复旦-半导体器件-仇志军第四章小尺寸MOSFET的特性

1/75半导体器件原理主讲人：仇志军本部遗传楼309室55664269Email:[e-mail]助教：王晨禹[e-mail]2/75第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律3/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14.1.1MOSFET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4/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）1.现象短沟道效应窄沟道效应5/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因长沟道MOSFET短沟道MOSFETsyxxyx),(),(22syxyyxxyx),(),(),(2222GCA：0),(22yyxp-Sip-Si0),(22yyx6/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因2222),(),(),(yyxyxxyxsseffyx),(p-SiAeffANNVT3.电荷分享模型(Poon-Yau)oxBBFBTCQVVV2BSBBFBVVVV22NMOSoxBBFBTCQVVV''2BSBBBBFBVVQQVV22'7/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)计算QB’/QB（电荷分享因子F）LLLdLdQQBB1221maxmax'jjxddx2/12max2maxjxdrL2/12max221212/1maxjjxdx12112/1max'jjBBxdLxQQ1211222/1max'jjBSBBFBTxdLxVVVVVVDS=0NMOS8/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应54.1.2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）dmax/xj较小时dmax/xj较大时LdQQFBBmax'1LdxdLxQQFjjBBmax2/1max'11211经验参数（1）12122/1max'jjBSBTTTxdLxVVVVVBSBoxoxsVVLt22BSBVVLd2max1oLFVT2otoxVT3oNAdmaxFVT4oxjVT9/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2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VDS0时oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5.0211'DSBByyLQQFVDSFVT抑制VTroll-off的措施：1oxj2oNA3otox4oVBS5oVDS10/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）1.现象11/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应84.1.3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12/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）3.分析00exp)(GyQyQfsfs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]0002exp12GLLCGQoxfsLWCQVoxFST0002/02exp12)(2GLWGQdyyQWQfsLfsFS13/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应104.1.4窄沟道效应（NEW）1.现象WVT短沟道效应窄沟道效应14/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应114.1.4窄沟道效应（NEW）2.边缘耗尽效应BSBBFBTVVVVV22,宽沟oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV22,窄沟WddWdQQBWmaxmax2max221WQBQWSiO2dmaxxzy¼圆弧：一般地，引入经验参数GWWdGQQWBWmax15/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应124.1.4窄沟道效应（NEW）3.三种氧化物隔离结构的NWERaisedfield-oxideisolation：WVTLOCOS：WVTSTI：WVT反窄沟道效应（inverseNWE）16/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应134.1.4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17/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应144.1.5漏感应势垒降低1.现象L很小时，VDSVTDSTDSTVVVV)0()(DIBL因子18/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应154.1.5漏感应势垒降低2.原因(1)电荷分享12122/1jDjxyLx121212/1'jSjBBxyLxQQF211DSyyLBSbiAsSVVqNy2BSDSbiAsDVVVqNy2VDSFVToxBSBAsDSTLCVVNqyyV5.019/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应164.1.5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lLlyLVVlLlyVVVVyVsLbisLDSbisLssinhsinhsinhsinh)(特征长度oxoxstdlmaxVT=lLlLVVVDSBbiexp22exp22VDS很小lLVVVVlLVVVBbiBbiDSBbi2exp222exp23VDS大TGSsLVVV20/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应174.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象长沟道短沟道IDSst1/LIDSst1/LIDSst与VDS无关VDSIDSstS与L无关LS长沟道MOSFET短沟道MOSFET21/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象短沟道MOSFET的亚阈摆幅22/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因PTDSstDSstIII)(,扩散短沟(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）均匀掺杂衬底VTadjustimplant23/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应194.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）Vbi+7V电子浓度分布24/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应204.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施1o选择合适的NB：10chBNN2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）25/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应214.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2oPTI10lnqkTnSx3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施26/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应224.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施3oHaloimplantHaloimplant剂量上限漏结雪崩击穿27/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应234.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构1.最大漏电场Eymax饱和时3/13/1max22.0joxDSsatDSyxtVVEtox和xj均以cm为单位降低Eymax措施toxxjVDSVDD新型漏结构Gradedpnjunction2.双扩散漏(DDD)P比As扩散系数大28/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应244.1.7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=5V）29/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)30/754.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7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：3/13/1max22.0joxDSsatDSyxtVVELDD：3/13/1maxmax22.0joxnyDSsatDSyxtLEVVEnjoxDSsatDSyLxtVVE3/13/1max22.0LDD应用范围：L1.25m31/75第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律32/754.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1载流子速度饱和效应v不饱和区v饱和区v(Ey)=EyEsatsatyyeffEEE12sateffsatEvEyEsat33/754.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1载流子速度饱和效应长沟道、短沟道直流特性对比221DSDSTGSDSVVVVI长沟道短沟道线性区2''21DSDSTGSDSVVVVIIDS饱和条件LWCoxnLEVLWCsatDSoxeff10)(LQnTGSDSsatVVVsatnvvTGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV'饱和区222121DSsatTGSDSsatVVVITGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI2'34/754.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1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：2'''211DSsatDSsatTGSoxsatDSsateffDSVVVVLWCLEVI')(DSsatTGSoxsatsatnDSVVVCWvWvPQI区II：='DSsatITGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV'TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVV