二维短沟道MOSFET阈值电压分析模型

B I J in shun HA I Chaohe
( Institu te of M icroelectron ics of C h inese A cad em y and S ciences, B eij ing , 100029, CH N )
Abstract: T he tem p era tu re dep endence of the th resho ld vo ltage of dynam ic th resho ld nM O S2
F ig. 1 Schem a tic of (a) comm on nM O SFET s and (b)
dynam ic th resho ld nM O SFET s
其中 <F 为费米势, V FB 为平带电压, Cox 为栅氧电容, ΕSi为硅的介电常数, q 为电子电荷, N A 为沟道掺杂浓 度。 忽略栅氧中电荷密度的影响, 并且假设采用N + 多晶硅栅, 则
(中国科学院微电子研究所, 北京, 100029) 2007204206 收稿, 2007208210 收改稿
摘要: 对动态阈值 nM O SFET 阈值电压随温度退化特性进行了一阶近似推导和分析。 动态阈值 nM O SFET 较 之普通 nM O SFET , 降低了阈值电压温度特性对温度、沟道掺杂浓度及栅氧厚度等因素的敏感程度。讨论了动态阈 值nM O SFET 优秀阈值电压温度特性的内在机理。动态阈值nM O SFET 优秀的阈值电压随温度退化特性使之非常 适合工作于高温恶劣环境。
EEACC: 2560
1 前 言
倍[4 ]。 动态阈值场效应晶体管有着出色的器件特性,
如低静态电流、高驱动能力、优秀的亚阈值特性、抗
阈值电压随温度退化是场效应晶体管的一项重 要参数。随着芯片工作温度的升高, 场效应晶体管阈 值电压降低, 从而增加了器件的静态电流和静态功 耗, 反过来又进一步提高了芯片的温度[123]。 芯片工 作时的温度与芯片可靠性之间有着密切的关系。 温 度的升高, 将引发一系列故障机制, 如硅片连线故障 和封装故障等等, 都会导致器件可靠性下降。 据统 计, 大约温度每升高10°C, 器件的故障率就要提高 2
V FB = -
EG 2
-
<F
(2)
<F =
KT q
ln
NA nI
(3)
其中 E G 为硅的禁带宽度, K 为玻尔兹曼常数, T 为
热力学温度, n I 为硅中本征载流子浓度。本征载流子
浓度 n I 与温度的关系由下式给出:
3
n I= 319×1016T 2 exp
-
EG 2K T
(un it: cm - 3)
假设普通nM O SFET 和动态阈值nM O SFET 沟 道区域均匀掺杂。 图 3 比较了普通 nM O SFET 和动 态 阈值 nM O SFET 在沟道掺杂浓度为 1×1017、3× 1017 和 5 × 1017 cm 3 下, dV TH dT 与 温 度 之 间 的 关 系, 其中栅氧厚度均为10 nm。图4 从另外一个角度, 比较了普通nM O SFET 和动态阈值nM O SFET 在栅 氧厚度为 10 nm、20 nm 和 30 nm 时, dV TH dT 与温 度之间的关系, 其中沟道 掺 杂 浓 度 均 为 2 × 1017 cm 3。由图3 和图4 均可以很明显地看出, 随着温度的 升高, 普通 nM O SFET 和动态阈值 nM O SFET 阈值 电压退化加重, 表现为 dV TH dT 的绝对值随温度的 增加而增加。但是普通nM O SFET 阈值电压随温度 退化较之动态阈值 nM O SFET 要严重得多, 表现为 前 者 dV TH dT 的绝对值以及其与温度之间的关系 直线斜率大于后者。在图3 中, 随着沟道掺杂浓度的 增加, 普通 nM O SFET 阈值电压随温度增加退化加 重; 而动态阈值nM O SFET 基本没有受到影响, 在三 种沟道掺杂浓度下, 阈值电压退化特性基本重合。按
短沟道效应和漏致势垒降低等, 非常适合于低压、低 功耗、高速集成电路应用领域[529]。 然而关于动态阈 值场效应晶体管阈值电压随温度退化特性的研究几 乎处于空白。本文以nM O SFET 为例, 采用一阶近似 推导, 对比研究了动态阈值场效应晶体管和普通场 效应晶体管的阈值电压随温度退化特性。 为了验证 文中的理论推导, 制备了基于 SO I 衬底的 8 Λm 018 Λm 的普通nM O SFET 和动态阈值nM O SFET , 并进
4 期
毕津顺等: 动态阈值 nM O SFET 阈值电压随温度退化特性
477
dV TF dT
=
d<F dT
1+
1-
2V FBC ox 2
-
1 2
ΕSiqN A
(un it: mV K)
(10)
3 结果分析
通过计算普通nM O SFET 阈值电压的温度退化 特性 (5) 式和动态阈值 nM O SFET 阈值电压的温度 退化特性 (10) 式, 可以对二者进行比较。需要注意的 是, 二者的阈值电压随着温度的升高均有所降低, 即 阈值电压对温度的一阶导数为负值。
=
d<F dT
1+
q Cox
ΕSiN A
K T ln
NA nI
(un it: mV K)
(5)
d<F dT
=
8163 × 10- 5
ln (N A ) - 3812 -
3 2
[1
+
ln (T ) ]
(un it: mV K)
(6)
根据参考文献[ 5 ], 当存在体偏置时, 阈值电压
2 理论推导
图1 (a) 为普通nM O SFET 示意图, (b) 为动态阈 值 nM O SFET 示 意 图。 根 据 参 考 文 献 [ 2 ], 普 通 nM O SFET 阈值电压
V T = 2<F + V FB +
2ΕSiqN A (2<F )
Cox
(1)
图 1 (a) 普通 nM O SFET 示意图; (b ) 动态阈值 nM O S2 FET 示意图
关键词: 温度退化特性; 动态阈值; n 型场效应晶体管 中图分类号: TN 386 文献标识码: A 文章编号: 100023819 (2008) 042475204
D egrada tion of Threshold Voltage in D ynam ic Threshold nMO SFETs w ith Tem pera ture
sp ectively
照等比例缩小原则, 随着器件尺寸的不断缩小, 应当 增加器件沟道掺杂浓度。从上面图示可以看出, 加大 沟道掺杂浓度将会大大增加普通nM O SFET 阈值电 压随温度的退化量, 而对于动态阈值 nM O SFET 而 言, 则影响很小。在图4 中, 随着栅氧厚度的减小, 普 通nM O SFET 和动态阈值nM O SFET 阈值电压随温 度退化均有所减轻, 但是较之动态阈值 nM O SFET , 普通nM O SFET 阈值电压随温度退化受栅氧厚度影 响更明显。按照等比例缩小原则, 当器件沟道长度缩 小时, 栅氧厚度应按相同比例减小, 从而改善了动态 阈值nM O SFET 和普通nM O SFET 阈值电压随温度 退化的特性。
FET s is m odeled and ana lyzed. T he th resho ld vo ltage in comm on nM O SFET s show s g rea ter de2
p endence on tem p era tu re, channel dop ing concen t ra t ion and ga te ox ide th ickness than tha t in dy2
FET s w ith excellen t p erfo rm ance w ill find a p lace in the app lica t ion s of h igh tem p era tu re field.
Key words: tem pera ture dependence; dynam ic threshold; nMO SFETs
nam ic th resho ld nM O SFET s. T he m echan ism of sm a ller th resho ld vo ltage deg rada t ion w ith tem 2
p era tu re in dynam ic th resho ld nM O SFET s is d iscu ssed. T he dynam ic th resho ld vo ltage M O S2
工作在亚阈值区; 当V GS> = V TF 时, 器件开启。因此
将V TF 定义为动态阈值nM O SFET 的阈值电压。从图
2 看到V TF < V T0, 从而得到较小的阈值电压。但是值
得说明的是, 获得这个较小的阈值电压并没有以增
大静态电流为代价。将V GS= V BS= V TF 带入 (7) 式, 可
(4)
由上面的式 (1)～ (4) , 可以推导出普通 nM O S2
FET 阈值电压的温度特性。 为了简单起见, 认为 E G
和温度无关 (实际上, 20～ 250 °C 范围 E G 的变化只
有013% )。普通nM O SFET 阈值电压的温度特性可
通过对 (1) 式求导获得:
dV T dT
态阈值 nM O SFET 的工作原理, 是通过铝将栅和体
短接, 从而使体电位跟随栅电位变化。当V GS为高电
平时, 体源二极管正向偏置; 在V GS为低电平时, 体源
二极管零偏或者反偏, 从而调节阈值电压, 达到改善
驱动能力的目的。 以V GS= V BS画条直线与V T 2V BS曲
线相交于一点V TF , 如图2 所示。当V GS< V TF 时, 器件
Ξ 联系作者: E2m ail: b ravehaw k@ 126. com
476
固 体 电 子 学 研 究 与 进 展
28 卷
行了温度特性测试。结果显示, 动态阈值nM O SFET 较之普通 nM O SFET 阈值电压随温度退化小得多。 因此, 动态阈值 nM O SFET 优秀的阈值电压温度特 性使之非常适合工作于高温恶劣环境。
第 28卷 第 4期
固体电子学研究与进展
V o l. 28, N o. 4
2008 年 12 月
R ESEA RCH & PRO GR ESS O F SSE
D ec. , 2008
器件物理与器件模拟
动态阈值nM O SFET 阈值电压随温度退化特性
毕津顺Ξ 海潮和
V T = V T0 - Κ( 2<F - 2<F - V BS ) =
2<F + V FB + Κ 2<F - V BS
(7)
Κ=
2ΕSiqNLeabharlann ACox(8)其中V BS为体源偏置电压, V T0是V BS= 0 V 时的阈值
电压, Κ为体效应因子。 在动态阈值 nM O SFET 中,
栅电极和体电极短接, 如图 1 (b) , 因此V GS= V BS。动
求得V TF , 结果如下:
V TF =
2<F + V FB +
ΕSiqN A
C
2 ox
1-
2V
FBC
2 ox
ΕSiqN A
-
1
(9)
图 2 阈值电压是体源正向偏置的函数 F ig. 2 T h resho ld vo ltage a s a function of body b ia s
由于 <F 和V FB 均是温度的函数, 所以V TF 也是温度的 函数。动态阈值nM O SFET 阈值电压的温度特性可 通过对 (9) 式求导获得:
图 3 沟道掺杂浓度为 1×1017cm - 3、3×1017cm - 3和 5× 1017 cm - 3时, dV TH dT 与温度之间的关系
F ig. 3 T he rela tion sh ip betw een dV TH dT and tem p era2 tu re w hen channel dop ing concen tra tion is 1 × 1017 cm - 3, 3 ×1017 cm - 3 and 5 × 1017 cm - 3, re2