1/74 半导体器件原理半导体器件原理 主讲人：蒋玉龙主讲人：蒋玉龙 本部微电子学楼312室，65643768 Email: yljiang@ http://10.14.3.121 2/74 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 3/74 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”（VTroll-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 4/74 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”（VTroll-off） 1. 现象 短沟道效应 窄沟道效应 5/74 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”（VTroll-off） 2. 原因 长沟道 MOSFET短沟道 MOSFET s yx x yx ε ρφ),(),( 2 2 −= ∂ ∂ s yx y yx x yx ε ρφφ),(),(),( 2 2 2 2 −= ∂ ∂ + ∂ ∂ GCA：0 ),( 2 2 ∂ ∂ y yxφ p-Sip-Si 0 ),( 2 2 = ∂ ∂ y yxφ 6/74 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”（VTroll-off） 2. 原因 2 2 2 2 ),(),(),( y yxyx x yx s ∂ ∂ −−= ∂ ∂φ ε ρφ s eff yx ε ρ),( −≡ p-Si AeffA NN1） ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +⋅+=−=Δ1 2 12 2/1 max ' j j BSBTTT x d L x VVVVVγ () BSB ox ox s VV L t +=22 ε ε α BSB VV L d +=2 max γα 1oL↓F ↓ΔVT↑2otox↓ΔVT↓ 3oNA↓dmax↑F↓ΔVT↑ 4oxj↑ΔVT↑ 9/74 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”（VTroll-off） 3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) 讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） 当 VDS 0 时 ()() ox BSBAsDS T LC VVNqyy V 5 . 0++ =Δ εα 2 1 1 ' DS B B yy LQ Q F + −≡=α VDS↑F↓ΔVT↑ 抑制 VTroll-off 的措施： 1oxj↓ 2oNA↑ 3otox↓ 4oVBS↓ 5oVDS↓ 10/74 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 / VTroll-up） 1. 现象 11/74 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 / VTroll-up） 2. 原因 MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺 OED：氧化增强扩散 12/74 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 / VTroll-up） 3. 分析 () 00 exp)(GyQyQ fsfs −= 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] ()[] 0 00 2exp1 2 GL LC GQ ox fs −−= LWC Q V ox FS T =Δ ()[] 000 2/ 0 2exp12)(2GLWGQdyyQWQ fs L fsFS −−=⋅= ∫ 13/74 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 14/74 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 BSBBFBT VVVVV+++=22 , γ 宽沟 ox B C Q ox W BSBBFBT C Q VVVVV++++=22 , γ 窄沟 W d dW d Q Q B Wmax max 2 max 2 2 1 π π = ⋅ = × W QB QW SiO2 dmax x z y ¼ 圆弧： 一般地，引入经验参数 GW W d G Q Q W B Wmax = 15/74 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↑ STI： W ↓VT↓⎯⎯ 反窄沟道效应（inverse NWE） 16/74 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 17/74 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↓ DSTDST VVVVσ−=)0()( DIBL 因子 18/74 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 ⎪ ⎭ ⎪ ⎬ ⎫ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ++1 2 1 2 2/1 j D j x y L x ⎪ ⎩ ⎪ ⎨ ⎧ ⎥ ⎥ ⎦ ⎤ ⎢ ⎢ ⎣ ⎡ − ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ +−==1 2 1 2 1 2/1 ' j S j B B x y L x Q Q F 2 1 1 DS yy L + −≡α () BSbi A s S VV qN y+= ε2 () BSDSbi A s D VVV qN y++= ε2 VDS↑F↓VT↓ ()() ox BSBAsDS T LC VVNqyy V 5 . 0++ =Δ εα 19/74 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. 原因 (2) 电势的二维分布 导带边 Ec 表面势() () () () ()[] ()lL lyL VV lL ly VVVVyV sLbisLDSbisLs sinh sinh sinh sinh )( − −+−++= 特征长度 ox oxs td l ηε ε max = ΔVT= ()[]()()[]lLlLVVV DSBbi −+−+−exp22exp22 VDS很小 ()[]()()()()lLVVVVlLVVV BbiBbiDSBbi 2exp222exp23−−−+−+− VDS大 20/74 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. 现象长沟道短沟道 IDSst∝ 1/LIDSst 1/L IDSst与 VDS无关VDS↑IDSst↑ S 与 L 无关L↓S ↑ 长沟道 MOSFET短沟道 MOSFET 21/74 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 22/74 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 PTDSstDSst III+= )(,扩散短沟 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough） 均匀掺杂衬底VTadjust implant 23/74 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 24/74 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：10 chB NN = 2o做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI） 25/74 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 2oPTI10ln q kT nS = x 3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 26/74 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 3oHalo implant Halo implant 剂量上限 ⎯⎯ 漏结雪崩击穿 27/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应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() 3/13/1 max 22 . 0 joxDSsatDSy xtVVE−=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 28/74 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 μm（对于 VDD= 5 V） 29/74 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) 30/74 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： () 3/13/1 max 22 . 0 joxDSsatDSy xtVVE−= LDD： () 3/13/1 maxmax 22 . 0 jox n yDSsatDSy xtLEVVE − −−≈ ⇓ ()() − +−≈ n joxDSsatDSy LxtVVE 3/13/1 max 22. 0 LDD 应用范围：L ≤ 1.25 μm 31/74 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 32/74 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时()lVVE DSsatDSy ' max −≈ 44/74 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 = 3/13/1 22 . 0 jox xt 3/18/12 107 . 1 jox xt − × tox≥ 15 nm tox 10%：短沟道 经验公式： ()[] 3/1 2 minDSoxj WWtxAL+= [μm] [Å] [μm] 0.4 Å−1/3 [μm] 长沟道 短沟道 63/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律17 4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构） 1. xj xj↓RS, RD↑gD(线性), gm(。
