复旦-半导体器件-仇志军 第四章小尺寸MOSFET的特性
北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
复旦半导体器件仇志军小尺寸MOSFET的特性专题培训课件
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff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
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
小尺寸纳米级集成NMOS器件的可制造性设计[电路与系统专业优秀论文]
![小尺寸纳米级集成NMOS器件的可制造性设计[电路与系统专业优秀论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/9b47271653ea551810a6f524ccbff121dd36c520.png)
图１．１ｓ即ｔａ唧ｓＤｅｖｉ∞进行器件模拟的典型工具流程目前在集成电路虚拟制造技术中，比较流行的半导体器件物理特性模拟软件为ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的ｓ眈ｔａｕｍｓＤｅｖｉｃｅ软体。
它采用ＤＤ模型，同时提供了ＨＤ模型以供用户选择：并通过求解三组基本方程——泊松方程、电流连续性方程及载流子输运方程——获得器件模型的二维电势分布和载流子浓度分布，以此来预测在任何偏置条件下器件的电特性。
（１）泊松方程：半导体器件的电学特性通过求解该方程得到。
胛２矿＝１（ｐ—ｎ＋崂一Ｋ）一风（１．１）其中，Ｆ＝‘岛为介电常数，岛为真空介电常数，‘为相对介电常数；是本征费米势；Ｐ和”分别为空穴和电子浓度；Ⅳ：、．Ⅳ：分别表示电离施主和电离受主浓度；ｐ，为表面电荷密度。
（２）电子，空穴的连续性方程：描述在外加电场作用下，半导体内部载流子的扩散行为。
暑＝；寻．ｚ一以＝ｃ（％珥∞署＝吾寻．ｚ一％＝‘（％％纠＜１．２）其中，以和ｕ，分别为电子和空穴的复合率；以和．，，分别为电子和空穴的电流密度。
（３）电流密度方程：反映电子及空穴载流子浓度与准费米势间的关系。
（１３）Ｊ，＝ｑｐ。
Ｅ。
ｎ＋ｑＤ。
可，ＪＰ＝ｑ“ｐＥｐｐ—ｑＤｐ可ｐ其中，脚和脚分别为电子和空穴的迁移率；见和Ｂ为电子和空穴的扩散系数。
ｓ∞ｔａｌｌｒｌ】ｓＤ“ｉｃｅ通过求解上述３个基木方程来预言器件的行为和性能，也可当玺查耋！ｉ圭耋些篓耋袁４．３拟台后的响应表面多项式系数Ｎ０ｏｒｄｅｒｓＴｙｐｅＣｏｅｆｆｉｃｉ∞ｔＴｌｍｌ００００Ｃｏ哪ｔ０．４４２６２３０３９０９０５３２ｌ０００ｌｉｉ摊暂Ｏ．３３５９７０５３８１０９７５６Ｘｌ３ＯｌＯ０ｌｉｎｅａｒ一０．２５１７４４８４５２２３５７７Ｘ２４０ＯｌＯｌｉｎｅａｒＯ．０２９５４４０５４７７６４２２８Ｘ３５ＯＯＯｌｌｉｎｅａｒ－０．０４５８５７８８６８９０２４３８Ｘ．６２ＯＯＯａｘｉａｌ２·Ｏ．０９６３４６２３０９９５９３７３ｘ÷７０２ＯＯａｘｉａｌ２Ｏ．０４５２７８７６９００４０６４８ｘ：８００２０“ｉａｌ２Ｏ．０２４９１５９６９００４０６５７砭９０００２ａｘ瑚２Ｏ．０７３５８９６４４００４０６４４怒１０Ｉｌ００ｉｎｔｅｒａｃｎｏｎ１．０．１５０７８２７３２１６４６３４Ｘ１．ｘ２１ｌｌＯｌＯｉｎｔｃｔ：ａｃｔｉｏｎｌ一０．０２６１９１０８２１６４６３４２ＸｌＸ３１２ＩＯＯＩｉｎ胁ｃｔｉｏｎｌＯ．０４２３２４３３０３３５３６５８Ｘ１．Ⅺ１３０ｌｌＯｉｎｔｅｍｃｔｉｏｎｌ一０．００３０８４９５７ｔ６４６３４１５Ｘ２．竭１４Ｏ１０ｌｉｎｔｅｒａ融ｉｏｎ１．００１２０２５３６９６６４６３４１Ｘ２．Ⅺ１５００Ｉｌｉｎｔｅｆａｃｔｉｏｎ１．００２９６９４２６９６６４６３４ｌ№．Ｋ在完成响应表面建模之后，得到阈值电压和抑制穿通注入、阈值调整注入之问的响应表面如图４．８所示。
L04小讲义尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5 8
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff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
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
精品
L04小尺寸MOSFET的特性
第四章 小尺寸MOSFET的特性 2
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
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1 3
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-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
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
1. 现象
W VT
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1114
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
2. 边缘,宽 V 沟 F B 2 V B 2 V B V BS
dmax SiO2
QB C ox
窄沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1417
4.1.5 漏感应势垒降低
1. 现象
L 很小时， VDS VT
V T (V D ) SV T (0 )V DS
DIBL 因子
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6 9
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
MOSFET的非理想特性以及小尺寸效应
11
2002.5
半导体器件 4.5
12
4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
公式推导�
� 输运方程�扩散电流>>漂移电流 �� JC = qDn dn dy
∫ ∫ 沟道总电流�IDsub = −W
•
� 定义� 有效阈电压 VT • 平均有效单位面积体电荷 QBM
2002.5
半导体器件 4.5
21
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
定量计算�
2002.5
假设�WC=WS=WD 几何运算�
( ) ( ) ∆L + x j 2 + WC2 = x j + WC 2
•
EL ≡ QBM QBM
=
1−
xj L
沟道长度 (µm) 10 5
1
0.25
tOX (nm)
120 50 15
<5
2002.5
半导体器件 4.5
6
4.5.1 Scaling-down
� 从 1971 年 到 2001 年�30 年来晶体管尺寸从 10
µm 减小到 0.13 µm �缩小了约 80 倍�集成度从
每个芯片 2250 个晶体管上升到 4200 万个晶体管� 增加了近 1.8 万倍。 � 但是�实际得到的 MOS 集成电路的性能都比按 比例缩小原理预示的要差。
2002.5
半导体器件 4.5
17
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
器件尺寸的减小将导致MOSFET的特性与长沟理论 分析结果的偏离
L04-小尺寸MOSFET的特性
' QB 1 yS yD F 1 QB L 2
9/74
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT 1o x j 2o N A 3o tox
VDS
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”（VT roll3. off） 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
' QB 2 d max L 2 L 1 1 QB d max L L
7/74
2 L r22 d max
6/74
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
' QB V VFB 2VB Cox ' QB VFB 2VB 2VB VBS QB ' T
1/74
半导体器件原理
主讲人：蒋玉龙
本部微电子学楼312室，65643768 Email: yljiang@ http://10.14.3.121
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
2/74
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
2 s Vbi VBS yS qN A
x 2 y 1 / 2 Q F 1 j 1 S 1 QB 2 L xj 2 y 1 / 2 xj 1 D 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2
NMCL版电力电子技术实验一之MOSFET特性及驱动电路
示波器直流输入方式，1V/div量 程，探头衰减开关位于10X处。
示波器探头衰减开关位于10X处。
1.2
NMCL-07挂件主回路单元的“1”端与MOS 管的漏极“D”端之间串入万用表（漏极 电流ID测量）。 NMCL-31单元给定G部分输出“Ug”及地 端分别与MOS管的“G”、“S”端相连 。 示波器的测量输入接至MOS管的“G”、 “S”端（栅源极电压VGS测量）。
NMCL-07
主回路
R1 L1 R2 2 VD1 S1 3 1
功率器件
吸收电路 4 6
5
V+
7 RDC 1 RDC2
功率器件 C GTR GTO A MOSFET G S E D IGBT C
NMCL-07电
B G E GTR驱动电路 +15V 9 C2 VST C1 R3 8 10 R4 12 11 13 K
NMCL-Ⅲ电力电子技术实验台
NMCL-07
主回路
R1 L1 R2 2 VD1 S1 3 1
功率器件
吸收电路 4 6
5
V+
7 RDC 1 RDC2
功率器件 C GTR GTO A MOSFET G S E D IGBT C
NMCL-07
B G E GTR驱动电路 +15V 9 C2 VST C1 R3 8 10 R4 12 11 13 K
此时设备应有正常的控制电压LED指示。
NMCL-Ⅲ电力电子技术实验台
NMCL-32电源控制屏
FUSE
U
漏电断路器
FUSE
FUSE
V W
FUSE
复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET
n
p+ 空穴 SD SD
D B G S
+
D B
符号
G
MOSFET 的阈值电压
VT VFB 2VB
其中
功函数差
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
n = 550 ~ 950 cm2/Vs p = 150 ~ 250 cm2/Vs n/p=2~4
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式： W 1 2 I DS Cox n VGS VT VDS VDS L 2 在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间。
A
0 Von
负载线
B
Voff VDD
VDS
几种 MOS 倒相器
+VDD RD +VDD
电阻负载型 MOS 倒相器
C
M2
E-E MOS 倒相器
M1
C
+VDD
+VDD
M2
E-D MOS 倒相器
C
M2
CMOS 倒相器ห้องสมุดไป่ตู้
C
M1
M1
MOS 倒相器负载线和电压传输特性
E y ( x, y ) E x ( x, y ) x y
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度 Qn Cox VGS VT
MOSFET的非理想特性以及小尺寸效应
� 栅电压的影响�垂直于Si/SiO2界面的电场Ex� � 沟道载流子抵达漏端时迁移率下降�漏端速度
饱和�y方向电场强度Ey 的影响�
2002.5
半导体器件 4.5
28
4.5.3 小尺寸效应�迁移率调制效应� 1. 考虑栅电压的影响� Ex �
2002.5
界面散射导致迁移率下降
•
VT
= VFB
+ 2ψ FB
−
QBM COX
���1+ δ
π 2
WC W
� ��
2002.5
半导体器件 4.5
26
4.5.3 小尺寸效应�窄沟道效应�
有效阈电压与沟道宽度W的关系 � 实线�理论计算值 � 点�测量值
2002.5
半导体器件 4.5
27
4.5.3 小尺寸效应�迁移率调制效应�
4.5.3.3 迁移率调制效应 � 在推导理想的I~V 特性时�假定迁移率为常数。 � 实际情况�迁移率 ≠ 常数
� 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。
� 以后还陆续提出了 CV 律和 QCV 律。恒场律应 用最为广泛
2002.5
半导体器件 4.5
3
4.5.1 Scaling-down
抑制短沟道效应的方法�
� 减小源漏结深xj � 减小栅氧化层厚度
� 降低衬底掺杂浓度
� 减小衬偏电压
2002.5
半导体器件 4.5
23
4.5.3 小尺寸效应�窄沟道效应�
MOSFET的重要特性
MOSFET的重要特性（1）为什么e-mosfet的阈值电压随着半导体衬底掺杂浓度的提高而增大？而随着温度的升高而下降？【答】e-mosfet的阈值电压就是使半导体表面产生反型层（导电沟道）所需要加的栅极电压。
对于n沟道e-mosfet，当栅电压使得p型半导体表面能带向下弯曲到表面势ψs≥2ψb时，即可认为半导体表面强反型，因为这时反型层中的少数载流子（电子）浓度就等于体内的多数载流子浓度（～掺杂浓度）；这里的ψb是半导体fermi势，即半导体禁带中央与fermi能级之差。
阈值电压vt包含有三个部分的电压（不考虑衬偏电压时）：栅氧化层上的电压降vox；半导体表面附近的电压降2ψb：抵消mos系统中各种电荷影响的电压降――平带电压vf。
在阈值电压的则表示式中，与参杂浓度和温度有关的因素主要就是半导体fermi势ψb。
当p型半导体衬底的参杂浓度na提升时，半导体fermi能级趋向于价带顶上变化，则半导体fermi势ψb减小，从而就使更加难以达到ψs≥2ψb的反型层产生条件，所以阈值电压减小。
当温度t升高时，半导体fermi能级将趋向于禁带中央变化，则半导体fermi势ψb 减小，从而导致更加容易达到ψs≥2ψb的反型层产生条件，所以阈值电压降低。
（2）为什么e-mosfet的源-凿电流在导线夹住之后显得更大、并且就是饱和状态的（即为与源-凿电压毫无关系）？【答】e-mosfet的沟道夹断是指栅极电压大于阈值电压、出现了沟道之后，源-漏电压使得沟道在漏极端夹断的一种状态。
实际上，沟道在一端夹断并不等于完全没有沟道。
当栅电压小于阈值电压时，则完全没有沟道，这是不导电的状态――截止状态。
而沟道的夹断区由于是耗尽区，增加的源-漏电压也主要是降落在夹断区，则夹断区中存在很强的电场，只要有载流子到达夹断区的边缘，即可被电场拉过、从漏极输出，因此夹断区不但不阻止载流子通过，而相反地却能够很好地导电，所以有沟道、并且沟道在一端夹断的状态，是一种很好的导电状态，则沟道夹断之后的输出源-漏电流最大。
MOSFET结构及其工作原理详解
MOSFET结构及其工作原理详解1.概述MOSFET的原意是：MOS（Metal Oxide Semiconductor金属氧化物半导体），FET（Field Effect Transistor场效应晶体管），即以金属层（M）的栅极隔着氧化层（O）利用电场的效应来控制半导体（S）的场效应晶体管。
功率场效应晶体管也分为结型和绝缘栅型,但通常主要指绝缘栅型中的MOS型（Metal Oxide Semiconductor FET）,简称功率MOSFET（Power MOSFET）。
结型功率场效应晶体管一般称作静电感应晶体管（Static Induction Transistor——SIT）。
其特点是用栅极电压来控制漏极电流，驱动电路简单，需要的驱动功率小，开关速度快，工作频率高，热稳定性优于GTR，但其电流容量小，耐压低，一般只适用于功率不超过10kW的电力电子装置。
2.功率MOSFET的结构和工作原理功率MOSFET的种类：按导电沟道可分为P沟道和N沟道。
按栅极电压幅值可分为；耗尽型；当栅极电压为零时漏源极之间就存在导电沟道，增强型；对于N（P）沟道器件，栅极电压大于（小于）零时才存在导电沟道，功率MOSFET主要是N沟道增强型。
2.1功率MOSFET的结构功率MOSFET的内部结构和电气符号如图1所示；其导通时只有一种极性的载流子（多子）参与导电，是单极型晶体管。
导电机理与小功率mos管相同，但结构上有较大区别，小功率MOS管是横向导电器件，功率MOSFET大都采用垂直导电结构，又称为VMOSFET （Vertical MOSFET），大大提高了MOSFET器件的耐压和耐电流能力。
按垂直导电结构的差异，又分为利用V型槽实现垂直导电的VVMOSFET和具有垂直导电双扩散MOS结构的VDMOSFET （Vertical Double-diffused MOSFET），本文主要以VDMOS器件为例进行讨论。
复旦大学半导体器件原理讲义L 小尺寸MOSFET的特性
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yS xj
⎟⎟⎠⎞1/ 2
⎤ − 1⎥
⎥⎦
+
xj 2L
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2 yD xj
⎟⎟⎠⎞1/
2
−
1⎥⎤⎪⎬⎫ ⎥⎦⎪⎭
≡ 1−α 1 yS + yD
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ VT ↓
QB
L2
ΔVT = α ( yS + yD )
qε s N (A VB + 0.5VBS )
LCox
VDS ↑ F ↓ ΔVT ↑
抑制 VT roll-off 的措施：
1o xj ↓ 2o NA ↑ 3o tox ↓
4o VBS ↓ 5o VDS ↓
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/74
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1207/74
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
长沟道
IDSst ∝ 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
短沟道 IDSst > 1/L
VDS ↑ IDSst ↑ L↓ S↑
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1218/74
3. 轻掺杂漏结构 (LDD)
LDD 结构的电场分布
普通：
( ) E y max = VDS −VDSsat 0.22to1x/ 3 x1j/ 3
L04-小尺寸MOSFET的特性
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
2. 原因
MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺
OED：氧化增强扩散
乌托先生的杂货铺
4.1
MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应192/74
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
3. 分析
横向分布的特征长度
Q fs ( y) = Q fs0 exp(− y G0 ) 单位：[C/cm2]
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
QB' = 1 − 2 × dmaxΔL 2 = 1 − ΔL
QB
d max L
L
NMOS
( ) ΔL =
r22
−
d2 max
1/2 − x j
VDS = 0
[( ) ] ≈
xj
+ dmax
2
−
d2 max
1/ 2
− xj
=
x
j
⎢⎢⎣⎡⎜⎜⎝⎛1
+
2d max xj
源（漏）端杂质电荷面密度
∫ QFS
= 2⋅W
L/2
Q
0
fs
(
y)dy
=
2Q
fs0G0W
[1 −
exp(−
L
2G0 )]
单位：[C]
ΔVT
= QFS Cox LW
=
2Q G fs0 0 Cox L
[1− exp(−
L
2G0 )]
乌托先生的杂货铺
4.1
MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1130/74
乌托先生的杂货铺
第四章 小尺寸MOSFET的特性
常用功率器件MOSFET的基础知识介绍
常用功率器件MOSFET的基础知识介绍我们都懂得如何利用来实现开关，但是，我们只能对其举行开关操作，而不能逐渐控制信号流。
此外，二极管作为开关取决于信号流的方向；我们不能对其编程以通过或屏蔽一个信号。
对于诸如“流控制”或可编程开关之类的应用，我们需要一种三端器件和双极型。
我们都听说过Bardeen & Brattain,是他们偶然之间发明白三极管，就像许多其它宏大的发觉一样。
结构上，它由两个背靠背的坚固现（这不是一笔大交易，早在Bardeen 之前，我们可能就是采纳相同的结构实现了共阴极），但是，在功能上它是彻低不同的器件，就像一个控制放射极流淌的“龙头”-操作龙头的“手”就是基极电流。
双极型三极管因此就是电流受控的器件。
场效应三极管（FET）尽管结构上不同，但是，提供相同的“龙头”功能。
差异在于：FET是受控器件；你不需要基极电流，而是要用电压实施电流控制。
双极型三极管出生于1947年，不久之后一对杰出的父子Shockley和Pearson就发明白（起码是概念）FET.为了与较早浮现的双极型“孪生兄弟”相区分，FET的三个电极分离被称为漏极、栅极和源极，对应的三极管的三个电极分离是集电极、基极和放射极。
FET 有两个主要变种，它们针对不同类型的应用做了最优化。
JFET（结型FET）被用于小信号处理，而（金属氧化物FET）主要被用于线性或应用。
他们为什么要发明功率MOSFET?当把双极型三极管根据比例提高到功率应用的时候，它显露出一些恼人的局限性。
的确，你仍然可以在洗衣机、空调机和电冰箱中找到它们的踪影，但是，对我们这些能够忍受一定程度的家用电器低效能的普通消费者来说，这些应用都是低功率应用。
在一些UPS、电机控制或焊接中仍然采纳双极型三极管，但是，它们的用途事实上被限制到小于10KHz的应用，并且在整体效率成为关键参数的技术前沿应用中，它们正加速退出。
第1页共4页。
半导体器件物理MOSFET
4.3 MOSFET 迁移率变化:速度饱和效应
VGS－VT<0：弱反型区，ID与VGS指数关系(较小)， gm与VGS指数关系 VGS－VT>0(较小)：强反型区，器件易发生夹断饱和，
ID与VGS 平方关系，中电流， gm与VGS线性关系 VGS－VT>0(很大)：器件很难发生夹断饱和，易发生速度饱和，
2019/5/26
VTN
|
Q'SD max Cox
|
VFB＋2
fp
4.3 MOSFET VT随W的变化:表面电荷
理想模型(适用宽沟道）： 受VGS控制的表面总电荷｜Q｜B eNa xdTWL 单位面积的表面电荷｜QBma｜x eNa xdT
若栅边缘处耗尽层的扩展相等，均为耗 尽层最大厚度XdT，则两侧为1/4圆
2019/5/26
4.3 MOSFET
亚阈值电流的应用
亚域区的利用： VGS比VT小，存在Idsub,，可认为器件导通 与正常导通相比，ID小，功耗小。 亚域区内栅压变， Idsub变，可实现放大 低压低功耗电路中可以使器件工作在亚阈区。
利用亚阈特性进行微弱信号放大的应用研究正得到越来 越大的重视
速度快、面积小、功耗低
2019/5/26
4.3 MOSFET
迁移率变化
沟道中的电场 由VDS形成的沿沟道方向的电场分量 由VG形成的与沟道垂直方向的电场分量 对载流子迁移率的影响，随着电场的增强，变得都不可忽略
2019/5/26
4.3 MOSFET 迁移率变化:纵向电场的影响(1)
——沟道长度调制效应
ID
1 L
漏源电流 ID '
复旦大学微电子工艺VLSI-05第五讲 光刻(下)
3
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
光刻步骤简述
4
前烘 对准及曝光
曝光后烘
坚膜
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
光刻步骤详述 硅片增粘处理 高温烘培 增粘剂处理 ：六甲基二硅胺烷 （HDMS）
5
匀胶机
涂胶：3000～6000 rpm，0.5~1 mm
n
a
H2O
R k1 NA
nH2O 1.44 NA 1.36
State of the Art: =193 nm, k1=0.3, NA=0.93 R60 nm =1.36 R40 nm
INFO130024.01
集成电路工艺原理
130024.01
18
INFO130024.01
集成电路工艺原理
第四章 光刻原理 (下)
4、光刻胶对比度改进
Resist chemistry
436,365 nm: Photo-Active-Component (PAC) 248,193 nm: Photo-Acid-Generator (PAG)
19
R k1 NA
第四章 光刻原理 (下)
电子束源： 热电子发射 场发射 光发射
小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性研究
小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性研究作者：王成刚来源：《科学导报·学术》2020年第70期【摘要】伴随着MOSFET尺寸的缩小，栅氧化层的厚度不断减小，栅极漏电流迅速增加。
高k栅介质取代传统的SiO2后可以较为有效的将栅极漏电减小，因而成为了现在研究比较热点的问题。
文章就小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性进行相关的研究和分析。
【关键词】小尺寸高k栅介质;MOS器件;栅极漏电特性前言：小尺寸介质MOS器件是一种半导体元件，其内部具有非常规整的结构，和稳定且可加工的特性，使得它在漏电流作用下泄漏时有更大泄露速率。
由于绝缘子存在于电极表层中，所以极易被氧化而老化、脱落。
文章针对小尺寸高k栅介质MOS器件栅极漏电特性进行研究，在器件物理基础上，分析了量子效应的影响，给出了具体的泊松方程边界条件，应用自洽的方法求解一维薛定谔与二维泊松方程，精确的计算出来载流子浓度分析布以及量子化能级等。
1、栅极漏电的研究意义在日常生产生活中，绝大多数的金属制品都是利用栅极泄漏来实现漏电，例如铜铝薄膜、印刷电路板等。
而随着科技水平和制造工艺要求不断提高，对材料科学研究力度加大，人们一直致力于半导体元件器件型腔介质MOS器件正负零电压测量系统研制成功并应用于生产领域中。
但在实际应用过程之中，该系统仍存在诸如精度不高、寿命短、稳定性差等问题，使之难以实现大规模批量生产，因此需要设计出MOS器件极漏电检测系统。
该装置采用了低频、宽禁带法和差分放大倍增等方法对传感器输出的信号进行有效分析，并且通过将测量值与理论值加以对比，最终得到阻性电压，从而实现零泄漏。
采用高k材料代替传统的栅介质怎样能够有效的减小栅极漏电电流以及如何提升高k栅氧化层的制备质量一减小栅极漏电流，这些都是具有很大的研究价值和意义的。
2、栅极漏电流的研究概况近年来，对于各种各样的高k栅介质材料的研究也是越来越广泛。
当前，世界有关于高k 栅介质材料的研究已经有了很多的报道。
5-6 MOSFET 的小信号参数、高频等效电路及频率特性
根据最高振荡频率 fM 的定义，可得
rds g ms r ds fT fM 4R 2Cgs 4 R gs gs
1 2
1 2
提高 fM 的主要措施是提高 fＴ，即缩短沟道长度 L，并提高 rds ，即降低有效沟道长度调制效应。
考虑到寄生参数后，Kpmax 和 fM 会比上式低一些。
非饱和区 当 VDS 很小时
gds （VGS VT VDS）
饱和区
1 g ds （VGS VT） Ron I Dsat （g ds） 0 sat VDS
Z pCOX L
以 VGS 为参变量的 gds ~ VDS 特性曲线
实际上，IDsat 随着 VDS 的增加而略微增大，使 ( gds )sat 略大
gds sat
1
，
Lds
为了反映 IDsat 随 VDS 增加而略有增大的实际情况，rds 应为 有限值。于是可得饱和区的等效电路
图中，
g ms g ms 1 j gm
g
m
1 15 n (பைடு நூலகம்GS VT ) Rgs Cgs 4 L2
（5-126）
5.6.4 沟道渡越时间
载流子从源区经沟道到达漏区所需的时间，称为沟道渡越 时间 t 。
t
L
0
dy n E y
将式（5-60）的饱和区沟道电场分布
Ey ( y)
VGS VT 2 L Ly
2 1 2
代入，得饱和区的沟道渡越时间为
4 L2 t 3 n (VGS VT )
4 、寄生参数 实际 MOSFET 中的寄生参数有源极串联电阻 RS、漏极串联
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1. 现象
4/75
窄沟道效应
短沟道效应
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”（VT roll） 2. off 原因
5/75
p-Si
p-Si
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
2 ( x, y ) 0 GCA： 2 y
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） dmax/xj 较小时
1/ 2 x j 2d max Q d 1 1 max F 1 1 QB L x L j ' B
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3o Halo implant
26/75
Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿
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
1/ 3 1/ 3 E y max VDS VDSsat 0.22tox x j tox 和 xj 均以 cm 为单位
' QB 2VB Cox
V VFB
' T
VFB
' QB 2VB 2VB VBS QB
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”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
表面势
VsL VGS VT
VT =
3Vbi 2VB VDS exp L l 2 Vbi 2VB Vbi 2VB exp L 2l
VDS 大
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
2 s Vbi VBS yS qN A
1/ 2 Q 2 yS xj 1 F 1 1 QB 2 L x j 1/ 2 x j 2 yD 1 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2 ' B
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
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 2o PTI
25/75
kT S n ln 10 q
x
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
eff ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) 2 ( x, y ) 2 2 s x s y
6/75
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
1/ 2 x j 2d max 1 1 L xj
经验参数（ >1）
3o NA dmax F VT
4o xj VT
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”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
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”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL）
3/75
3. 速度饱和效应
4. 亚阈特性退化
5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2
¼ 圆弧：
1 2 QW 2 d max d max QB W d max 2 W
一般地，引入经验参数 GW
QW d max GW QB W
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
15/75
Raised field-oxide isolation： W VT
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
24/75
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施
1o 选择合适的 NB ：
N B N ch 10
2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）
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
17/75
L 很小时， VDS
VT
VT (VDS ) VT (0) VDS
DIBL 因子
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
18/75
(1) 电荷分享
QFS 2 W
L/2
0
Q fs ( y )dy 2Q fs 0G0W 1 exp L 2G0 单位：[C]
VT
QFS Cox LW
2Q fs 0G0 1 exp L 2G0 Cox L
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）
27/75
tox
降低 Eymax 措施
xj
VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction
2. 双扩散漏 (DDD)
2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 s
2 ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 y 2 s 2 ( x, y )
y
2
0
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”（VT roll） 2. off 原因
抑制 VT roll-off 的措施：
4o VBS 5o VDS
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 / VT roll-up）
1. 现象
10/75
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 / VT roll-up）
1. 现象 长沟道 短沟道
20/75
IDSst 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
IDSst > 1/L
VDS IDSst L S
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
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
21/75
短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
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
22/75
I DSst ,短沟 I DSst ( 扩散 ) I PT
(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
均匀掺杂衬底
1. 现象 W VT
13/75
窄沟道效应 短沟道效应
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
W
14/75
VT ,宽沟 VFB 2VB 2VB VBS
dmax
SiO2
y
x
z
QB Cox QW Cox
QB QW
VT ,窄沟 VFB 2VB 2VB VBS
8/75
dmax/xj 较大时
' QB d F 1 max QB L
VT VT' VT 2VB VBS
d max s tox 2VB VBS 2 2VB VBS L ox L
1o L F VT 2o tox VT
VT adjust implant
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
23/75
电子浓度分布
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20
1/75
半导体器件原理
主讲人：仇志军
本部遗传楼309室 55664269 Email: zjqiu@ 助教：王晨禹14110720017@
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
2/75
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT
2 s Vbi VDS VBS yD qN A
VDS