复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性

1/74半导体器件原理主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:[e-mail]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3/744.1MOSFET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4/744.1MOSFET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5/744.1MOSFET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MOSFETsyxxyxερφ),(),(22−=∂∂syxyyxxyxερφφ),(),(),(2222−=∂∂+∂∂GCA：0),(22∂∂yyxφp-Sip-Si0),(22=∂∂yyxφ6/744.1MOSFET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∂∂−−=∂∂φερφseffyxερ),(−≡p-SiAeffANN⇒VT↓3.电荷分享模型(Poon-Yau)oxBBFBTCQVVV++=2BSBBFBVVVV+++=22γNMOSoxBBFBTCQVVV''2++=BSBBBBFBVVQQVV+++=22'γ7/744.1MOSFET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）LLLdLdQQBBΔ−=Δ×−=1221maxmax'()[]jjxddx−−+≈2/12max2max()jxdrL−−=Δ2/12max22⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+=1212/1maxjjxdx⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−=12112/1max'jjBBxdLxQQ⎪⎭⎪⎬⎫⎪⎩⎪⎨⎧⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−⋅+++=1211222/1max'jjBSBBFBTxdLxVVVVVγVDS=0NMOS8/744.1MOSFET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'1α−≡=LdxdLxQQFjjBBmax2/1max'11211−≈⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+−==经验参数（α1）⎥⎥⎦⎤⎢⎢⎣⎡−⎟⎟⎠⎞⎜⎜⎝⎛+⋅+=−=Δ12122/1max'jjBSBTTTxdLxVVVVVγ()BSBoxoxsVVLt+=22εεαBSBVVLd+=2maxγα1oL↓F↓ΔVT↑2otox↓ΔVT↓3oNA↓dmax↑F↓ΔVT↑4oxj↑ΔVT↑9/744.1MOSFET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++=Δεα211'DSBByyLQQF+−≡=αVDS↑F↓ΔVT↑抑制VTroll-off的措施：1oxj↓2oNA↑3otox↓4oVBS↓5oVDS↓10/744.1MOSFET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11/744.1MOSFET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12/744.1MOSFET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=Δ()[]0002/02exp12)(2GLWGQdyyQWQfsLfsFS−−=⋅=∫13/744.1MOSFET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14/744.1MOSFET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,γ宽沟oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV++++=22,γ窄沟WddWdQQBWmaxmax2max221ππ=⋅=×WQBQWSiO2dmaxxzy¼圆弧：一般地，引入经验参数GWWdGQQWBWmax=15/744.1MOSFET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）16/744.1MOSFET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17/744.1MOSFET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↓DSTDSTVVVVσ−=)0()(DIBL因子18/744.1MOSFET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+−≡α()BSbiAsSVVqNy+=ε2()BSDSbiAsDVVVqNy++=ε2VDS↑F↓VT↓()()oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5.0++=Δεα19/744.1MOSFET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oxoxstdlηεεmax=ΔVT=()[]()()[]lLlLVVVDSBbi−+−+−exp22exp22VDS很小()[]()()()()lLVVVVlLVVVBbiBbiDSBbi2exp222exp23−−−+−+−VDS大20/744.1MOSFET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MOSFET21/744.1MOSFET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22/744.1MOSFET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VTadjustimplant23/744.1MOSFET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24/744.1MOSFET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）25/744.1MOSFET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26/744.1MOSFET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27/744.1MOSFET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ctox↑xj↑dVDS↓VDD↓e新型漏结构⎯⎯Gradedpnjunction2.双扩散漏(DDD)P比As扩散系数大28/744.1MOSFET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~1.5μm（对于VDD=5V）29/744.1MOSFET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)30/744.1MOSFET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≤1.25μm31/74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32/744.2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+1μ2sateffsatEvμ≡Ey≥Esat33/744.2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()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=221DSDSTGSDSVVVVIβ长沟道短沟道线性区()⎥⎦⎤⎢⎣⎡−−=2''21DSDSTGSDSVVVVIβIDS饱和条件()LWCoxnμ()()LEVLWCsatDSoxeff+1μ0)(=LQn⇔TGSDSsatVVV−=satnvv=⇔()()TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV−+−='饱和区()222121DSsatTGSDSsatVVVIββ=−=()()TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI−+−=2'34/744.2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'''211DSsatDSsatTGSoxsatDSsateffDSVVVVLWCLEVIμ()')(DSsatTGSoxsatsatnDSVVVCWvWvPQI−−==区II：=≡'DSsatI⇒()()TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV−+−='()()TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI−+−=2'35/744.