复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性

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 (1) 电荷分享
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2ε s (Vbi + VBS ) yS = qN A 2ε s (Vbi + VDS + VBS ) yD = qN A
⎧ x ⎡⎛ 2 y ⎞1 / 2 ⎤ Q ⎪ = 1 − ⎨ j ⎢⎜1 + S ⎟ − 1⎥ F= 2 L ⎢⎜ QB xj ⎟ ⎥ ⎪ ⎣⎝ ⎠ ⎦ ⎩ ⎡⎛ 2 y ⎞1 / 2 ⎤ ⎫ xj ⎪ + ⎢⎜1 + D ⎟ − 1⎥ ⎬ 2 L ⎢⎜ xj ⎟ ⎥⎪ ⎠ ⎣⎝ ⎦⎭ 1 yS + yD ≡ 1−α L 2
' B
ΔVT =
α ( y S + y D ) qε s N A (VB + 0.5VBS )
LCox
F↓ VT ↓
VDS ↑
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应16
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因 (2) 电势的二维分布
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导带边 Ec
特征长度
l=
ε s d max tox ηε ox
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 E y max = (VDS − VDSsat ) 0.22tox/ 3 x1j / 3 tox 和 xj 均以 cm 为单位
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tox ↑ 降低 Eymax 措施
xj ↑
VDS ↓ VDD ↓ 新型漏结构 ⎯⎯ Graded pn junction
表面势
ΔVT =
sinh ( y l ) sinh[(L − y ) l ] Vs ( y ) = VsL + (Vbi + VDS − VsL ) + (Vbi − VsL ) sinh (L l ) sinh (L l ) [2(Vbi − 2VB ) + VDS ][exp(− L 2l ) + 2 exp(− L l )] VDS 很小
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) 讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） 当 VDS > 0 时
' QB 1 yS + yD F= ≡ 1−α QB L 2
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ΔVT =
α ( y S + y D ) qε s N A (VB + 0.5VBS )
LCox
F↓ ΔVT ↑ 1o xj ↓ 2o NA ↑ 3o tox ↓ 4o VBS ↓ 5o VDS ↓
Vbi + 7 V
23/74
电子浓度分布
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
24/74
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 1o 选择合适的 NB ：
2. 原因
6/74
ρ eff ( x, y ) ∂ 2φ ( x, y ) ρ ( x, y ) ∂ 2φ ( x, y ) ≡− =− − 2 2 εs ∂x ∂y εs
N A eff < N A ⇒ VT ↓
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT = VFB + 2VB +
QB Cox = VFB + 2VB + γ 2VB + VBS
' QB V = VFB + 2VB + Cox ' QB = VFB + 2VB + γ 2VB + VBS QB ' T
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-off）
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) 计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
4. 杂质横向扩散的影响
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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
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 L 很小时， VDS ↑ VT ↓
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VT (VDS ) = VT (0) − σVDS
∂ 2φ ( x, y ) ρ ( x, y ) =− ∂x 2 εs
∂ 2φ ( x, y ) ∂ 2φ ( x, y ) ρ ( x, y ) + =− ∂x 2 ∂y 2 εs ∂ 2φ ( 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-off）
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S =n
kT 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
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3o Halo implant
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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
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21
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 2o PTI
⎡⎛ 2 d ⎞ ⎢⎜1 + max ⎟ ⎜ xj ⎟ ⎢⎝ ⎠ ⎣
1/ 2
⎤ − 1⎥ ⎥ ⎦
经验参数（α >1）
)
1o L ↓
3o NA ↓ dmax↑ F ↓ ΔVT ↑
4o xj ↑ ΔVT ↑
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-off）
VT ,窄沟 = VFB + 2VB + γ 2VB + VBS +
1 2 QW 2 πd max π d max = = QB W ⋅ d max 2 W QW d max = GW QB W
¼ 圆弧：
一般地，引入经验参数 GW
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）
[
]
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-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
⎡⎛ 2d ⎞1 / 2 ⎤ x Q d F= = 1 − j ⎢⎜1 + max ⎟ − 1⎥ ≈ 1 − max QB L ⎢⎜ xj ⎟ L ⎥ ⎝ ⎠ ⎣ ⎦
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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 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小1. 现象
4/74
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-off）
2. 原因
5/74
p-Si
p-Si
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
∂ 2φ ( x, y ) =0 GCA： ∂y 2
[3(Vbi − 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
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↑
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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 短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
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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
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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. 速度饱和效应 4. 亚阈特性退化 5. 热载流子效应
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4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2
2. 双扩散漏 (DDD)
P 比 As 扩散系数大
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24
' B
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dmax/xj 较大时
' QB d F= ≡ 1 − α max QB L
ΔVT = V − VT = γ 2VB + VBS
' T
xj ⋅ L
=α