北大半导体器件物理课件第四章7MOSFET击穿特性

N A：衬底浓度。Vbi：自建势。VSB：衬偏电压
此经验公式准确度很高，下图给出的实验数据和模拟
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结果都满足（1）式的关系。
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根据（1）式缩小器件尺寸的方法具有极大的灵活性，
它允许在保持 γ 一定的条件下独立调整器件的参
数，而不必将所有器件参数按同一比例因子变化， 这样对器件的制造和优化有利。
这种方法的思想是在保持器件的长沟性质的条件下努力减小器件
的尺寸。长沟器件和短沟器件的界线可用两条判据来确定：(1)长沟
器件I D电流和沟道长度LD的倒数成正比。(2)长沟器件的亚阈值电流
与漏电压VD的关系，当VD
>
3KT q
≈ 0.78V，ID和VD无关。如果器件
的特性偏离了判据，即出现了短沟效应。如下图：
CMOS结构
• CMOS是互补型 MOSFET技术的 简称
– 在逻辑电路设计 中同时使用 nMOSFET和 pMOSFET模块
– 功耗低,抗干扰能 力强
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CMOS技术
• CMOS对器件的 要求
– 阈值电压相等 – 导电因子相等 – 电源电压与阈
值电压满足
VDD = 4VT
CMOS反相器准静态传输特性
• 由于这种缩小规律以保持器件内部电场强度不 变为条件，称为恒场（CE） 律。与原尺寸的 器件相比，由于器件内部的电场保持不变，因 而不会出现迁移率降低、碰撞电离、热载流子 效应等高电场效应。
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Scaling down
• CE律缩小参量表
参量名称
缩小因子
L，W，tOX，xj 1/α
VDS
=Leabharlann xjα，N
B′
=
α
N
，
B
V G′S
=
VGS
α
，
V D′ S
=
VDS ，
α
V b′S
=
VbS ，
α
V T′
=
VT
α
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⇒ 恒定电场规律：CE规则
Co′ x
=
εs dα
= αCox
(Cox
A)′
=
αCox
(L
α
)( Z
α
)
=
Cox
α
A
I D′ sat
=
Z L
α α
(αCox
)μn
(VG
α
− VT
• Double-diffused MOSFET
• 较高的漏击穿电压 • 高压、大功率应用
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限制 MOSFET 缩小的因素
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SOI MOSFET
• 可以减低关态漏电流 • 减小寄生电容
1/α
Nsub
α
VT
1/ α
DSI
1/ α
COX
α
参量名称 CL (负载电容) td (门延迟) Pw (功耗)
Pwtd (性能优值) A (芯片面积) D (集成密度)
缩小因子 1/α 1/α 1/ α 2
1/ α 3 1/ α 2 α2
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L′
=
L，
α
Z′=
Z
α
，
d′= d ，
α
x ′j
α
)2
=
1
α
I Dsat
J D′ sat = αJ Dsat
gm
=
∂I D ∂VGS
VDS ,VBS
=
Z 2L
μnCox (VGS
− VT
)
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gm′
=
Zα 2L α
μn
(αCox
)
1
α
(VGS
− VT
)
=
gm
fT′
=
2π
g m′ (Cox
A)′
=
αfT
功耗速度积
Pd′c
=
I D′ VD′S
由(1)式可见，做小尺寸器件，Lmin ↓→ 要求浅结x j ↓ ，薄栅dox ↓ ， 低电压VSB ↓ ，VDS ↓ ，高掺杂（wS + wD）↓
限制器件缩小的因素 1. 串联电阻限制结深xj 2. 栅电流限制氧化层厚度dox 3. 阈值电压限制了掺杂浓度，从而影响耗尽层宽度 WS、WD
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• 导通状态的nMOST， SiO2层中的场强线改变 方向,与反偏漏-衬pn结 的场强线起抵消作用， 抑制了击穿,导通状态的 nMOST，VGS增大 BVDS上升
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沟道雪崩倍增击穿
• 特点：
• VGS≥VT 时,软击穿，VGS增加,击穿电压BVDS下降 • VGS<VT时，硬击穿
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发生在短沟MOSFET中 • 寄生NPN晶体管击穿的另一个特点：
– VGS增大, BVDS减小 – 原因：VGS增大导致引发倍增的初始电流IS增大
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栅源击穿
• MOSFET的栅极与衬底之间所加的电压超过一定限度 时，栅极线面的SiO2层将被击穿，这种击穿称为栅源击 穿或栅击穿
• 栅击穿是不可逆的，一旦发生栅击穿，栅极与衬底短 路，器件将永久失效。
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CMOS的闩锁效应
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现代MOFET结构
LDD（Lightly Doped Drain）器件
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轻掺杂漏区结构（LDD）
• 轻掺杂漏区结构（LDD）是为减弱热载 流子效应而提出的器件结构的改进方 案。其结构是在漏区靠近沟道一侧做一 个很短（约0.2~0.3μm）的n-区，作为 漏电场的缓冲区。
• 同时考虑沟道倍增和转角区击穿，漏极电流： ID = M*IS + MIDO
• M*—沟道倍增系数； M—转角区倍增系数
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沟道雪崩倍增击穿
• 当VGS<VT 时，MOSFET截止，IS≈0，击穿由 转角区倍增决定，即栅调制击穿
• VGS >VT 时，MOSFET导通， IS >>IDO ，决 定击穿的机构是沟道雪崩倍增 VGS增大 IS增大 BVDS下降
• 由于受到栅极的影响，击穿特性与普通的pn结的雪崩倍增击 穿有所不同
•左图：长沟nMOST截止状 态电场分布图 • 由于栅电极的作用,在漏衬冶金结与Si/SiO2界面相交 处形成了一个电场最强的区 域：转角区 •雪崩击穿首先发生在转角区
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栅调制击穿
• 截止状态的 nMOSFET，|VGS|增大 BVDS下降
• 这种结构使漏区的横向电场大大下降， 有效的抑制了热载流子效应
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轻掺杂漏区结构（LDD）
• 实线： LDD器件的杂质分 布和电场分布
• 虚线： 常规nMOSFET的杂 质分布和电场分布
• 由此可见，LDD结 构降低了最大横向电 场，对抑制热载流子 效应有明显效果
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DMOS
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SOI MOSFET中的浮体效应
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MOSFET （六）
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MOSFET击穿特性
• MOSFET的电击穿包括漏源击穿和栅源 击穿。
• 漏源击穿根据沟道长度、导电类型以及 衬底掺杂浓度的不同，可分为：
– 栅调制击穿， – 沟道雪崩倍增， – 寄生npn-BJT击穿， – 源漏穿通
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栅调制击穿
• 考虑长沟MOSFET，当漏源电压增加到反偏的漏衬结的雪崩 倍增击穿电压时，漏极电流会随电压的增加而急剧上升，器 件击穿
相应减小，则MOS管关断特性就不好了。从这个角度说器件
尺寸减小后亚阈值的长沟性质不能保持
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小结：器件尺寸按CE规则减小后，fT，t pd Pdc，IDS等特性变好了， 只有亚阈值特性和电流密度特性变坏，前者影响电路的开关，后
这影响尺寸可靠性，因大电流密度可使金属发生电迁移
（2）最小沟道长度的按比例缩小
• 因此，在设计和制造MOSFET时，应特别注意防止栅击 穿。另外，在IC设计时，可以引入栅保护电路
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等比例缩小（Scaling down）
• Scaling down 或称等比例缩小， 1974 年由 Dennard 提出。其指导思想是在MOS 器件内 部电场不变的条件下，通过缩小器件的纵向和 横向尺寸，同时按同样比例缩小电源电压，由 此可大大提高器件的性能。
• 沟道雪崩倍增击穿只出现在短沟nMOSFET 中：
– 只有短沟器件，漏源电压才能在沟道中建立较强的 横向电场，用以引发雪崩倍增
– nMOSFET：电子的电离率>> 空穴的电离率
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寄生NPN晶体管击穿
• 特点：负阻现象，类似BJT的BVCEO
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寄生NPN晶体管击穿
• 实际测量的BVDS就是寄生NPN-BJT的BVCEO • 双极晶体管要求基区很窄，所以这种击穿只
• 栅源击穿电压BVGS的大小与SiO2的厚度、质量以及 MOSFET的工作温度有关
• 由于栅氧化层具有很高的绝缘电阻，极易感应产生静电 在荷tOX栅Q=I1氧；00化而0层A栅，中氧只产化需生层要较很Q强薄I=的，6×栅一1电旦0场-栅11C上例，感如就应：会有C形O静X成=电1p荷F，，就会 6×106V/cm 的强电场，导致击穿
=
1
α2
Pdc
t′pd
≈
C′V ′ I′
=
t pd
α
Pd′ct′pd
=1
α3
Pdct pd
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亚阈值摆幅
S
=
φt
(ln 10)(1 +
CD Cox
)
Co′ x = αCox
CD′
=
(
2qε
s
N
Bα
)
1 2
Vbi −V /α
=
α
(
2qε
s
N
Bα
)
1 2
Vbi −V
= αCD
S′ = S
按比例缩小尺寸和电压后，I DS 减小了α倍，但亚阈值斜率没有
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对大量MOSFET进行了广泛的测量，得到保持长沟亚 阈特性的最小沟道长度遵从下面的经验公式：
1
1
Lmin = A1[x jdox (ws + wD )2 ]3 ≈ 0.41γ 3
x
j：源漏结深。d
：栅氧厚度
ox
ws、wD：源结和漏结耗尽区宽度
ws = q2Nε sA（Vbi + VSB），wD = q2Nε sA（Vbi + VSB + VDS）
沟道雪崩倍增击穿
• 发生电流倍增的区域：
– 在电流流动的路径上，靠近漏-衬pn结冶金结处电场最 强。当VDS增加时，首先会在这里发生碰撞电离，使沟 道电流倍增，发生击穿。引发倍增的电流是源极电流IS
– 转角区由于场强线的畸变，电场强度很大，导致雪崩 倍增。转角区引发倍增的电流是漏衬pn结的反向饱和 电流IDO