短沟道效应和窄沟道效应Chapter MOSFET.pptx
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短沟道效应和窄沟道效应Chapter MOSFET.pptx
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4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET1概述,长沟道理论假定沟道长度大到足可以忽略边缘效应,用缓变沟道近似对器件进行一维分析。
如果器件的沟道长度小到可以与源结和漏结的耗尽层宽度相比拟时,源结和漏结的耗尽区将对沟道内电势分布有着显著的影响,不能再用缓变沟道近似来处理,而要用二维分析。
同时沟道内自由载流子的漂移速度将达到饱和。
偏离了长沟器件特性的种种现象总称为短沟道效应。
具体来说,短沟道效应主要指阈值电压随沟道长度的下降而下降;沟长缩短以后,漏源间高电场使迁移率下降,跨导下降;弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加,并出现夹不断情况。
10:
12,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,当MOSFET的沟道长度L时,分立器件:
集成电路:
但是随着L的缩短,将有一系列在普通MOSFET中不明显的现象在短沟道MOSFET中变得严重起来,这一系列的现象统称为“短沟道效应”。
A、阈电压的短沟道效应实验发现,当MOSFET的沟道长度L缩短到可与源、漏区的结深xj相比拟时,阈电压VT将随着L的缩短而减小,这就是阈电压的短沟道效应。
10:
12,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,Chapter4,MOSFET,原因:
漏源区对QA的影响代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度。
考虑漏源区的影响后,QA应改为平均电荷面密度QAG。
4.5短沟道效应和窄沟道效应QAG,减轻阈电压短沟道效应的措施,10:
12,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,忽略漏、源的边缘效应时,栅极可控空间电荷区是由沟长和最大耗尽层宽度组成的矩型区,此时栅下空间电荷区的电荷总量此器件的阈值电压为对n-MOS。
QBM为负。
当沟长缩短后,受栅极控制的栅下空间电荷总量减为,栅下单位面积上的平均电荷密度减至,10:
14,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,由图几何尺寸得到,因此短沟道器件的阈值电压表达式为,沟道长度的关系,QBM为负可以看出,
(1)tox越大,Cox越小,阈值电压变化越大,短沟道效应越大,为减小短沟道效应,VLSI/ULSI器件的栅氧厚度越来越薄。
(2)衬底浓度越低,xdm越大,短沟道效应越大,这就是在亚微米器件中,为什么要用离图453有效阈电压与子注入使衬底表面浓度形成高掺杂的原因。
10:
15,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,(3)结深xj越大,短沟道效应越大。
4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET2短窄沟效应,分析短沟道效应的器件几何模型,10:
15,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,栅极加正电压表面达到强反型时,栅极上的每个正电荷都有场强线发出,长沟器件中不考虑边缘效应前提下,这些场强线将终止在反型层内的电子上或耗尽区内的电离受主上,表面空间电荷区里的负电荷是栅上正电荷的“感应电荷”,所有场强线垂直,于Si/SiO2界面,在VDS0条件下,表面耗尽区分布于截面为矩形的立方体内。
沟道长度缩短,n+源区电离施主发出的场强线的一部分将终止在交界区的电离受主上,交界区的另一部分电离受主用来终止栅极正电荷发出的场强线。
若将这种边缘效应考虑在内,VDS0条件下,表面耗尽区占有的空间变成截面为梯形的立方体。
与不考虑边缘效应相比,表面耗尽区总电荷量减少,于是真正受到栅极控制的表面空间电荷区将随沟长的缩短而减小,引起阈值电压的漂移。
4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,阈电压的窄沟道效应实验发现,当MOSFET的沟道宽度W很小时,阈电压VT将随W的减小而增大。
这个现象称为阈电压的窄沟道效应。
10:
15,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,图4-57沿沟道宽度方向的表面耗尽区分布,窄沟道效应发生于沟道宽度变小的MOST中,窄沟道效应起源于沟道宽度方向边缘上表面耗尽区的侧向扩展,这种侧向扩展与栅电极在沟道区以外场氧化膜上的覆盖有直接关系。
图4-57代表铝栅MOST的一种典型情况,为了将栅电极引出,沟道两侧覆盖区的长度不均等。
由于场氧化膜的厚度远大于栅氧化膜的厚度,栅极电压使沟道区强反型时,栅电极下场区一般处于耗尽或弱反型,其耗尽区厚度小于强反型区由此形成图4-57所表示的表面耗尽区分布。
图4-56有效阈电压与沟道宽度的关系,10:
16,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,若考虑表面耗尽区的侧向扩展,栅电极上正电荷发出的场强线除大部分终止于栅氧化层下耗尽区电离受主以外,还有一部分场强线终止于侧向扩展区电离受主,结果是使终止于反型层的场强线数目减少,沟道电荷减少,电阻增大,从而导致有效阈电压上升。
4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,3迁移率调制效应所谓迁移率调制是指电场调制迁移率,即沟道载流子漂移速度随电场强度变化的现象。
它将导致:
饱和漏源电压及饱和漏电流都小于长沟理论预示值。
IDsat与(VG-VT)间不呈现平方关系,而近似是线性变化关系,饱和区跨导近似等于常数。
明显的不完全饱和,沟道长度越短,饱和区漏源电导越大,沟道载流子水平方向漂移速度vy,低场区vy正比于|Ey|,迁移率等于常数;随着|Ey|增大,vy上升逐渐变慢直至|Ey|增加到极限散射漂移临界场强,载流于漂移速度达到最大值-极限散射漂移速度。
在我们的分析中采用以下经验公式表示vy:
(4-235)eff=S为低场表面迁移率(不考虑寄生因素),EC为速度饱和临界电场。
10:
27,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,当VGSVT且继续增大时,垂直方向的电场Ex增大,表面散射进一步增大,将随VGS的增大而下降,式中,,A、VGS对的影响,式中,N沟道MOSFET中的典型值为,Chapter4MOSFET3迁移率调制效应当VGS较小时,,10:
28,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,现在利用(4-235)式可以推导考虑迁移率调制的非饱和区电流-电压方程:
由于,10:
28,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,所以漏电流减小了。
我们已经知道,长沟MOSFET的漏电流饱和机构是沟道漏端夹断。
短沟器件漏电流饱和机构不同于长沟器件。
沟道中随水平方向场强增加,载流子漂移速度逐渐趋向饱和,一旦增加到临界场强,vy达到vsl就不再增大,这叫做漂移速度饱和。
短沟MOST由于沟道短,一定VDS之下的沟道水平方向场强高,所以更有可能出现漂移速度饱和。
根据(4-52)式,在一定的ID之下,沟道内各点Qn(y)与dV(y)/dy的乘积等于常数。
|Qn(y)|从源端到漏端是逐渐减小的,因而|Ey|从源到漏必将是逐渐增大,漏端水平电场最强。
随VDS增加,沟道漏端可能最先达到临界场强,出现漂移速度饱和。
(4-242),4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,短沟MOST正是由于沟道短,不需要太高的VDS,即可出现漏端速度饱和,而此时沟道尚未夹断。
漏端一但达到速度饱和,从此再增加VDS,vy(L)将保持等于Vsl不变;没有任何原因能使|Qn(L)|增大,|Qn(L)|也不会是减小,只能是保持不变。
因而从漏端速度饱和开始,漏极电流饱和,器件进入饱和区工作。
漏端达到速度饱和的漏源电压即饱和漏源电压。
VDSVDsat时沟道中的起始速度饱和点向源端移动,VDS-VDsat降落在速度饱和区,其中场强超过极限散射漂移临界场强,载流子以vsl漂移,起始饱和点到源端的电势差保持等于VDsat不变。
现在可以推导得出饱和漏电流:
(4-246)如果沟道特别短,满足EcLVGS一VT时线性关系但不再反比于L。
10:
28,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,特点:
短沟道MOSFET在饱和区的跨导为,对跨导的影响普通MOSFET在饱和区的跨导为,(4-248)特点:
与(VGS-VT)及L均不再有关,这称为跨导的饱和。
这样就用迁移率调制效应解释了短沟MOST输出特性的第和第种偏离现象。
10:
28,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,对最高工作频率的影响普通MOSFET的饱和区最高工作频率为,特点:
fT正比于(VGS-VT),反比于L2。
短沟道MOSFET的饱和区最高工作频率为,特点:
f,T与VGS无关,反比于L。
10:
29,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,4漏场感应势垒下降(DIBL)效应(DIBL)DrainInducedBarrierLowering.短沟道器件,由于源和漏扩散区互相靠近,它们之间的空间间隔有可能不够容纳两个耗尽区,VDS0时,从漏区发出的场强线的一部分一直穿透到源区,漏区增加的电荷不仅对靠近漏区的沟道及耗尽区有影响,而是对整个栅极下面半导体内的表面电荷都有影响,这就使源端势垒降低。
沟道长度越短,VDS越大,贯穿的电力线越多,势垒降低的也就越多,这一现象称为DIBL效应。
源漏两区之间的势垒降低后,就有更多电子由源区注入沟道区,从而形成ID。
考虑DIBL效应,可以解释短沟道MOST中出现的两个重要现象。
第一个现象是衬偏电压等于常数时有效阈电压随,VDS增加而下降。
图4-58表面电子势能分布,10:
29,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,表面DIBL效应VFB(35)(kT/q)后与VDS无关,短沟道MOSFET的IDsub则一直与VDS有关。
亚阈区栅源电压摆幅的值随L的缩短而增大,这表明短沟道MOSFET的VGS对IDsub的控制能力变弱,使MOSFET难以截止。
体内DIBL效应VGSVFB时,能带在表面处往上弯,表面发生积累,势垒的降低主要发生在体内,造成体内穿通电流。
而穿通电流基本上不受VGS控制,它也使MOSFET难以截止。
10:
29,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄沟道效应,郭伟玲,4.5短沟道效应和窄沟道效应,Chapter4MOSFET,5长沟道亚阈值特性的最小沟道长度长沟道亚阈值特性最小沟道长度的下述经验公式:
Lmin=0.4xjtox(WS+WD)21/3m(4-249)式中xj(m)为源漏结深,t0X(A)为栅氧化层厚度,Ws(m)为源耗尽区宽度,WD(m)为漏耗尽区宽度。
短沟道高性能器件结构举例1.按比例缩小(Scaling)MOSFET(经典恒电场等比例缩小规律)削弱短沟道效应的方法之一是将MOSFET的尺寸和电压按一定比例缩小,缩小的MOSFET由于其内部电场仍与未缩短的MOSFET相同,故其短沟道效应亦与未缩小的相同。
如果在未缩小的MOSFET中短沟道效应不明显,则在缩小的MOSFET中短沟道效应也将不明显,这样就在缩短沟道长度的同时削弱了短沟道效应。
10:
29,1,半导体器件原理,ch4-5短沟道效应和窄
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