现代半导体器件第3章.ppt

1、3金属氧化物半导体场效应晶体管及相关器件，2008-2009，3.1简介：当金属氧化物半导体场效应晶体管的尺寸减小，电压降低，互补金属氧化物半导体工艺按比例缩小时，应在降低电源电压和提高器件性能和可靠性方面进行优化。3.2 MOSFET按比例缩小，环形振荡器的尺寸按比例缩小，级间延迟与电源电压之间的关系，扇入和扇出栅氧化层电容与电源电压、恒压按比例缩小，按比例缩小时，注意有效沟道长度、器件速度和漏极感应势垒下降的影响。结深、源漏电阻和结突变的设计过程是制备的问题。低电源电压下工作的局限性，高性能低功耗应用的降低规律，3.3 CMOS/BiCMOS3.3.1源漏结构，源漏寄生电阻：接触电阻，薄层

2、电阻，复合扩展电阻，积累电阻，接触电阻：薄层电阻：积累电阻和扩展电阻；栅极感应漏极势垒降低漏电流；源极/漏极提升结构；3.3.2通道结构；沟道杂质分布的优化设计：减少的短沟道效应；增加的驱动电流；保证可靠关机。非均匀沟道掺杂的开态电流与关态电流之比突然改变了沟道杂质分布的平面结构，并产生短沟道效应：随着沟道长度的减小，由于沟道中电荷的共享，由栅极电压控制的沟道电荷变少。阈值电压降低，沟道长度缩短引起的杂质浓度再分布增加，反型层的迁移率和界面陷阱对迁移率的影响通过向栅氧化层注入电荷来改变陷阱态密度，衬底掺杂对迁移率的影响，3.3.3栅极结构，材料：多晶硅/金属硅化物考虑尺寸效应，功函数不能视为退

3、化的N型或P型硅，沟道区不能视为经典半导体。量子效应：沟道电荷膜不完全在界面上。实际电容：统计方法和量子效应，3.3.4栅介质性能和栅氧化层厚度的测量。超薄栅氧化层的物理限制1。增加隧道电流引起的功耗问题2。隧道电流增大引起的可靠性问题。短沟道器件的直接隧穿、FN电流、栅电流特性优于长沟道器件。3.4可靠性3.4.1热载流子，n-金属氧化物半导体器件：与p-金属氧化物半导体器件不同，热载流子效应引起的可靠性问题：漏极端强场区的沟道电子获得能量并加速其运动进入栅氧化层，导致电荷注入栅氧化层并产生固定电荷，导致器件的阈值电压上升。经验公式：碰撞电离反馈效应，3.4.2电介质失效，机理：空穴或电子被

4、捕获在薄栅极二氧化硅中，导致氧化层击穿和绝缘层中的电流路径。摘要：积累电荷的隧穿电流和TDDB效应，3.5和3.5.1部分耗尽型soi MOSFET，SOI器件的优点部分耗尽型SOI(PD SOI)衬底浮置效应，消除衬底浮置效应的方法：1 .在通道中形成接触；2.减少多数载流子的寿命并减少累积电荷；3.在晶体管衬底区域中形成与源极端子直接连接的接触。4.控制源侧带隙以及源侧带隙工程对亚阈值摆幅的影响。完全耗尽绝缘体上硅金属氧化物半导体场效应晶体管。优点：1 .减少热载流子效应；2.提高驾驶能力；3.降低源漏寄生电容；4.减少短通道效应；各种结构的缩减系数；2.具有常规环形栅结构和背栅接地面结构

5、的双有效电场；3.6 .存储结构3.6.1动态随机存取存储器。单管动态随机存取存储器的结构要求：电容器能储存足够的电荷。动态随机存取存储器电容器：1。增加电容器面积：槽式电容器、圆顶电容器或冠状电容器；2.高介电常数材料、平面电容器、台面电容器和冠状电容器的比较；3.6.2静态随机存取存储器，静态随机存取存储器技术不能改善薄膜晶体管静态随机存取存储器单元；漏端轻掺杂方法提高了关态电流特性和电流驱动能力；单电子存储单元：基本工作原理：单电子进入硅岛形成的势阱库仑阻塞效应、3.6.3非易失性存储器以及非易失性存储器的存储信息可以在施加的电压被去除之后保持很长时间。分类：1 .可编程只读存储器2。电

6、子可编程只读存储器3。EEPROM 4。闪存EPROM、EEPROM器件编程模式、沟道热电子注入技术(CHEI)、漏极雪崩热载流子注入(DAHC)、衬底电流感应热电子技术(SCIHE)、沟道激发二次电子注入(CISEI)，CISEI是一种可以实现最低编程电压的方法，具有p型环晕结构、3.7低电压/低功耗器件、3.7.1低阈值电压器件，并降低功耗：器件尺寸减小，电源电压降低。1.改变晶体管偏置，使阈值电压可变或可调。(1)关态电流和驱动电流(2)有源比例系数(3)待机状态下的偏置电路(4)功耗(2)可变阈值电压器件，3.7.2低电压的噪声效应，电源电压和阈值电压降低引起的金属氧化物半导体中的1/f噪声：自由载流子数波动或迁移率波动引起的金属氧化物半导体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，pMOS器件中的噪声源于表面散射引起的迁移率波动，3.8总结与展望，发展趋势1。整个系统集成在一个芯片上。三维器件模型和仿真3。特征尺寸接近极限4。有机场效应晶体管5。单个晶体管构成复杂的电路功能。有机聚合物薄膜的沉积过程简单。6T材料：高开关态电流比的表面器件，6T是有源层薄膜晶体管的工作原理，6T和C60实现互补有机场效应晶