半导体物理与器件第十一章1

1、半导体物理与器件半导体物理与器件陈延湖陈延湖nMOSFET器件特性的非理想特性器件特性的非理想特性nMOSFET的按比例缩小理论的按比例缩小理论（SCALING DOWN）nMOSFET的阈值电压修正的阈值电压修正本章重点问题：本章重点问题：第十一章第十一章 金属氧化物半导体场效应晶体管：概念的深入金属氧化物半导体场效应晶体管：概念的深入本章主要内容：本章主要内容：n非理想效应非理想效应(11.1 )n亚阈值电导亚阈值电导n沟道长度调制沟道长度调制n迁移率变化速度饱和迁移率变化速度饱和n弹道输运弹道输运nMOSFE按比例缩小理论按比例缩小理论(11.2 )n恒定电场按比例缩小恒定电场按比例缩小

2、n准恒电场按比例缩小准恒电场按比例缩小nMOSFET阈值电压修正阈值电压修正(11.3 )n短沟道效应短沟道效应n窄沟道效应窄沟道效应nMOSFET的附加电学特性（的附加电学特性（11.4）n击穿电压击穿电压n离子注入进行阈值调整离子注入进行阈值调整11.1.1亚阈值电导亚阈值电导n亚阈值电导：当栅源电压亚阈值电导：当栅源电压Vgs小于或等于阈值小于或等于阈值电压电压Vt时，时，MOS漏电流漏电流ID并不为零，该电流并不为零，该电流称为亚阈值电流，对应的沟道电导称为亚阈值称为亚阈值电流，对应的沟道电导称为亚阈值电导。电导。MOSMOS工作状态工作状态亚阈值区亚阈值区截止区截止区饱和区饱和区线性

3、区线性区表面状态表面状态多子积累和耗尽区多子积累和耗尽区弱反型区弱反型区强反型区强反型区强反型区强反型区( (夹断部分夹断部分) )2fpSfpVn源到栅到漏的势垒结构源到栅到漏的势垒结构图图c c为偏置在亚阈值区，源到栅的势垒结构，为偏置在亚阈值区，源到栅的势垒结构，该结构类似于该结构类似于NPNNPN型双极晶体管的势垒分布型双极晶体管的势垒分布亚阈值区亚阈值区漏电流漏电流I ID D随随V VGSGS的变化规律为指数关系的变化规律为指数关系N NP PN Nn该指数规律可以表达为：该指数规律可以表达为：()exp() 1 exp()/GSDSDVVIsubkT ekT e当当V VDSDS

4、大于几个大于几个kT/ekT/e时时()exp()/GSDVIsubkT e例题：例题：n考虑一个被偏置于亚阈值区的考虑一个被偏置于亚阈值区的MOSFET，VDSKT/e，基于以上理想指数电流关系，基于以上理想指数电流关系，要使漏电流变化要使漏电流变化10倍，栅电压应如何变化。倍，栅电压应如何变化。 栅压每改变栅压每改变60mV,60mV,就会引起亚阈值电流一个数量级就会引起亚阈值电流一个数量级的改变，亚阈值区具有很好的栅控效应。的改变，亚阈值区具有很好的栅控效应。112122exp()/exp()/exp()/GSGSGSDGSDVVVIkT eVIkT ekT e1122ln()0.025

5、9ln(10)60DGSGSDIkTVVmVeIn含有数个含有数个MOSFET的大规模集成电路中，的大规模集成电路中，亚阈亚阈值电流可以造成很大的功耗值电流可以造成很大的功耗，因此电路设计者，因此电路设计者必须考虑亚阈值电流的影响。应保证必须考虑亚阈值电流的影响。应保证MOSFET被偏置在远低于阈值电压的状态从而使器件处被偏置在远低于阈值电压的状态从而使器件处于彻底关断状态。于彻底关断状态。nMOS的的亚阈值区增益较大，具有双极晶体管的亚阈值区增益较大，具有双极晶体管的特性特性，且漏电流较小，在低电压，低功耗电路，且漏电流较小，在低电压，低功耗电路中有一定应用价值。中有一定应用价值。11.1.

6、2 沟道长度调制效应沟道长度调制效应n沟道长度调制效应：当沟道长度调制效应：当MOSFET偏置在饱和偏置在饱和区时，漏源电压区时，漏源电压VDS使漏端的耗尽区横向延使漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，伸而进入沟道，沟道被夹断，从而减少了有沟道被夹断，从而减少了有效沟道长度，影响到漏电流效沟道长度，影响到漏电流IDS的大小。的大小。LTGSDSVVsatV)()(satVVVDSDSDSDSV2)()(2TGSoxnDVVLLCWIDSVDI漏源电压漏源电压VDS对漏电流对漏电流ID有调制作用有调制作用求求L与与的关系：的关系：对漏和衬底形成的对漏和衬底形成的NPNP结，其可视为单边突变结，结，其

7、可视为单边突变结，施加的施加的VDSVDS可认为全部落在可认为全部落在P P衬底上，则漏源电压衬底上，则漏源电压为为VDSVDS时，漏时，漏- -衬底结的空间电荷宽度为：衬底结的空间电荷宽度为：)(2DSBAspVVqNx当当)(satVpVpDSDSxxLDSVTGSDSDSVVsatVV)(2()sBDSBDSaLVVVVsateN衬底掺杂浓度越低，沟道调制效应越强；衬底掺杂浓度越低，沟道调制效应越强；DDILLLI)(沟道长度沟道长度L L越短越短, ,沟道长度调制效应越强沟道长度调制效应越强n此时此时MOSFET的饱和区漏电流可写为：的饱和区漏电流可写为：沟道长度调制系数沟道长度调制系

8、数2() (1)2nDGSTDSk WIVVVL输出电阻：输出电阻：121()()2nDoGSTDSk WIrVVVL1oDrI例例0. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 04. 00. 51. 01. 52. 00. 02. 5VD Ssi ge_nm os3p3_0p6. . D C . I D S. i , m Asi ge_nm os3p3_1p2. . D C . I D S. i , m AD evi ce I -V C urvesL=2.4umL=0.6umID11.1.3-4 迁移率变化及速度饱和迁移率变化及速度饱和n影响迁移率的三个主要因素：影响迁移率的

9、三个主要因素：器件工作温度器件工作温度T T由由MOSMOS栅压产生的垂直电场栅压产生的垂直电场由由MOSMOS漏源电压产生的横向沟道电场漏源电压产生的横向沟道电场2)(2TGSoxnDVVLCWIn温度升高，反型层电子迁移率下降温度升高，反型层电子迁移率下降晶格散射晶格散射*3/23/21ieBNmATTMOSFETMOSFET的漏电流随温度升高而下降的漏电流随温度升高而下降例例0. 51. 01. 52. 02. 53. 03. 50. 04. 00. 51. 01. 52. 00. 02. 5VD Ssi ge_nm os3p3_1p2. . D C . I D S. i , m Asi

10、 ge_nm os3p3_1p2_150. . D C . I D S. i , m AD evi ce I -V C urvesT=25degreeT=-25degereeIDn栅压升高，迁移率下降栅压升高，迁移率下降 对对N N沟道器件，正栅压使电子被吸沟道器件，正栅压使电子被吸引到半导体的表面，而随后又由于电引到半导体的表面，而随后又由于电子间的库伦力而被排斥，从而产生载子间的库伦力而被排斥，从而产生载流子的流子的表面散射效应表面散射效应。随着栅压的升。随着栅压的升高，表面散射效应变强，载流子的迁高，表面散射效应变强，载流子的迁移率下降。移率下降。n沟道横向水平电场增强，迁移率下降，超过

11、临沟道横向水平电场增强，迁移率下降，超过临界场强出现速度饱和界场强出现速度饱和E 由于由于强电场效应强电场效应，VDS所致的水平电场所致的水平电场E将将使载流子微分迁移率下降，并最终降为使载流子微分迁移率下降，并最终降为0 0，此时，此时载流子发生速度饱和，载流子发生速度饱和，IDSIDS也会提前进入饱和状也会提前进入饱和状态。态。2)(2)(TGSoxnDVVLCWsatIsatTGSOXDvVVWCsatI)()(电子的饱和速度电子的饱和速度饱和漏电流修正饱和漏电流修正n速度饱和导致：速度饱和导致：nVDS(sat）比理想关系）比理想关系小小nID(sat）大约是）大约是VGS的的线性函数

12、，而不是前面线性函数，而不是前面所述的理想平方律关系，所述的理想平方律关系，因而因而ID（sat）比理想）比理想值小值小satTGSOXDvVVWCsatI)()(电子的饱和速度电子的饱和速度n随着随着MOSFET沟道长度的缩小，沟道长度沟道长度的缩小，沟道长度L与载流子的散与载流子的散射间的平均自由距离相比拟，此时载流子的一部分可以不射间的平均自由距离相比拟，此时载流子的一部分可以不经散射而到达源漏极，这种运动称为弹道输运经散射而到达源漏极，这种运动称为弹道输运n弹道输运弹道输运：载流子以比平均漂移速度或饱和速度更快的速：载流子以比平均漂移速度或饱和速度更快的速度输运度输运n弹道输运发生于亚

13、微米器件（弹道输运发生于亚微米器件（L1um)，随着，随着MOSFET技术发展，弹道输运会变得更加重要技术发展，弹道输运会变得更加重要n非理想效应非理想效应nMOSFET按比例缩小理论按比例缩小理论n阈值电压修正阈值电压修正n。nMOSFET的按比例缩小（的按比例缩小（scaling down）理）理论：论：22)(2)(2)(TGSoxoxnTGSoxnDVVLtWVVLCWsatI由由氧化层厚度氧化层厚度 按按一定比例同时减小一定比例同时减小L，tox和和W，可保持可保持Ids不变，不变，但器件占用面积但器件占用面积WL减小减小，电路集成，电路集成度提高。缩小度提高。缩小MOSFETMOS

14、FET尺寸是尺寸是集成集成电路工艺发展电路工艺发展的的总趋势总趋势。MOSFET按比例缩小的三种方案：按比例缩小的三种方案：恒定电场按比例缩小恒定电场按比例缩小恒定电压按比例缩小恒定电压按比例缩小准恒定电场按比例缩小准恒定电场按比例缩小( (通通用按比例缩小理论）用按比例缩小理论）n恒定电场按比例缩小：指恒定电场按比例缩小：指器件尺寸和电源电压器件尺寸和电源电压等等比例地缩小，而电场（水平和垂直）保持不变。比例地缩小，而电场（水平和垂直）保持不变。从而确保器件的可靠性从而确保器件的可靠性若若V Vdsds V Vdsmax=VDDdsmax=VDD不变的情况下，减小不变的情况下，减小L L将导

15、致击穿电压降低将导致击穿电压降低n恒定电场按比例缩小方案：恒定电场按比例缩小方案：2()/sodbiDdaxVkVkxeNk oxox , ,kttkWWkLLkNNkVVADDDD/ Axdxd1k耗尽层厚度变化：耗尽层厚度变化：工作电流的变化：工作电流的变化：DTGoxosnDkIVkVkLktkWI2)(阈值电压的变化：阈值电压的变化：2/(2)2/asofpTHfpFBTHOXeNkVVkVCk 功耗的变化：功耗的变化：PkkIkVIVPDDDD2n恒定电场按比例缩小方案优点：恒定电场按比例缩小方案优点：n电路密度增加电路密度增加(1/k2)倍倍n功耗降低功耗降低(k2)n器件时延降低

16、器件时延降低(k) 倍倍n器件器件fT提高提高(k2) 倍倍n电场恒定，器件可靠性好电场恒定，器件可靠性好n恒定电场按比例缩小方案缺点：恒定电场按比例缩小方案缺点：n电源电源电压下降，导致电路动态范围及噪声容限减小电压下降，导致电路动态范围及噪声容限减小n阈值电压减小，导致较大的亚阈值电流阈值电压减小，导致较大的亚阈值电流n按恒定电压按比例缩小方案的优点：恒定电压按比例缩小方案的优点：n电路密度增加电路密度增加(1/k2) 倍倍n器件速度器件速度1/k2倍提高倍提高n系统的电源电压不用改变系统的电源电压不用改变n 缺点：缺点：n电路功耗电路功耗1/k倍增大倍增大n器件内部电场增强器件内部电场增

17、强准恒电场按比例缩小方案准恒电场按比例缩小方案n在在MOSIC发展中实际上采用的是发展中实际上采用的是不完全等比例不完全等比例的的缩小规则，或叫作优化的按比例缩小规则。缩小规则，或叫作优化的按比例缩小规则。n当特征尺寸缩小到深亚微米，采用的是准恒定电当特征尺寸缩小到深亚微米，采用的是准恒定电场的不等比例缩小规则。场的不等比例缩小规则。参参 数数缩小的比例系数缩小的比例系数器件尺寸器件尺寸k电电 压压k掺杂浓度掺杂浓度/k11/k11/kk1k1耗尽层宽度变化耗尽层宽度变化? ?电场强度变化电场强度变化? ? 工作电流变化工作电流变化? ?功耗变化功耗变化? ?n准恒电场按比例缩小方案：准恒电场

18、按比例缩小方案：器件特性的变化举例：器件特性的变化举例：2()/sodbiDdaxVkVkxeNk EkLkVED耗尽层宽度耗尽层宽度电场强度电场强度工作电流工作电流DTGoxosnDIkVVkkLktkWI22)(PkIkkVIVPDDDD232功耗功耗数据来源：数据来源：THE INTERNATIONAL TECHNOLOGY ROADMAP FOR SEMICONDUCTORS （ITRS) 间距间距But “forever” can be delayedn非理想效应非理想效应nMOSFET按比例缩小理论按比例缩小理论n阈值电压修正阈值电压修正n短沟道效应短沟道效应n窄沟道效应窄沟道效应

19、n。短沟道效应短沟道效应n短沟道效应：在增强型短沟道器件中，短沟道效应：在增强型短沟道器件中，源端和漏端源端和漏端PN结结的空间电荷区会进入有效沟道区的空间电荷区会进入有效沟道区，即栅下耗尽区电荷很大，即栅下耗尽区电荷很大一部分被源漏一部分被源漏PN结所提供，因此只需要较少的栅电荷就结所提供，因此只需要较少的栅电荷就可以达到反型，从而使可以达到反型，从而使Vth降低，且降低，且随沟道长度随沟道长度L的减小，的减小，Vth下降的越多。下降的越多。sGDSQQQ2sTHfpOxQVC GQVthVth降低降低GQDSQDSQXdXdXsXsMOS:MOS:MOSFET:MOSFET:2sTHfpo

20、xQVC 2GTHfpoxQVC THTHTHVVV1()THGsoxVQQC ？GQDSQDSQXdXdXsXsMOS:MOS:MOS:MOS:令：令：栅下空间电荷区厚度为栅下空间电荷区厚度为XdTXdT漏源空间电荷区厚度漏源空间电荷区厚度XsXs，XdXd。源漏扩散结深为源漏扩散结深为rjrj假设：假设：dsdTxxx则总反型空间电荷面密度：则总反型空间电荷面密度：()adTSadTeN WLxQeN xWL XdTXdTXsXsXdXd1 ()22adTGadTeNLL WxLLQeN xWLL 由栅压控制的反型电荷为图中梯形区域：由栅压控制的反型电荷为图中梯形区域：则：则：1()(1)

21、2THGSoxAdTOVQQCeN xLLCL 由几何推导可得：由几何推导可得：GQDSQDSQXdXdXsXs222)2()(dTjdTjxLLrxr所以：所以： 1212jdTjrxrLL分析分析则：则：2( 11)jadTdTTHoxjreN xxVCLr n随着沟道长度的减小，阈值电压负向移动量增加，短随着沟道长度的减小，阈值电压负向移动量增加，短沟道效应明显。沟道效应明显。n随着随着衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度的增加，发生短沟道效应时，其阈的增加，发生短沟道效应时，其阈值移动量也将变大。值移动量也将变大。n随着随着扩散结深扩散结深rj的变小，阈值移动量将减小，浅结可的变小，阈值移动量将减

22、小，浅结可以减小短沟道效应。以减小短沟道效应。n薄薄栅氧化层栅氧化层可以增大可以增大Co，阈值偏移量也将减小，从而，阈值偏移量也将减小，从而减小短沟道效应。减小短沟道效应。例例11.3计算由短沟道效应引起的阈值电压的变化计算由短沟道效应引起的阈值电压的变化n考虑一个考虑一个n沟道沟道MOSFET，参数如下：，参数如下：Na=3x1016cm-3，tox=200，设，设L=1um，rj=0.3um。求。求THVXdTXsXsXdXdtox求氧化层电容：求氧化层电容：147283.9 8.85 101.726 10/200 10OXoxCF cmt16103 10ln()0.0259ln0.376

23、1.5 10afpTiNVn14191644(11.7)(8.85 10)(0.376)0.18(1.6 10)(3 10 )fpdTaxmeN计算反型电势计算反型电势V VB B: :计算表面空间电荷区（耗尽区）厚度计算表面空间电荷区（耗尽区）厚度: :代入以下公式求代入以下公式求1916472( 11)(1.6 10)(3 10 )(0.18 10 ) 0.32(0.18) 111.726 101.00.50.0726jadTdTTHoxjreN xxVCLrV THV 可见阈值电压偏移为可见阈值电压偏移为-0.0726V,-0.0726V,是比较大的，需要在是比较大的，需要在器件建模及设

24、计中加以考虑。器件建模及设计中加以考虑。若采用若采用薄栅氧化层，低衬底掺杂，浅源漏结工艺参数薄栅氧化层，低衬底掺杂，浅源漏结工艺参数重新计算重新计算Na=3x10Na=3x101616cm-3cm-3，tox=200tox=200，设，设L=1.0umL=1.0um，rj=0.3umrj=0.3umNa=10Na=101616cm-3cm-3，tox=120tox=120，设，设L=0.75umL=0.75um，rj=0.25umrj=0.25um则：则：0.0726THVV 0.0469THVV 当沟道长度小于当沟道长度小于2um2um时，短沟道效应变的明显时，短沟道效应变的明显窄沟道效应窄

25、沟道效应n窄沟道效应窄沟道效应：当：当MOSFET的横向宽度的横向宽度W与沟道与沟道耗尽区宽度耗尽区宽度xdT可比拟时，在沟道宽度的两侧存可比拟时，在沟道宽度的两侧存在一个在一个附加的耗尽空间电荷区，导致器件的附加的耗尽空间电荷区，导致器件的VTH升高，且宽度升高，且宽度W越小，越小，VTH增加的越多。增加的越多。AQAQAAAQQQ2ATHfpOQVC 2ATHfpOQVC THTHVVAAQQAQAQ)/()2(2WLLxqNQdTAAdTAdTAAxqNWLWLxqNQWxCxqNVVVdTOdTATHTHTH2假设附加电荷区域为一个半假设附加电荷区域为一个半径为径为xdTxdT的四分之

26、一圆柱则：的四分之一圆柱则： 显然，随宽度显然，随宽度W W的逐渐变小，阈值的逐渐变小，阈值正向正向偏移量不可忽略，且越来越大。偏移量不可忽略，且越来越大。例例11.4设计沟道宽度使之窄沟效应限制在某一值设计沟道宽度使之窄沟效应限制在某一值n考虑一个考虑一个n沟沟MOSFET，参数如下：，参数如下：Na=3x1016cm-3，tox=200，假设附加电荷区域为四，假设附加电荷区域为四分之一圆柱，求沟道宽度分之一圆柱，求沟道宽度W最小值，使阈值电压偏移量限最小值，使阈值电压偏移量限制在制在0.2V.WxCxqNVVVdTOdTATHTHTH2解：解：由由得：得：TOXdTAVCxqNW)2(21

27、47283.9 8.85 101.726 10/200 10OXoxCF cmtmqNVxaBdT18. 0)103)(106 . 1 ()376. 0)(1085. 8)(7 .11(44161914由条件可知：由条件可知：所以：所以：21916427()(1.6 10)(3 10 )()(0.18 10 )22(1.726 10 )(0.2)0.708AdTOXTqNxWCVmn小结：窄沟道器件使小结：窄沟道器件使阈值变大，而短沟道阈值变大，而短沟道器件使阈值电压变小。器件使阈值电压变小。n同时受窄沟和短沟道同时受窄沟和短沟道效应影响的器件，不效应影响的器件，不是两个效应的简单叠是两个效应

28、的简单叠加，要建立更为精确加，要建立更为精确的三维模型进行计算。的三维模型进行计算。短沟道效应短沟道效应窄沟道效应窄沟道效应nMOSFET基本工作原理基本工作原理nMOSFET的频率限制特性的频率限制特性n非理想效应非理想效应nMOSFET按比例缩小理论按比例缩小理论n阈值电压修正阈值电压修正(小尺寸效应：短沟，窄小尺寸效应：短沟，窄沟）沟）nMOS击穿特性击穿特性MOSFET击穿特性击穿特性栅氧化层击穿栅氧化层击穿n栅氧化层击穿：当栅氧化层中的电场变得足够栅氧化层击穿：当栅氧化层中的电场变得足够大，击穿就会发生，对二氧化硅击穿时场强为大，击穿就会发生，对二氧化硅击穿时场强为6x106V/cm

29、左右。左右。例如：例如：VVbreakdowd301050010686tox=500时时 因氧化层中可能产生缺陷等，通常安全栅压低于因氧化层中可能产生缺陷等，通常安全栅压低于30V，若安全因子为，若安全因子为3，则上述结构安全栅压为，则上述结构安全栅压为10VMOSFET击穿特性击穿特性雪崩击穿雪崩击穿n雪崩击穿：漏极附近的空间电荷区离化可以造雪崩击穿：漏极附近的空间电荷区离化可以造成雪崩击穿。成雪崩击穿。倍增效应倍增效应22scritbreakdowdaEVeN衬底掺杂浓度衬底掺杂浓度临界击穿临界击穿场强场强例如：例如：P型衬底掺杂浓度型衬底掺杂浓度Na=3X1016cm-3，对应，对应击穿

30、电压为击穿电压为25v。但实际。但实际的雪崩击穿电压会低于该的雪崩击穿电压会低于该值。值。MOSFET击穿特性击穿特性雪崩击穿雪崩击穿 漏极是一个相当浅的扩漏极是一个相当浅的扩散区并发生弯曲，弯曲处电散区并发生弯曲，弯曲处电场有集中趋势，从而降低了场有集中趋势，从而降低了击穿电压。击穿电压。MOSFET击穿特性击穿特性寄生晶体管击穿寄生晶体管击穿n寄生晶体管击穿寄生晶体管击穿MOSFET击穿特性击穿特性寄生晶体管击穿寄生晶体管击穿n寄生寄生NPN晶体管的导通和击晶体管的导通和击穿导致穿导致mos器件的雪崩击穿器件的雪崩击穿曲线出现反转和负阻特性。曲线出现反转和负阻特性。n该现象涉及一个正反馈的

31、过该现象涉及一个正反馈的过程程MOSFET击穿特性击穿特性寄生晶体管击穿寄生晶体管击穿1 碰撞电离导致碰撞电离导致载流子倍增载流子倍增2 空穴空穴被扫入被扫入衬底衬底3 空穴电流造成的电势降落引空穴电流造成的电势降落引起源起源-衬底结的正偏衬底结的正偏4 附加的电子附加的电子注入并流到漏注入并流到漏1 碰撞电离导致碰撞电离导致载流子倍增载流子倍增2 空穴被扫入衬底空穴被扫入衬底3 空穴电流造成的电势降落引空穴电流造成的电势降落引起源起源-衬底结的正偏衬底结的正偏4 附加的电子附加的电子注入并流到漏注入并流到漏MMIICBOC1mBDDSCEVVM)/(11当反转击穿时当反转击穿时:/1MCI加

32、大加大M较小较小因而：因而：对对NPN晶体管晶体管DSCEV较小较小倍增因子倍增因子则则MOSFET击穿特性击穿特性源漏穿通效应源漏穿通效应n源漏穿通效应源漏穿通效应(漏诱导势垒降低漏诱导势垒降低DIBL）：漏）：漏-衬底空衬底空间电荷区间电荷区完全经过沟道区延展到完全经过沟道区延展到源源-衬底空间电荷区，衬底空间电荷区，此时源、漏之间的势垒完全消失，从而产生较大的此时源、漏之间的势垒完全消失，从而产生较大的电流。电流。例：计算理论上的穿通电压，假设例：计算理论上的穿通电压，假设pn结为突变结结为突变结n考虑一个考虑一个n沟沟MOSFET，源，漏掺杂浓度为，源，漏掺杂浓度为Nd=1019cm-3，Na=1016设沟道长度为设沟道长度为L=1.2um，源和体区接地。，