中，由于速度飽和，在較低的漏電壓時，漏電流很可能達到飽和。即：在電壓達到飽和之前，速度飽和，電流飽和。mVVVtgdsat/ )(8.2.1 速度與電場的關

10、系半經(jīng)驗公式： （3.70） 電子：n=2； 空穴：n=1； n是載流子速度趨于飽和時的測量值。EC：臨界電場強度；當電場強度大于或等于臨界電場場強度時，要考慮速度飽和效應。低電場強度時 當E時， ，因此， （3.71） 有效遷移率是有效電場強度或垂直方向電場前強度的函數(shù)；飽和速度是常數(shù)與有效電場強度無關；因此，臨界電場強度是有效電場強度的函數(shù)。結論：當垂直方向的電場較大時，有效遷移率降低，但達到飽和 速度的臨界電場強度增加。相似的，空穴的臨界電場強度 比電子的要大，因為空穴的遷移率比電子的小。 nnCeffEEE/1)/ |(|1 EeffCeffsatEeffsatCE/8.2.2 n=1

11、時的解析解 （3.8） 用（3.70）式取代（3.8）式中的低場漂移速度-effdV/dy，（3.8）式變?yōu)椋?（3.72） 電流連續(xù)要求Ids為常數(shù)，并且與y無關，重新整理（3.72）式得： （3.73） )()()()()(VQdyydVWyQdyydVWyIieffieffdsdydVdydVVWQIsateffeffids/)/(1/)(0/EdydVdydVIVWQIsatdseffieffds)(8.2.2 n=1時的解析解（續(xù)）兩邊乘以dy，從y=0到y(tǒng)=L，V=0到Vds積分得： （3.74）長溝道器件： （3.10）如果沿溝道方向的平均電場Vds/L小于臨界電場強度 時，速度

12、飽和效應可以忽略；如果沿溝道方向的平均電場Vds/L與臨界電場強度接近時，速度飽和效應不能忽略，漏電流減小。 )/(1)()/(0LVdVVQLWIsatdseffVdsieffds)( )(0ydVVQLWIVdsieffdseffsatCE/8.2.2 n=1時的解析解（續(xù)）采用薄層電荷近似 （3.24）（3.75） 積分（3.74）式得： （3.76） )()(mVVVCVQtgoxi)/(1)2/()(/(2LVVmVVVLWCIsatdseffdsdstgoxeffds8.2.3 飽和漏電壓和電流由（3.76）式 解dIds/dVds=0得飽和漏電壓： （3.77）小于長溝道飽和電壓

13、( Vg-Vt)/m把（3.77）式代入（3.76）式得： （3.78）不考慮速度飽和效應時： （3.23） )/()(211/ )(2LmVVmVVVsattgefftgdsat1)/()(211)/()(21)(LmVVLmVVVVWCIsattgeffsattgefftgsatoxdsatmVVLWCItgoxeffdsat2)(2計算的飽和電流與Vg-Vt的關系曲線；實線：考慮速度飽和；虛線：沒有考慮速度飽和討論考慮速度飽和效應時的漏飽和電流沒有考慮速度飽和效應時的漏飽和電流；長溝道器件，兩種計算結果差別不是很大，當 時（3.78）式變?yōu)椋?.23）式；隨著溝道長度的縮短，兩者的差別變

14、大；當L0時，（3.78）式變?yōu)樗俣蕊柡拖拗齐娏?（3.80）注意：這時的飽和電流與溝道長度無關，只與Vg-Vt成正比，而不是與它的二次方成正比。對于很短的溝道長度，飽和電壓為： （3.81） effsattgLmVV2/)(tgsatoxdsatVVWCIefftgsatdsatmVVLV/ )(28.2.4 速度飽和點 由（3.75）式，在速度飽和時： （3.82）把（3.77）式代入（3.82）得： （3.83）由（3.78）式和（3.83）式知： 從上式可以看出：在漏端（溝道末端）電荷漂移速度為飽和速度。物理實質：漏端側向電場很大。在超出飽和速度限制的范圍，載 流子以飽和速度運動，不受

15、表面溝道的限制。)()(sattgoximVVVCLyQ1)/()(211)/()(21)()(LmVVLmVVVVCLyQsattgeffsattgefftgoxi)(LyQWIisatdsat8.2.5 速度過沖在短溝道時，即高電場強度，電勢變化很快時，漂移擴散模型不再適用。熱載流子：熱載流子：在短溝下，如果電壓未足夠降低，則橫向（溝道方向）和縱向（垂直溝道方向）的電場強度會大大增強。在強電場作用下載流子的能量就會大大提高，使其平均能量大大超過kT，等效載流子溫度將超過環(huán)境溫度，這時的載流子稱為熱載流子。 速度過沖：速度過沖：對于熱載流子，它的漂移速度大于它的飽和速度，叫速度過沖。速度過沖效應示意圖器件內電場很不均勻，高電場主要在漏結附近載流子在進入高電場區(qū)的瞬間（ tt仍然成立，速度仍可認為是定域的； t2時，采用5V電源電壓 L2時，使電源電壓降低，目前受噪聲限制，一般保持在2.5V以上，開啟電壓也相應減小 目前實際應用的CMOS尺寸縮小溝長L1 0.5 0.25 備注tox22nm12nm7nm隨溝長線性縮小VDD 5V3.3V2.5V隨溝長平方根線性縮小器件寬度不變連線電容不變延時與L1.5成正比