现代半导体器件第3章

1、3 MOSFET及相关器件20082009年度3.1 引言lMOSFET的尺寸缩小和电压降低lCMOS工艺l按比例缩小的时，应该同时在降低电源电压，提高器件性能和可靠性等方面进行折衷优化。3.2 MOSFET按比例缩小环形振荡器的尺寸缩小问题l级间延迟和电源电压关系l扇入和扇出l栅氧化层电容和电源电压恒压按比例缩小规则l等比例缩小时，注意有效沟道长度，器件速度和漏致势垒下降的影响。l结深，源漏电阻和结的突变性的设计l工艺制备的问题l低电源电压下工作的限制1234/cTDoxSDjLBfVVftCfWDfxE1/32minj oxSDLA x t W0.152.9SDiWmxm0.3722.2/

2、0.012cTDoxLmVVtml综合考虑高性能与低功耗应用的缩小规则3.3 CMOS/BiCMOS3.3.1 源区和漏区结构l源漏寄生电阻：接触电阻，薄层电阻，复合扩展电阻，积累电阻l接触电阻：l薄层电阻：l积累电阻和扩展电阻l栅致漏端势垒降低泄漏电流l源漏抬高结构/coshcjRrw /shshshiRS Wx4 /ln/2acspchjchRRpWrr3.3.2 沟道结构l优化设计沟道杂质分布：减小短沟道效应影响，增大驱动电流，保证可靠关断。l非均匀沟道掺杂l导通电流与关态电流之比l突变沟道杂质分布地平面结构l短沟道效应：随着沟道长度减小，由于沟道中电荷共享作用，栅压所能控制的沟道电荷变

3、少。阈值电压减小l沟道长度缩短引起的杂质浓度再分布阈值电压增大反型层迁移率l界面陷阱对迁移率的影响 通过向栅氧化层中注入 电荷改变陷阱态密度 ./c ititsitDNDl衬底掺杂对迁移率的影响./c subsANN3.3.3 栅结构l材料：多晶硅/金属硅化物l考虑到尺寸效应，不能将功函数取为简并的n型或p型硅的数值，沟道区也不能视为经典半导体。l量子效应：沟道电荷薄膜不完全处于界面l实际电容：1111gatcoxpsCCCC/oxoxoxCtl统计方法和量子效应的影响3.3.4 栅的介电性能l栅氧化层厚度的测量l超薄栅氧化层的物理限制 1.隧穿电流增加引起的功耗问题 2.隧穿电流增加引起的可

4、靠性问题l直接隧穿lFN电流（Fowler-Nordheim）2exp/oxoxJABl短沟道器件的栅电流特性优于长沟道器件l栅电流正比于沟道长度，漏电流随沟道长度减小而增加。3.4 可靠性 3.4.1 热载流子ln-MOS器件：与p-MOS器件相区别热载流子效应引起的可靠性问题： 漏端强场区的沟道电子获得能量，加速向栅氧化层中运动，导致电荷注入到栅氧化层并产生固定电荷，引起器件阈值电压上升。l经验公式：l碰撞电离反馈效应nTAtdV 3.4.2 介质失效l机制：空穴或电子陷落在薄栅二氧化硅中，导致氧化层击穿和绝缘层中产生电流通路。l积累电荷量l隧穿电流和TDDB效应3.5 SOI和三维结构3

5、.5.1 部分耗尽的SOI MOSFETlSOI器件的优点l部分耗尽SOI（PD SOI）l衬底浮置效应l衬底浮置效应的消除方法：1.在沟道中形成接触2.降低多数载流子寿命降低积累电荷量3.在晶体管衬底区形成与源端直接相连的接触。4.控制源端带隙l源端带隙工程对亚阈值摆幅的影响全耗尽SOI MOSFETl优点：l1 降低热载流子效应 2 增强驱动能力 l3 减小源漏寄生电容 4 降低短沟道效应各种结构按比例缩小因子l常规结构l环栅结构l背栅l地平面结构/sioxsi oxt t/2sioxsi oxt t/2/ 1/sioxsi oxsi oxox sit ttt有效电场增加一倍3.6存储结构

6、3.6.1 DRAMl单管DRAM结构要求：电容能存储足够的电荷，保证在刷新周期内可维持存储状态。lDRAM电容：1.增大电容面积：槽状电容，穹状或者冠状电容2.高介电常数的材料/ioxCA t平面，台状和冠状电容比较3.6.2 SRAMlSRAM技术改进不大lTFT薄膜晶体管（Thin-Film transistor）lSRAM单元l漏端轻掺杂方法 改善关态电流特性，提高电流驱动能力l单电子存储单元：利用一个电子存储一位信息的结构。l基本工作原理：使单电子进入硅岛粒子形成的势阱中，电子对硅岛充电后引起的TFT阈值电压变化，达到一个能够存储信息的稳定状态。库伦阻塞效应3.6.3非挥发性存储器（

7、Nonvolatile Memory ）l非挥发性存储器的存储信息在外加电压撤除后仍能长期保持。l分类：1.PROM 可编程只读存储器2.EPROM 电可编程只读存储器3.EEPROM4.闪存EPROMEEPROM的器件编程方式l沟道热电子注入技术（CHEI）l漏端雪崩热载流子注入（DAHC）l衬底电流感应热电子技术（SCIHE）l沟道激发二次电子注入（CISEI）lCISEI是能够实现编程电压最低的方法12GDSIIM M TP型环状晕圈结构3.7 低压/低功耗器件3.7.1 低阈值电压器件l降低功耗：器件尺寸缩小和电源电压降低1.改变晶体管偏置使得阈值电压可变或可调节。(1)关态电流和驱动电流(2)活性比例系数(3)待机状态的偏置电路(4)功耗2.可变阈值电压器件3.7.2 低电压的噪声效应l电源电压和阈值电压降低的影响lMOS中的1/f噪声：自由载流子数量的涨落或迁移率的涨落产生的lnMOS器件中的噪声源于沟道中电子的再分布和氧化界面附近陷阱的再分布lpMOS器件中的噪声源于表面散射引起的迁移率涨落2/GSGNf3.8总结与展望l发展趋势1.整个系统集成在一个芯片上（SOC）2.三维器件模型与模拟3.特征尺寸逼近极限4.有机场效应晶体管5.单晶体管构成复杂电路功能l有机聚合物薄膜的淀积工艺简单l6T材料：高开关态电流比 表面器件l6T为有源层的TFT工作原理6T和C60实