半导体物理与器件第十一章1

半导体物理与器件陈延湖MOSFET器件特性的非理想特性MOSFET的按比例缩小理论（SCALINGDOWN）MOSFET的阈值电压修正本章重点问题：第十一章金属氧化物半导体场效应晶体管：概念的深入本章主要内容：非理想效应(11.1)亚阈值电导沟道长度调制迁移率变化速度饱和弹道输运MOSFE按比例缩小理论(11.2)恒定电场按比例缩小准恒电场按比例缩小MOSFET阈值电压修正(11.3)短沟道效应窄沟道效应MOSFET的附加电学特性（11.4）击穿电压离子注入进行阈值调整11.1.1亚阈值电导亚阈值电导：当栅源电压Vgs小于或等于阈值电压Vt时，MOS漏电流ID并不为零，该电流称为亚阈值电流，对应的沟道电导称为亚阈值电导。MOS工作状态亚阈值区截止区饱和区线性区表面状态多子积累和耗尽区弱反型区强反型区强反型区(夹断部分)2fpSfpV源到栅到漏的势垒结构图c为偏置在亚阈值区，源到栅的势垒结构，该结构类似于NPN型双极晶体管的势垒分布亚阈值区漏电流ID随VGS的变化规律为指数关系NPN该指数规律可以表达为：()[exp()][1exp()]//GSDSDVVIsubkTekTe当VDS大于几个kT/e时()[exp()]/GSDVIsubkTe例题：考虑一个被偏置于亚阈值区的MOSFET，VDSKT/e，基于以上理想指数电流关系，要使漏电流变化10倍，栅电压应如何变化。栅压每改变60mV,就会引起亚阈值电流一个数量级的改变，亚阈值区具有很好的栅控效应。112122exp()/exp()/exp()/GSGSGSDGSDVVVIkTeVIkTekTe1122ln()0.0259ln(10)60DGSGSDIkTVVmVeI含有数个MOSFET的大规模集成电路中，亚阈值电流可以造成很大的功耗，因此电路设计者必须考虑亚阈值电流的影响。应保证MOSFET被偏置在远低于阈值电压的状态从而使器件处于彻底关断状态。MOS的亚阈值区增益较大，具有双极晶体管的特性，且漏电流较小，在低电压，低功耗电路中有一定应用价值。11.1.2沟道长度调制效应沟道长度调制效应：当MOSFET偏置在饱和区时，漏源电压VDS使漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，沟道被夹断，从而减少了有效沟道长度，影响到漏电流IDS的大小。LTGSDSVVsatV)()(satVVVDSDSDSDSV2)()(2TGSoxnDVVLLCWIDSVDI漏源电压VDS对漏电流ID有调制作用求L与的关系：对漏和衬底形成的NP结，其可视为单边突变结，施加的VDS可认为全部落在P衬底上，则漏源电压为VDS时，漏-衬底结的空间电荷宽度为：)(2DSBAspVVqNx当)(satVpVpDSDSxxLDSVTGSDSDSVVsatVV)(2[()]sBDSBDSaLVVVVsateN衬底掺杂浓度越低，沟道调制效应越强；DDILLLI)('沟道长度L越短,沟道长度调制效应越强此时MOSFET的饱和区漏电流可写为：沟道长度调制系数''2()(1)2nDGSTDSkWIVVVL输出电阻：''121(){()}2nDoGSTDSkWIrVVVL1oDrI例0.51.01.52.02.53.03.50.04.00.51.01.52.00.02.5VDSsige_nmos3p3_0p6..DC.IDS.i,mAsige_nmos3p3_1p2..DC.IDS.i,mADeviceI-VCurvesL=2.4umL=0.6umID11.1.3-4迁移率变化及速度饱和影响迁移率的三个主要因素：器件工作温度T由MOS栅压产生的垂直电场由MOS漏源电压产生的横向沟道电场2)(2TGSoxnDVVLCWI温度升高，反型层电子迁移率下降晶格散射*3/23/21ieBNmATTMOSFET的漏电流随温度升高而下降例0.51.01.52.02.53.03.50.04.00.51.01.52.00.02.5VDSsige_nmos3p3_1p2..DC.IDS.i,mAsige_nmos3p3_1p2_150..DC.IDS.i,mADeviceI-VCurvesT=25degreeT=-25degereeID栅压升高，迁移率下降对N沟道器件，正栅压使电子被吸引到半导体的表面，而随后又由于电子间的库伦力而被排斥，从而产生载流子的表面散射效应。随着栅压的升高，表面散射效应变强，载流子的迁移率下降。沟道横向水平电场增强，迁移率下降，超过临界场强出现速度饱和E由于强电场效应，VDS所致的水平电场E将使载流子微分迁移率下降，并最终降为0，此时载流子发生速度饱和，IDS也会提前进入饱和状态。2)(2)(TGSoxnDVVLCWsatIsatTGSOXDvVVWCsatI)()(电子的饱和速度饱和漏电流修正速度饱和导致：VDS(sat）比理想关系小ID(sat）大约是VGS的线性函数，而不是前面所述的理想平方律关系，因而ID（sat）比理想值小satTGSOXDvVVWCsatI)()(电子的饱和速度随着MOSFET沟道长度的缩小，沟道长度L与载流子的散射间的平均自由距离相比拟，此时载流子的一部分可以不经散射而到达源漏极，这种运动称为弹道输运弹道输运：载流子以比平均漂移速度或饱和速度更快的速度输运弹道输运发生于亚微米器件（L1um)，随着MOSFET技术发展，弹道输运会变得更加重要非理想效应MOSFET按比例缩小理论阈值电压修正。。MOSFET的按比例缩小（scalingdown）理论：22)(2)(2)(TGSoxoxnTGSoxnDVVLtWVVLCWsatI由氧化层厚度按一定比例同时减小L，tox和W，可保持Ids不变，但器件占用面积WL减小，电路集成度提高。缩小MOSFET尺寸是集成电路工艺发展的总趋势。MOSFET按比例缩小的三种方案：恒定电场按比例缩小恒定电压按比例缩小准恒定电场按比例缩小(通用按比例缩小理论）恒定电场按比例缩小：指器件尺寸和电源电压等比例地缩小，而电场（水平和垂直）保持不变。从而确保器件的可靠性若VdsVdsmax=VDD不变的情况下，减小L将导致击穿电压降低恒定电场按比例缩小方案：'2()/sodbiDdaxVkVkxeNkoxox',','kttkWWkLLkNNkVVADDDD/'A'xdxd‘1k耗尽层厚度变化：工作电流的变化：DTGoxosnDkIVkVkLktkWI2'')(阈值电压的变化：'2/(2)2/asofpTHfpFBTHOXeNkVVkVCk功耗的变化：PkkIkVIVPDDDD2'''恒定电场按比例缩小方案优点：电路密度增加(1/k2)倍功耗降低(k2)器件时延降低(k)倍器件fT提高(k2)倍电场恒定，器件可靠性好恒定电场按比例缩小方案缺点：电源电压下降，导致电路动态范围及噪声容限减小阈值电压减小，导致较大的亚阈值电流按恒定电压按比例缩小方案的优点：电路密度增加(1/k2)倍器件速度1/k2倍提高系统的电源电压不用改变缺点：电路功耗1/k倍增大器件内部电场增强准恒电场按比例缩小方案在MOSIC发展中实际上采用的是不完全等比例的缩小规则，或叫作优化的按比例缩小规则。当特征尺寸缩小到深亚微米，采用的是准恒定电场的不等比例缩小规则。参数缩小的比例系数器件尺寸k电压εk掺杂浓度ε/k1ε1/kk1耗尽层宽度变化?电场强度变化?工作电流变化?功耗变化?准恒电场按比例缩小方案：器件特性的变化举例：'2()/sodbiDdaxVkVkxeNkEkLkVED'耗尽层宽度电场强度工作电流DTGoxosnDIkVVkkLktkWI22'')(PkIkkVIVPDDDD232'''功耗数据来源：THEINTERNATIONALTECHNOLOGYROADMAPFORSEMICONDUCTORS（ITRS)间距Scaling-downisnotforeverBut“forever”canbedelayed非理想效应MOSFET按比例缩小理论阈值电压修正短沟道效应窄沟道效应。。短沟道效应短沟道效应：在增强型短沟道器件中，源端和漏端PN结的空间电荷区会进入有效沟道区，即栅下耗尽区电荷很大一部分被源漏PN结所提供，因此只需要较少的栅电荷就可以达到反型，从而使Vth降低，且随沟道长度L的减小，Vth下降的越多。sGDSQQQ2sTHfpOxQVCGQVth降低GQDSQDSQXdXsMOS:MOSFET:2sTHfpoxQVC'2GTHfpoxQVCTHTHTHVVV'1()THGsoxVQQC？GQDSQDSQXdXsMOS:MOS:令：栅下空间电荷区厚度为XdT漏源空间电荷区厚度Xs，Xd。源漏扩散结深为rj假设：dsdTxxx则总反型空间电荷面密度：()adTSadTeNWLxQeNxWLXdTXsXd'1[()]'22adTGadTeNLLWxLLQeNxWLL由栅压控制的反型电荷为图中梯形区域：则：1()'(1)2THGSoxAdTOVQQCeNxLLCL由几何推导可得：GQDSQDSQXdXs222)2'()(dTjdTjxLLrxr所以：]121[2'jdTjrxrLL分析则：2(11)jadTdTTHoxjreNxxVCLr随着沟道长度的减小，阈值电压负向移动量增加，短沟道效应明显。随着衬底掺杂浓度的增加，发生短沟道效应时，其阈值移动量也将变大。随着扩散结深rj的变小，阈值移动量将减小，浅结可以减小短沟道效应。薄栅氧化层可以增大Co，阈值偏移量也将减小，从而减小短沟道效应。例11.3计算由短沟道效应引起的阈值电压的变化考虑一个n沟道MOSFET，参数如下：Na=3x1016cm-3，tox=200Å，设L=1um，rj=0.3um。求THVXdTXsXdtox求氧化层电容：147283.98.85101.72610/20010OXoxCFcmt1610310ln()0.0259ln0.3761.510afpTiNVn14191644(11.7)(8.8510)(0.376)0.18(1.610)(310)fpdTaxmeN计算反型电势VB:计算表面空间电荷区（耗尽区）厚度:代入以下公式求1916472(11)(1.610)(310)(0.1810)0.32(0.18){[11]}1.726101.00.50.0726jadTdTTHoxjreNxxVCLrVTHV可见阈值电压偏移为-0.0726V,是比较大的，需要在器件建模及设计中加以考虑。若采用薄栅氧化层，低衬底掺杂，浅源漏结工艺参数重新计算Na=3x1016cm-3，tox=200Å，设L=1.0um，rj=0.3umNa=1016cm-3，tox=120Å，设L=0.75um，rj=0.25um则：0.0726THVV0.0469THVV当沟道长度小于2um时，短沟道效应变的明显窄沟道效应窄沟道效应：当MOSFET的横向宽度W与沟道耗尽区宽度xdT可比拟时，在沟道宽度的两侧存在一个附加的耗尽空间电荷区，导致器件的VTH升高，且宽度W越小，VTH增加的越多。AQAQAAAQQQ'2ATHfpOQVC''2ATHfpOQVCTHTHVV''AAQQAQAQ)/()2(2WLLxqNQdTAAdTAdTAAxqNWLWLxqNQWxCxqNVV