MOSFET的短沟道效应

MOSFET 的短沟道效应3 第8章 MOSFET 的短沟道效应

MOSFET 的沟道长度小于3um 时发生的短沟道效应较为明显。短沟道效应是由以下五种因素引起的，这五种因素又是由于偏离了理想按比例缩小理论而产生的。它们是：

（1） 由于电源电压没能按比例缩小而引起的电场 增大； （2） 内建电势既不能按比例缩小又不能忽略； （3） 源漏结深不能也不容易按比例减小；

（4） 衬底掺杂浓度的增加引起载流子迁移率的降低； （5） 亚阈值斜率不能按比例缩小。 （A ） 亚阈值特性

我们的目的是通过MOSFET 的亚阈值特性来推断阈值电压到底能缩小到最小极限值。

对于长沟道器件而言，亚阈值电流由下式给出 也可以写成如下的形式

式中的d

C 为单位面积耗尽区电容。

t kT V q

=

是热电压，1/d

ox C

C ξ=+，在DS V 大于几个热电压时有

对上式两边取对数 上式也可以写成

从式（8.4）中可以看出，当0GS

T V V -=时，即当栅－源电压等于亚阈

值电压时有亚阈值电流： 为了使GS

T V

V <时，器件可以关断，我们可以令（8.4）中的0GS V =，

则有

如果规定关断时（当0GS

V

=）的电流比在（当GS T V V =）的电流小5个

数量级，式(8.7)和式(8.8)的两边相除则有 得到亚阈值电压的最小值为 如果1/10.76 1.76d

ox C

C ξ=+=+=则亚阈值电压的最小值是

5ln105 1.6726 2.3500T t V V mV mV

ξ==⨯⨯⨯=。

如果还想将阈值电压降低到400mV 左右，那么就要减小1/d

ox

C C ξ=+的值，使1/ 1.34d

ox C

C ξ=+=。

考虑到温度对阈值电压的影响，按比例缩小阈值电压将更加困难。阈值电压的温度系数1/T

dV

mV K dT

=-。。导致阈值电压在温度范围（0－

85℃）内的变化是85mV 。制造工艺引起的最小变化也在50mV 之间。工艺和温度引起的变化合计为135mV 左右。因此，对增强型的MOS 器件其阈值电压一般都控制在0.50.9T

V V

V

<<之间。

（B ） 短沟道效应使阈值电压减小

对理想MOSFET 器件，我们是利用电荷镜像原理导出阈值电压的表达式。见下图。

()

()'''max 8.11mT ss SD Q Q Q +=式中忽略了沟道中的反型层电荷密度'n Q ，

()'

max SD a dT Q eN x =为最大耗尽层单位面积电荷密度。

这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈值电压值产生影响的因素。

图8.2a 显示了长沟道的N 沟MOSFET 的剖面图。在平带的情况下，且源－漏电压为零，源端和漏端的空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一部分。此时的栅电压控制着沟道

区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图8.2b 所示。

随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电荷密度减小。随着漏端电压的增大，漏端的空间电荷区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷会变得更少。由于栅极控制的沟道电荷区中的电荷数量()

'

max SD Q

会对阈值电压造成影响，如式（8.12）所示。

我们可以用图8.3所示的模型，定量的计算出短沟道效应对阈值电压造成的影响。假设源/漏结的扩散横向与纵向相等，都为j

x 。

这种假设对扩散工艺形成的结来说是合理的，但对例子注入形成的结则不那么准确。我们首先考虑源端、漏端和衬底都接地的情况。

在短沟道情况下，假定栅极梯形区域中的电荷有栅极控制。在阈值反型点，降落在沟道区的空间电荷区上的势差为2Fp

φ，源和漏结

的内建电势差也约为2Fp

φ，这表明这三个空间电荷区的宽度大体相

等。如图8.3a 。

假定梯形区内的单位面积平均电荷密度为'

B

Q ，则有

上式可以写成

由图8.3b 可以看出，有如下关系： 由（8.15）式

将（8.17）带入（8.18） 带入（8.15）式

与长沟道器件相比，短沟道器件阈值电压表达式应该写成 考虑短沟道效应后，MOSFET 器件的阈值电压会降低。 在这个模型的假设下，只有减小源/漏结的深度和增大单位面积栅电容ox

C ，才能降低阈值电压的偏移量。另外，式（8.22）是建立

在源、沟道、漏的空间电荷区都相等的假设基础上推导出来的，如果漏端电压增大，这会使栅控制的沟道电荷数量减少，'L变短，使阈值电压变成了漏极电压的函数，随着漏极电压增大，N沟器件的阈值电压也会减小。

MOSFET的窄沟道效应

MOSFET结构的表面空间电荷区电荷、电场、电容为了更详细地分析表面空间电荷层的性质，可以通过求解泊松方程，定量地求出表面层中的电场强度、电势分布。为此，我们取x轴垂直于半导体的表面并指向体内，规定x轴的原点在表面处。表面空间电荷区中的电荷密度、电场强度和电势都是x的函数。

在利用泊松方程求解之前，我们先做如下假设：

（1）半导体的表面是无限大表面（表面尺寸远大于空间电荷区的宽度，尽管这种假设会带来误差，但其误差及其微小，可以忽略不计）；这样我们可以利用一维的泊松方程求解。

（2）为了讨论更一般的情况，半导体中的掺杂为补偿掺杂（这一假设更符合实际，因为NMOS器件的沟道大都是经过了补偿掺杂，以得到合适的阈值电压值；PMOS器件的衬底N阱的形成也是在P型原始衬底经过补偿掺杂获得的）。

（3）在半导体内部，假定表面空间电荷电离杂质为一常数，且与体内相等，电中性条件成立，所以空间电荷区的净浓度()0

ρ=

x （4）其净掺杂表现为P型半导体。

空间电荷区的净浓度可以写成如下形式：

其中,d a

+-分别表示电离的施主杂质和电离的受主杂质浓度；如果N N