MOSFET的非理想特性以及小尺寸效应

第四章 MOSFET
4.5 MOSFET的非理想特 性以及小尺寸效应
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4.5 MOSFET的非理想特性以及小尺寸效应
本节内容
� 等比例缩小�Scaling down� � MOSFET的非理想特性包括亚阈值特性�沟
道长度调制效应�漏沟静电反馈 � 小尺寸效应包括短沟道效应�窄沟道效应�迁
极电流不饱和的机构除了沟道长度调制效应外�
还有漏沟静电反馈效应。
SG D
n+
n+
p-Si
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
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Von
≈ VT
+
n
kT q
n
=
1
+
CD COX
( ) CD
≡
d
−QB dψ S
ψ S =2ψ Fp +VC
QB = − 2qεs N AVS
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4.5.2 非理想特性
� 栅电压摆幅S
S
≡
�d
� �
dVGS
(lg
I Dsub
−1
)��
�
=
ln10 ⋅
kT q
n
� 栅电压摆幅S描述了MOST截止的快慢
4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
求出上述两项�就可以推导出亚阈值电流的表达式�
I Dsub
=
W L
µnCOX
n
� �
�
kT q
2
� � �
� �q
�exp �
��
nkT
(VGS
−
Von
)���
� � �
� �1 �
−
exp
� ��
−
qVDS kT
�� ����
描述亚阈值特性的参数�
� 导通电压Von �从强反 型到弱反型过渡的VGS
∞ 0
JC dx
=
−WDn
d dy
∞ 0
qndx
=
WDn
dQn dy
积分得到�
I Dsub
W =L
Dn
��Qn
( L) − Qn
(0)��
� 求Qn的表达式 利用能带图�得到
n
=
NA
exp
� �− �
q
(VC
+ 2ψ kT
F
−ψ
)�
� �
利用Possion方程求解Qn
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� 当 MOS 晶体管尺寸缩小时�一维模型的萨方程 与实际器件特性的差距越来越大。必须对萨方程 作必要的修改。
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4.5.2 非理想特性
非理想特性是指偏离一维萨方程的特性�包括� 亚阈值特性�沟道长度调制效应� 漏沟静电反馈效应�
4.5.2.1 亚阈值特性
� 理想特性�
VGS≤VT 时�ID=0 � 实际情况�
仍有微小电流存在� 称为亚阈值电流IDsub
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4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
� 下图为ψF<VS< 2ψF 时的能带图 � 此时半导体表面弱反型�相当于低掺杂的n型区。
4.5.2 非理想特性�亚阈值特性� 亚阈值电流的形成
(a) nMOSFET结构
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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
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4.5.3 小尺寸效应�窄沟道效应�
4.5.3.2 窄沟道效应 � 实际测量发现�沟道宽度减小到一定数值以下时�
有效阈电压会随沟道宽度的减小而增加
窄沟道效应的产生机构�表面耗尽区的侧向扩展
� 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
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4.5.1 Scaling-down
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4.5.3 小尺寸效应�窄沟道效应�
Al栅pMOST
S
A
G
A
Al SiO2
D
表面耗尽区
� 从栅极引出的Al引线将经过场区。由于场氧化层 厚度远大于上氧化层厚度�栅电极引线下面的场 区一般处于耗尽或弱反型状态�侧向扩展区�
� 如果考虑场区中的耗尽区�栅电极上发出的场强 线就有一部分终止于侧向扩展区�导致终止于反 型层的场强线数目减少�从而使有效阈电压增大
� S越小�MOSFET截止越快�所以希望降低S
� 降低S的方法�
降低tOX �降低衬底掺杂浓度Nsub � 降低衬偏电压|VBS|�降低界面陷阱密度Dit
4.5.2.2 沟道长度调制效应�CLM��见4.3.4�
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4.5.2 非理想特性�漏沟静电反馈�
4.5.2.3 漏沟静电反馈效应 � 考虑衬底掺杂浓度比较低的短沟MOST�造成漏
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4.5.3 小尺寸效应�迁移率调制效应�
Ex对迁移率的影响可以用经验公式描述�
µeff
=
1
+
θ
µs (VGS
−VT )
µeff —有效迁移率 µs —低场表面迁移率 θ —经验常数�典型值0.03�
反型层载流子的有效迁移率于温度有很大的关系。 降低温度可以提高有效迁移率
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沟道载流子的漂移速度随电场强度的变化而变化
� 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�
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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 �
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界面散射导致迁移率下降
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4.5.1 Scaling-down
讨论器件尺寸按比例缩小后�器件性能的改变�
CO' X
=
εs tOX K
= COX K
VT' ≈ VT K
假设阈电压VT也按等比例因子缩小K倍�这与真实 情况很接近
( ) ( ) I ' Dsat
=
µCO' XW ' 2L'
VG' S − VT'
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4.5.3 小尺寸效应�迁移率调制效应�
2. 考虑与电流平行方向电场的影响�Ey � � 低场区�vy 正比于Ey �迁移率=常数 � Ey 上升� vy 上升逐渐变慢 � |Ey | > |Ec| �极限散射漂移临界电场��
(b) 表面积累
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4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
(c) 表面弱反型
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(d) 表面反型
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4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
萨方程不适用于亚阈值区的原因�
� 强反型近似中的关于耗尽层的假定不适用 该假定认为�VGS≤VT时�Qn=0。而实际上�在亚 阈值区表面反型层已经出现�表面沟道已经形成。 只是在强反型时�由于|Qn|数值很大�计算|Qn|时可 忽略VGS=VT时已经出现了的表面电子电荷。
� ���
1
+
2WC xj
� −1���
•
VT
= VFB
+ 2ψ FB
− EL
QBM COX
问题�如何抑制短 沟道效应�
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4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
∆VT
=
−
qN AWC COX
� �1 − ��
xj L
� ���
1
+
2WC xj
�� −1������
L小于2µm时�才会出 现明显的短沟道效应
2 =1µ 2
COX K
�W
� �
L
K K
� � VGS
� �
��
K
−
VT K
2
� ��
=
I Dsat K
栅电容� CG' = W 'L'CO' X = (W K ) ⋅ ( L K ) ⋅ COX = CG K
门延迟�
td'
=
QG' I'
Dsat
=
CG K
⋅
VDD I Dsat
K K
=
td K
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•
� 定义� 有效阈电压 VT • 平均有效单位面积体电荷 QBM
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4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
定量计算�
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假设�WC=WS=WD 几何运算�
( ) ( ) ∆L + x j 2 + WC2 = x j + WC 2
•
EL ≡ QBM QBM
=
1−
xj L
CE律缩小参量表
参量名称 缩小因子 参量名称
缩小因子
L�W�tOX�xj 1/K
CL (负载电容)
1/K
VDS
1/K
td (门延迟)
1/K
Nsub
K
Pw (功耗)
1/K2
VT
1/K
Pwtd (性能优值)
1/K3
IDS
1/K
A (芯片面积)
1/K2
COX
K
D (集成密度)
K2
Scaling-down的优点主要体现在性能优值�功耗延 迟积�缩小了K3
左图(a)�
长沟nMOST�源漏 均为零偏�平带时
的横截面示意图
(a) � 虽 然源 漏 耗 尽 区 进 入到沟道区�但在
整个沟道中只占很 小的比例�可忽略
不计
左 图(b)�表面反型横
(b)
截面示意图
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4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
随着沟道长度的缩短�源漏耗尽区的影响加大。 当沟道长度与源漏耗尽区宽度相比拟时 � 栅极上正电荷发出的场强线将终止于反型层内的
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4.5.1 Scaling-down Scaling Down 的进展
参量
1970 1980 1990 2000
Components/chip 103 5×104 106 >5 ×107
门延迟 (ns)
25 1 0.05 <0.01
电源电压 (V) 12 5 3.55-5 0.9-1.8
沟道长度 (µm) 10 5
1
0.25
tOX (nm)
120 50 15
<5
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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。
移率调制效应�包括速度饱和��DIBL效应 � MOSFET的漏源击穿和栅击穿 � 不同结构的MOSFET
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4.5.1 Scaling-down
� Scaling down 或 称 等 比 例 缩 小 � 1 9 7 4 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。
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4.5.2 非理想特性�漏沟静电反馈�
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
没有扩展余地了�那么只能通过增加沟道电子来 屏蔽增加了的电场�类似平板电容器�
对饱和区漏极电流的影响� VDS增加 � 沟道电子增加 � 沟道电阻下降 � 漏极电流ID增加
•
VT
= VFB
+ 2ψ FB
−
QBM COX
���1+ δ
π 2
WC W
� ��
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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
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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
� 只考虑了漂移电流�未考虑扩散电流 在亚阈值区�扩散电流>>漂移电流。亚阈值区导电 与BJT中基区的电流传输有些相似。
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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
电子或者表面耗尽区的电离受主。 � 源区或漏区的电力施主发出的场强线终止于源漏
耗尽区的电离受主。 � 交界区�可以认为电流受主电荷一部分属于表面
耗尽区�一部分属于源漏耗尽区 这种效应称为电荷共享�或电荷分享�
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4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应� 电荷共享示意图
表面耗尽区的总的电荷量减少�导致阈电压减小。
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4.5.3 小尺寸效应�窄沟道效应�
定量计算� � 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�先把 边缘场的影响夸大 成1/4圆柱体�然后 乘一个拟合系数δ 使 与实测相符。
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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
4.5.3.1 短沟道效应 � 实际测Leabharlann Baidu发现�沟道长度减小到一定数值以下时�
有效阈电压会随沟道长度的减小而下降
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4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�