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1、1,半导体器件原理,主讲人：仇志军 本部遗传楼309室 55664269 Email: 助教：王晨禹,2,第四章 小尺寸MOSFET的特性,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律,3,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1,4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）,1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,2. 漏感应势垒降低（DIBL）,3. 速度饱和效应,4. 亚阈特性退化,5. 热载流子效应,4,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT ro
2、ll-off）,1. 现象,短沟道效应,窄沟道效应,5,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应3,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,2. 原因,长沟道 MOSFET,短沟道 MOSFET,GCA：,p-Si,p-Si,6,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,2. 原因,p-Si, VT ,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),NMOS,7,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),计算 QB/
3、QB（电荷分享因子 F ）,VDS = 0,NMOS,8,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),讨论 QB/QB（电荷分享因子 F ）,dmax/xj 较小时,dmax/xj 较大时,经验参数（ 1）,1o L F VT ,2o tox VT ,3o NA dmax F VT ,4o xj VT ,9,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),讨论 QB/QB（电荷分享因子 F ）,当
4、 VDS 0 时,VDS F VT ,抑制 VT roll-off 的措施：,1o xj ,2o NA ,3o tox ,4o VBS ,5o VDS ,10,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应7,4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）,1. 现象,11,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应8,4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）,2. 原因,MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺,OED：氧化增强扩散,12,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应9,4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）,
5、3. 分析,单位：C/cm2,横向分布的特征长度,源（漏）端杂质电荷面密度,单位：C,13,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应10,4.1.4 窄沟道效应（NEW）,1. 现象,W VT ,短沟道效应,窄沟道效应,14,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应11,4.1.4 窄沟道效应（NEW）,2. 边缘耗尽效应, 圆弧：,一般地，引入经验参数 GW,15,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应12,4.1.4 窄沟道效应（NEW）,3. 三种氧化物隔离结构的 NWE,Raised field-oxide isolation： W VT ,LOCOS： W VT ,ST
6、I： W VT 反窄沟道效应（inverse NWE）,16,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应13,4.1.4 窄沟道效应（NEW）,4. 杂质横向扩散的影响,杂质浓度边缘高，中间低 边缘不易开启 随着 W VT 窄沟道效应,17,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14,4.1.5 漏感应势垒降低,1. 现象,L 很小时， VDS VT ,DIBL 因子,18,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15,4.1.5 漏感应势垒降低,2. 原因,(1) 电荷分享,VDS F VT ,19,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应16,4.1.5 漏感应势垒降低,2
7、. 原因,(2) 电势的二维分布,导带边 Ec,表面势,特征长度,VT =,VDS 很小,VDS 大,20,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应17,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,1. 现象,长沟道 MOSFET,短沟道 MOSFET,21,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,1. 现象,短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅,22,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,2. 原因,(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）,均匀掺
8、杂衬底,VT adjust implant,23,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应19,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,2. 原因,(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）,Vbi + 7 V,电子浓度分布,24,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,2. 原因,(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）,3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施,1o 选择合适的 NB ：,2o 做 anti-punchthrough imp
9、lant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）,25,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应21,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,2o PTI,x,3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施,26,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应22,4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性,3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施,3o Halo implant,Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿,27,4.1 MOSFET的短沟道
10、效应和窄沟道效应23,4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构,1. 最大漏电场 Eymax,饱和时,tox 和 xj 均以 cm 为单位,降低 Eymax 措施, tox xj , VDS VDD , 新型漏结构 Graded pn junction,2. 双扩散漏 (DDD),P 比 As 扩散系数大,28,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24,4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构,2. 双扩散漏 (DDD),双扩散漏结构 (DDD),DDD 应用范围：Lmin 1.5 m（对于 VDD = 5 V）,29,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应25,4.1.7 热载
11、流子效应抑制-新型漏结构,3. 轻掺杂漏结构 (LDD),30,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应25,4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构,3. 轻掺杂漏结构 (LDD),LDD 结构的电场分布,普通：,LDD：,LDD 应用范围：L 1.25 m,31,第四章 小尺寸MOSFET的特性,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律,32,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性1,4.2.1 载流子速度饱和效应,v 不饱和区,v 饱和区,v(Ey) =,Ey Esat,Ey Esat,33,4.2 小尺寸
12、MOSFET的直流特性2,4.2.1 载流子速度饱和效应,长沟道、短沟道直流特性对比,长沟道,短沟道,线性区,IDS 饱和条件,饱和区,34,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性3,4.2.1 载流子速度饱和效应,短沟道 MOSFET 饱和区特性,计算沟道中 P 点（速度达到 vsat ，电场达到 Esat ）的电流,区 I：,区 II：,=,35,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4,4.2.1 载流子速度饱和效应,短沟道 MOSFET 的直流特性,线性区,饱和区,饱和条件：,当 Esat L (VGS VT) 时，, VGS VT, 与 L 无关（gm 与 L 无关）,36,4.2 小尺
13、寸MOSFET的直流特性5,4.2.1 载流子速度饱和效应,速度饱和效应对短沟道 MOSFET 的输出特性的影响,长沟道 速度未饱和,短沟道 速度饱和,37,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性6,4.2.1 载流子速度饱和效应,长沟道、短沟道 MOSFET 特性对比,注：Eq. 4-12,38,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性7,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,1. 突变结耗尽层近似模型,对 II 区（VSR）的 3 条假设：, 只考虑 VDS ，不考虑 VGS ；, 可动电荷 = 0；, 突变结，P点为耗尽层边界.,39,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性8,4.2.2 短沟道器
14、件沟道中的电场,1. 突变结耗尽层近似模型,突变结耗尽层近似模型,VSR 压降 = VDS VDSsat,或,I 区,Ey(y) 在 P 点不连续！,40,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性9,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,2. 恒定电场梯度模型,(1) 对假设 作修改：,拟合参数,(2) 对假设 作修改：,Esat,VSR 区中,线性增加 低估了漏端 Ey(y) ！,41,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性10,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,考虑 Eox(y) 准二维,仍假设 Ey(y) 是 y 的函数， 但不是 x 的函数.,仍考虑可动电荷,应用高斯定理,
15、对 y 求导,42,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性11,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,这里,边界条件,43,VDS,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性12,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,在漏端（y = L）, 指数上升规律,=,当 (VDS VDSsat) / l Esat 时,44,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性13,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,实际 l 需用经验公式修正,l =,tox 15 nm,tox 15 nm,45,第四章 小尺寸MOSFET的特性,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
16、4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律,46,4.3 MOSFET的按比例缩小规律1,4.3.1 按比例缩小规律概述,Moores Law Continues,Transistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor,47,4.3 MOSFET的按比例缩小规律2,4.3.1 按比例缩小规律概述,Transistor Gate Length Scaling,48,4.3 MOSFET的按比例缩小规律3,4.3.1 按比例缩小规律概述,International Technology Roadmap of Semiconductors,49,4.3 MOSFET的按比例缩小规律4,4.3.1 按比例缩小规律概述,(1) Why miniaturization?,速度 ,功耗 ,集成度 ,功能
