电子科技大学微电子器件课件(5-9)

1、 MOSFET 的发展方向主要是沟道长度的不断缩短，目前已的发展方向主要是沟道长度的不断缩短，目前已经缩短到小于经缩短到小于 0.1 m 。这种发展趋势可以用。这种发展趋势可以用 来描述：来描述： MOS 集成电路的集成度每集成电路的集成度每 18 个月翻一番，最小线宽每个月翻一番，最小线宽每 6 年下降年下降一半。目前预测的最小极限尺寸是一半。目前预测的最小极限尺寸是 25 nm，尽管这种对极限尺寸，尽管这种对极限尺寸的预测也在不断下调。的预测也在不断下调。 MOSFET 的发展过程，就是在不断缩短沟道长度的同时，的发展过程，就是在不断缩短沟道长度的同时，尽量设法消除或削弱短沟道效应的过程。

2、尽量设法消除或削弱短沟道效应的过程。 为了为了消除或削弱短沟道效应，消除或削弱短沟道效应，除了采用一些特殊的结构外，除了采用一些特殊的结构外，在在 VLSI 中，主要采用按比例缩小法则。中，主要采用按比例缩小法则。 设设 K 为缩小因子，为缩小因子，K 1 。恒场按比例缩小法则要求。恒场按比例缩小法则要求jOXOXjGSDSAAGSDS,xTLZLZTxKKKKVVNKNVVKKtpdpd2pdpd3GSDsub,ddlngfKftPtPKKPtP tKVSI mst跨导不变，最高工作频率延迟功耗功耗延迟乘积亚阈区摆幅不变。这时器件及集成电路的性能发生如下改变：这时器件及集成电路的性能发生如下

3、改变：TDTD,VIVIKKCCK 阈电压漏极电流总栅电容 (1) 亚阈区摆幅亚阈区摆幅 S 不变会使亚阈电流相对增大，对动态存储不变会使亚阈电流相对增大，对动态存储器特别不利。器特别不利。 (2) 某些电压参数不能按比例缩小，例如某些电压参数不能按比例缩小，例如 Vbi 和和 2 FB 等。等。 (3) 表面反型层厚度表面反型层厚度 b 不能按比例缩小。可以将反型层看作不能按比例缩小。可以将反型层看作一个极板间距为一个极板间距为 b 且与且与 COX 相串联的电容，使总的有效栅电容相串联的电容，使总的有效栅电容偏离反比于偏离反比于 TOX 的关系而逐渐饱和。的关系而逐渐饱和。 (5) 电源电

4、压不能完全按比例缩小。电源电压不能完全按比例缩小。 (4) 寄生电阻的限制寄生电阻的限制。 AAFPFPiilnlnNKNkTkTqnqn (1) 修正的修正的恒场按比例缩小法则恒场按比例缩小法则 (2) (3) 恒亚阈电流缩小法则恒亚阈电流缩小法则 (4) 恒压按比例缩小法则恒压按比例缩小法则 123minjOXd,Sd,DLA x Txx (1) 沟道长度由两次反型扩散的结深之差决定。可以使沟道沟道长度由两次反型扩散的结深之差决定。可以使沟道长度制作得又短又精确。长度制作得又短又精确。 (2) 在沟道和漏区之间插入一个在沟道和漏区之间插入一个 N 漂移区，可以消除寄生漂移区，可以消除寄生电

5、容电容 C gd ，提高漏源击穿电压，减小沟道长度调制效应，防止，提高漏源击穿电压，减小沟道长度调制效应，防止漏源穿通，抑制衬底电流和热电子效应等。漏源穿通，抑制衬底电流和热电子效应等。 由于兰宝石的优良绝缘性而大大减小了源、漏区与由于兰宝石的优良绝缘性而大大减小了源、漏区与衬底之间的寄生电容，故具有较高的速度。此外，在衬底之间的寄生电容，故具有较高的速度。此外，在 SOS 结构结构中可以腐蚀掉不需要的部分，只剩下中可以腐蚀掉不需要的部分，只剩下 MOSFET 的有源部分，可的有源部分，可在集成电路中实现各在集成电路中实现各 MOSFET 之间的完全电隔离。之间的完全电隔离。 在兰宝石在兰宝石

6、 (-Al2O3 ) 衬底上外延生长单晶硅薄膜，在此薄膜衬底上外延生长单晶硅薄膜，在此薄膜上制作的上制作的 MOSFET，称为，称为 SOS-MOSFET。 对于深亚微米对于深亚微米 MOSFET，根据按比例缩小法则，根据按比例缩小法则，必须采用必须采用重掺杂衬底和薄栅技术。这样能带在表面的弯曲将形成足够窄重掺杂衬底和薄栅技术。这样能带在表面的弯曲将形成足够窄的势阱，使反型层中的载流子在界面处的势阱，使反型层中的载流子在界面处 。计算表明，。计算表明，可以将该现象等效可以将该现象等效为栅氧化层厚度的增加为栅氧化层厚度的增加，从而导致漏极电流的衰退。从而导致漏极电流的衰退。 按比例缩小法则要求按

7、比例缩小法则要求 MOSFET 的栅的栅氧化层厚度随沟道长度氧化层厚度随沟道长度的缩短而减薄，以保持栅电极与沟道电荷之间有足够的的缩短而减薄，以保持栅电极与沟道电荷之间有足够的耦合。耦合。每一代新的每一代新的 MOSFET 都采用了更薄的栅都采用了更薄的栅氧化层。但是氧化层。但是栅栅氧化层氧化层厚度的减薄将受到下面几个因素的限制。厚度的减薄将受到下面几个因素的限制。 首先，当栅首先，当栅氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的氧化层非常薄时，栅极与沟道之间的 将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。将显著增大，导致栅电流的增大和输入阻抗的下降。 其次，以下三个因素使其次，以下三个因素使 栅氧化层

8、厚度不能随栅氧化层厚度不能随 栅氧栅氧化层厚度的减薄而下降。化层厚度的减薄而下降。 (1) 有一定厚度的表面反型层可等效为一个与有一定厚度的表面反型层可等效为一个与栅氧化层电容栅氧化层电容COX串连的串连的反型层反型层电容，削弱了栅电极对沟道电荷的电容，削弱了栅电极对沟道电荷的耦合作用，耦合作用，相当于增加了相当于增加了有效栅氧化层厚度。有效栅氧化层厚度。 (2) 量子效应使反型层电子浓度的峰值不在表面，而在表面量子效应使反型层电子浓度的峰值不在表面，而在表面以下约以下约 1 nm 处，这也处，这也相当于增加了相当于增加了有效栅氧化层厚度。有效栅氧化层厚度。 (3) MOS 集成电路中都采用硅

9、栅技术。当硅栅中靠集成电路中都采用硅栅技术。当硅栅中靠氧化层氧化层一侧的部分多晶硅发生耗尽时，这层耗尽层就起到了绝缘层的一侧的部分多晶硅发生耗尽时，这层耗尽层就起到了绝缘层的作用，再次作用，再次增加了增加了有效栅氧化层厚度。有效栅氧化层厚度。 为了避免直接隧穿效应，可以通过为了避免直接隧穿效应，可以通过 的方法来提高栅电容。为了避免的方法来提高栅电容。为了避免多晶多晶硅出现耗尽层的影响，可以采用硅出现耗尽层的影响，可以采用 或或 作作为栅电极材料。为栅电极材料。 在电子的输运过程中在电子的输运过程中，如果，如果不能发生足够的散射，不能发生足够的散射，就会就会导导致电子被加速到超过饱和致电子被加速到超过饱和漂移漂移速度速度的速度的速度，这种现象称为，这种现象称为 。速度过冲效应将使