L04小尺寸MOSFET的特性

半导体器件原理主讲人：蒋玉龙

本部微电子学楼312室，65643768Email:211半导体器件原理主讲人：蒋玉龙1第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律2第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14.1.1MOSFET的短沟道效应（SCE）1.阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.漏感应势垒降低（DIBL）3.速度饱和效应4.亚阈特性退化5.热载流子效应34.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）1.现象短沟道效应窄沟道效应44.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因长沟道MOSFET短沟道MOSFETGCA：p-Sip-Si54.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因p-Si

VT

3.电荷分享模型(Poon-Yau)NMOS64.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)计算QB’/QB（电荷分享因子F）VDS=0NMOS74.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应54.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论QB’/QB（电荷分享因子F）dmax/xj较小时dmax/xj较大时经验参数（>1）1o

L

FVT

2o

tox

VT

3o

NA

dmax

F

VT

4o

xj

VT

84.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论QB’/QB（电荷分享因子F）当VDS>0时VDS

F

VT

抑制VTroll-off的措施：1o

xj

2o

NA

3o

tox

4o

VBS

5o

VDS

94.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）1.现象104.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应84.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）2.原因MOS“重新氧化”（RE-OX）工艺OED：氧化增强扩散114.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）3.分析单位：[C/cm2]横向分布的特征长度源（漏）端杂质电荷面密度单位：[C]124.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应104.1.4窄沟道效应（NEW）1.现象W

VT

短沟道效应窄沟道效应134.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应114.1.4窄沟道效应（NEW）2.边缘耗尽效应WQBQWSiO2dmaxxzy¼圆弧：一般地，引入经验参数GW144.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应124.1.4窄沟道效应（NEW）3.三种氧化物隔离结构的NWERaisedfield-oxideisolation：W

VT

LOCOS：W

VT

STI：WVT反窄沟道效应（inverseNWE）154.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应134.1.4窄沟道效应（NEW）4.杂质横向扩散的影响杂质浓度边缘高，中间低边缘不易开启随着W

VT

窄沟道效应164.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应144.1.5漏感应势垒降低1.现象L很小时，VDS

VT

DIBL因子174.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应154.1.5漏感应势垒降低2.原因(1)电荷分享VDS

F

VT

184.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应164.1.5漏感应势垒降低2.原因(2)电势的二维分布导带边Ec表面势特征长度VT=VDS很小VDS大194.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应174.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象长沟道短沟道IDSst

1/LIDSst

>1/LIDSst

与VDS无关VDS

IDSst

S

与L无关L

S长沟道MOSFET短沟道MOSFET204.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象短沟道MOSFET的亚阈摆幅214.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）均匀掺杂衬底VTadjustimplant224.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应194.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）

Vbi+7V电子浓度分布234.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应204.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施1o选择合适的NB：2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）244.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应214.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2o

PTIx3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施254.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应224.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施3oHaloimplantHaloimplant剂量上限漏结雪崩击穿264.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应234.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构1.最大漏电场Eymax饱和时tox和xj均以cm为单位降低Eymax措施tox

xj

VDS

VDD

新型漏结构Gradedpnjunction2.双扩散漏(DDD)P比As扩散系数大274.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应244.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构2.双扩散漏(DDD)双扩散漏结构(DDD)DDD应用范围：Lmin~1.5m（对于VDD=5V）284.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)294.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)LDD结构的电场分布普通：LDD：LDD应用范围：L

1.25m304.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律31第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1载流子速度饱和效应v不饱和区v饱和区v(Ey)=Ey<EsatEy

Esat324.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1载流子速度饱和效应长沟道、短沟道直流特性对比长沟道短沟道线性区IDS饱和条件饱和区334.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1载流子速度饱和效应短沟道MOSFET饱和区特性计算沟道中P点（速度达到vsat，电场达到Esat）的电流区I：区II：=344.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1载流子速度饱和效应短沟道MOSFET的直流特性线性区饱和区饱和条件：当Esat

L<<(VGS

VT)时，VGS

VT与L无关（gm与L无关）354.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1载流子速度饱和效应速度饱和效应对短沟道MOSFET的输出特性的影响长沟道速度未饱和短沟道速度饱和364.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1载流子速度饱和效应长沟道、短沟道MOSFET特性对比注：Eq.4-12374.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短沟道器件沟道中的电场1.突变结耗尽层近似模型对II区（VSR）的3条假设：只考虑VDS，不考虑VGS；可动电荷=0；突变结，P点为耗尽层边界.384.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短沟道器件沟道中的电场1.突变结耗尽层近似模型突变结耗尽层近似模型VSR压降=VDS

VDSsat或I区Ey(y)在P点不连续！394.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短沟道器件沟道中的电场2.恒定电场梯度模型(1)对假设作修改：拟合参数(2)对假设作修改：EsatVSR区中线性增加低估了漏端Ey(y)！404.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型考虑Eox(y’)准二维仍假设Ey(y’)是y’的函数，但不是x的函数.仍考虑可动电荷应用高斯定理对y’求导414.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短沟道4.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型这里边界条件424.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短沟道VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性124.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型在漏端（y’=L）指数上升规律=当(VDS

VDSsat)/l>>Esat时43VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型实际

l需用经验公式修正l=tox15nmtox<15nm444.2小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短沟道第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律45第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.3MOSFET的按比例缩小规律14.3.1按比例缩小规律概述Moore’sLawContinuesTransistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor464.3MOSFET的按比例缩小规律14.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律24.3.1按比例缩小规律概述TransistorGateLengthScaling474.3MOSFET的按比例缩小规律24.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律34.3.1按比例缩小规律概述InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductors484.3MOSFET的按比例缩小规律34.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律44.3.1按比例缩小规律概述(1)Whyminiaturization?速度功耗集成度功能价格/功能(2)Howminiaturization?Scalingaccordingtosomerules.494.3MOSFET的按比例缩小规律44.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律54.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling尺寸缩小到1/电压缩小到1/电场不变！504.3MOSFET的按比例缩小规律54.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律64.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScaling同理验证泊松方程514.3MOSFET的按比例缩小规律64.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律74.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling一般地，但当时，则电流密度I/A假设VT也可以按1/scaling524.3MOSFET的按比例缩小规律74.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律84.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling沟道电阻同理RC延迟时间功耗功耗密度P/A11电路密度534.3MOSFET的按比例缩小规律84.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律94.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRuleRequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=VA/Results(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=

(x,y)/DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/544.3MOSFET的按比例缩小规律94.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律104.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRule(cont.)DraincurrentI’=I/NotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=(I/A)ChannelresistanceR’=RResults(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/PowerIVP’=P/2PowerdensityP/AP’/A’=P/ACircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=VT/NotvalidBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid554.3MOSFET的按比例缩小规律104.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律114.3.2MOSFET的scaling规则2.恒电压(CV)scaling1o为了应用和标准化，VDD不能连续scaling，VDD=5.0V0.8m2o

VT和Vbiscaling困难目的尺寸缩小到1/电压不变电场增大到倍做法问题：高场造成迁移率下降、热载流子效应……564.3MOSFET的按比例缩小规律114.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalizedscaling做法：尺寸缩小到1/电场增加到倍（通常1）恒电场：=1恒电压：=……功耗密度P/A574.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)RequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=(/)VAResults(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=(/)

(x,y)DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/584.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律134.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)(cont.)DraincurrentI’=(2/)INotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=2(I/A)ChannelresistanceR’=R/Results(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/()PowerIVP’=(3/2)PPowerdensityP/A(P’/A’)=3(P/A)HeavyburdenCircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=(/)VTMorevalidthaninCEBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid594.3MOSFET的按比例缩小规律134.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律144.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingPowerDissipationProblem604.3MOSFET的按比例缩小规律144.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律154.3.2MOSFET的scaling规则4.亚阈值scaling(Subthresholdscaling)强反型（ON态）IDS可以scaling：(CEscaling)(Generalizedscaling)弱反型（OFF态）IDSst不能scaling.614.3MOSFET的按比例缩小规律154.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律164.3.2MOSFET的scaling规则4.亚阈值scaling(Subthresholdscaling)SubthresholdScaling用亚阈特性（不变坏）作为准则来scaling器件长沟道MOSFET：IDSst基本上与VDS无关；短沟道MOSFET：IDSst与VDS有关.经验准则当VDS增加0.5V，IDSst的增加<10%：长沟道>10%：短沟道经验公式：[m][Å][m]0.4Å1/3[m]长沟道短沟道624.3MOSFET的按比例缩小规律164.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律174.3.3Scaling的限制及对策（新结构）1.xjxj

RS,RD

gD(线性),gm(饱和)对策：自对准金属硅化物技术Salicide（Self-alignedsilicide）634.3MOSFET的按比例缩小规律174.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律184.3.3Scaling的限制及对策（新结构）2.toxFowler-Nordheim隧穿电流：要求：Jg<Jpn例如，Jgmax=1010A/cm2，则Eoxmax=5.8MV/cm~几十Å644.3MOSFET的按比例缩小规律184.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律194.3.3Scaling的限制及对策（新结构）2.toxHigh-kGateDielectricHigh-kdielectricsprovidehighercapacitanceandreducedleakageEOT(EffectiveOxideThickness)654.3MOSFET的按比例缩小规律194.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律204.3.3Scaling的限制及对策（新结构）3.WS,WD

(1)Nch和VT的scalingWS,WD

NA

VT

或至少不上升NA

VT

Scaling困难解决方法Non-uniformdoping(Retrogradedwelldoping)

NAxNchNsubdchxNchdchExdmax强反型定义：Vs=2VB,ch664.3MOSFET的按比例缩小规律204.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律214.3.3Scaling的限制及对策（新结构）3.WS,WD

(2)Eymax漏结击穿~0.6MV/cm漏端热载流子效应要求Eymax0.2MV/cmScaling措施：LDD674.3MOSFET的按比例缩小规律214.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律224.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来45nmHK+MGSiGeS/D(StrainedSi)High-KlayerMetalgateCopper/Low-KM8810nmM7560nmM6360nm

M5280nmM4240nmM3160nmM2160nmM1160nmLow-kCuLayer

Pitch684.3MOSFET的按比例缩小规律224.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律234.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来PlanarCMOSTransistorScalingDST(DepletedSubstrateTransistor)694.3MOSFET的按比例缩小规律234.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律244.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来SOIMOSFETDST(DepletedSubstrateTransistor)FullyDepleted(FD-)SOIMOSFETLg=65nm75mV/dec95mV/dec704.3MOSFET的按比例缩小规律244.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律254.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来Non-PlanarCMOSTransistorsDoubleGateFinFETTri-GateTransistor714.3MOSFET的按比例缩小规律254.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律264.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来TheIdealMOSTransistor724.3MOSFET的按比例缩小规律264.3.3Sca4.3MOSFET的按比例缩小规律224.3.3Scaling的限制及对策（新结构）4.现状和未来晶体管尺寸持续快速缩小734.3MOSFET的按比例缩小规律224.3.3ScaIt’stheendofthiscourse,butnottheendofsemiconductordevices.74It’stheendofthiscourse,7半导体器件原理主讲人：蒋玉龙

本部微电子学楼312室，65643768Email:2175半导体器件原理主讲人：蒋玉龙1第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律76第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14.1.1MOSFET的短沟道效应（SCE）1.阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.漏感应势垒降低（DIBL）3.速度饱和效应4.亚阈特性退化5.热载流子效应774.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）1.现象短沟道效应窄沟道效应784.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因长沟道MOSFET短沟道MOSFETGCA：p-Sip-Si794.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）2.原因p-Si

VT

3.电荷分享模型(Poon-Yau)NMOS804.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)计算QB’/QB（电荷分享因子F）VDS=0NMOS814.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应54.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论QB’/QB（电荷分享因子F）dmax/xj较小时dmax/xj较大时经验参数（>1）1o

L

FVT

2o

tox

VT

3o

NA

dmax

F

VT

4o

xj

VT

824.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2阈值电压“卷曲”（VTroll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论QB’/QB（电荷分享因子F）当VDS>0时VDS

F

VT

抑制VTroll-off的措施：1o

xj

2o

NA

3o

tox

4o

VBS

5o

VDS

834.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）1.现象844.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应84.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）2.原因MOS“重新氧化”（RE-OX）工艺OED：氧化增强扩散854.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3反常短沟道效应（RSCE/VTroll-up）3.分析单位：[C/cm2]横向分布的特征长度源（漏）端杂质电荷面密度单位：[C]864.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应104.1.4窄沟道效应（NEW）1.现象W

VT

短沟道效应窄沟道效应874.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应114.1.4窄沟道效应（NEW）2.边缘耗尽效应WQBQWSiO2dmaxxzy¼圆弧：一般地，引入经验参数GW884.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应124.1.4窄沟道效应（NEW）3.三种氧化物隔离结构的NWERaisedfield-oxideisolation：W

VT

LOCOS：W

VT

STI：WVT反窄沟道效应（inverseNWE）894.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应134.1.4窄沟道效应（NEW）4.杂质横向扩散的影响杂质浓度边缘高，中间低边缘不易开启随着W

VT

窄沟道效应904.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应144.1.5漏感应势垒降低1.现象L很小时，VDS

VT

DIBL因子914.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应154.1.5漏感应势垒降低2.原因(1)电荷分享VDS

F

VT

924.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应164.1.5漏感应势垒降低2.原因(2)电势的二维分布导带边Ec表面势特征长度VT=VDS很小VDS大934.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应174.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象长沟道短沟道IDSst

1/LIDSst

>1/LIDSst

与VDS无关VDS

IDSst

S

与L无关L

S长沟道MOSFET短沟道MOSFET944.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性1.现象短沟道MOSFET的亚阈摆幅954.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）均匀掺杂衬底VTadjustimplant964.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应194.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）

Vbi+7V电子浓度分布974.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应204.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施1o选择合适的NB：2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）984.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应214.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性2o

PTIx3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施994.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应224.1.6短沟道MOSFET的亚阈特性3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施3oHaloimplantHaloimplant剂量上限漏结雪崩击穿1004.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应234.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构1.最大漏电场Eymax饱和时tox和xj均以cm为单位降低Eymax措施tox

xj

VDS

VDD

新型漏结构Gradedpnjunction2.双扩散漏(DDD)P比As扩散系数大1014.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应244.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构2.双扩散漏(DDD)双扩散漏结构(DDD)DDD应用范围：Lmin~1.5m（对于VDD=5V）1024.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)1034.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)LDD结构的电场分布普通：LDD：LDD应用范围：L

1.25m1044.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律105第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1载流子速度饱和效应v不饱和区v饱和区v(Ey)=Ey<EsatEy

Esat1064.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1载流子速度饱和效应长沟道、短沟道直流特性对比长沟道短沟道线性区IDS饱和条件饱和区1074.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1载流子速度饱和效应短沟道MOSFET饱和区特性计算沟道中P点（速度达到vsat，电场达到Esat）的电流区I：区II：=1084.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1载流子速度饱和效应短沟道MOSFET的直流特性线性区饱和区饱和条件：当Esat

L<<(VGS

VT)时，VGS

VT与L无关（gm与L无关）1094.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1载流子速度饱和效应速度饱和效应对短沟道MOSFET的输出特性的影响长沟道速度未饱和短沟道速度饱和1104.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1载流子速度饱和效应长沟道、短沟道MOSFET特性对比注：Eq.4-121114.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1载流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短沟道器件沟道中的电场1.突变结耗尽层近似模型对II区（VSR）的3条假设：只考虑VDS，不考虑VGS；可动电荷=0；突变结，P点为耗尽层边界.1124.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短沟道器件沟道中的电场1.突变结耗尽层近似模型突变结耗尽层近似模型VSR压降=VDS

VDSsat或I区Ey(y)在P点不连续！1134.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短沟道器件沟道中的电场2.恒定电场梯度模型(1)对假设作修改：拟合参数(2)对假设作修改：EsatVSR区中线性增加低估了漏端Ey(y)！1144.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短沟道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型考虑Eox(y’)准二维仍假设Ey(y’)是y’的函数，但不是x的函数.仍考虑可动电荷应用高斯定理对y’求导1154.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短沟道4.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型这里边界条件1164.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短沟道VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性124.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型在漏端（y’=L）指数上升规律=当(VDS

VDSsat)/l>>Esat时117VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型实际

l需用经验公式修正l=tox15nmtox<15nm1184.2小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短沟道第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例缩小规律119第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短沟4.3MOSFET的按比例缩小规律14.3.1按比例缩小规律概述Moore’sLawContinuesTransistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor1204.3MOSFET的按比例缩小规律14.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律24.3.1按比例缩小规律概述TransistorGateLengthScaling1214.3MOSFET的按比例缩小规律24.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律34.3.1按比例缩小规律概述InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductors1224.3MOSFET的按比例缩小规律34.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律44.3.1按比例缩小规律概述(1)Whyminiaturization?速度功耗集成度功能价格/功能(2)Howminiaturization?Scalingaccordingtosomerules.1234.3MOSFET的按比例缩小规律44.3.1按比例缩4.3MOSFET的按比例缩小规律54.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling尺寸缩小到1/电压缩小到1/电场不变！1244.3MOSFET的按比例缩小规律54.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律64.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScaling同理验证泊松方程1254.3MOSFET的按比例缩小规律64.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律74.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling一般地，但当时，则电流密度I/A假设VT也可以按1/scaling1264.3MOSFET的按比例缩小规律74.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律84.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scaling沟道电阻同理RC延迟时间功耗功耗密度P/A11电路密度1274.3MOSFET的按比例缩小规律84.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律94.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRuleRequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=VA/Results(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=

(x,y)/DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/1284.3MOSFET的按比例缩小规律94.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例缩小规律104.3.2MOSFET的scaling规则1.恒电场(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRule(cont.)DraincurrentI’=I/NotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=(I/A)ChannelresistanceR’=RResults(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/PowerIVP’=P/2PowerdensityP/AP’/A’=P/ACircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=VT/NotvalidBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid1294.3MOSFET的按比例缩小规律104.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律114.3.2MOSFET的scaling规则2.恒电压(CV)scaling1o为了应用和标准化，VDD不能连续scaling，VDD=5.0V0.8m2o

VT和Vbiscaling困难目的尺寸缩小到1/电压不变电场增大到倍做法问题：高场造成迁移率下降、热载流子效应……1304.3MOSFET的按比例缩小规律114.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalizedscaling做法：尺寸缩小到1/电场增加到倍（通常1）恒电场：=1恒电压：=……功耗密度P/A1314.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)RequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=(/)VAResults(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=(/)

(x,y)DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/1324.3MOSFET的按比例缩小规律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律134.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)(cont.)DraincurrentI’=(2/)INotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=2(I/A)ChannelresistanceR’=R/Results(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/()PowerIVP’=(3/2)PPowerdensityP/A(P’/A’)=3(P/A)HeavyburdenCircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=(/)VTMorevalidthaninCEBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid1334.3MOSFET的按比例缩小规律134.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律144.3.2MOSFET的scaling规则3.准恒电压(QCV)scaling-GeneralizedscalingPowerDissipationProblem1344.3MOSFET的按比例缩小规律144.3.2MOS4.3MOSFET的按比例缩小规律154.3.2MOSFET的scaling规则