第11章 MOSFET概念深入.ppt

1、第十一章MOSFET概念的深入,2015-12,第11章MOSFET概念的深入,111非理想效应 112 MOSFET按比例缩小理论 113阈值电压的修正 114附加电学特性 115辐射和热电子效应*,2,11.1 非理想效应,与理想推导和实验结果偏离的五种效应： （1）亚阈值电导 （2）沟道长度调制 （3）沟道迁移率的变化 （4）速度饱和 （5）弹道输运,11.1 非理想效应 亚阈值电流: 定义,亚阈值电流： VGSVT时的电流称为亚阈值电流。,4,理想伏安特性，当栅源电压 时，漏电流ID为0； 实际实验中，当 时，ID不为0；,11.1 非理想效应 亚阈值电流: 比较,施加小的漏电压时，n

2、沟道MOSFET沟道表面势示意图,堆积状态：势垒很高电子无法跃过无法形成表面电流；,弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越过势垒形成亚阈值电流；,强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流。,5,11.1 非理想效应 亚阈值电流: 电压特性,IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。,6,11.1 非理想效应 沟道长度调制效应:机理,7,当MOSFET偏置在饱和区时，漏端的耗尽区横向延伸而进入沟道，从而减小了有效沟道长度。,12.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型1,视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展,8,

3、12.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型2,9,12.1 非理想效应 沟道长度调制效应:影响因素,ID的实测值高于理论值,在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加,10,11.1 非理想效应迁移率变化:纵向电场的影响(1),表面散射,11,11.1 非理想效应迁移率变化:纵向电场的影响(2),体迁移率(典型值600cm2/Vs, NMOS）,表面迁移率,典型值0.03,随VGS-VTn而变缓,有效迁移率：,有效迁移率经验表达式：,12,12.1 非理想效应迁移率变化:漂移速度与电场的关系,峰值电场强度,峰值漂移速度,饱和漂移速度,13,11.1 非理想效应 迁移率变化:Si的情形,低场：迁

4、移率不随E而变,高场：迁移率随E增加而下降,强场：迁移率与E成反比,14,11.1 非理想效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形,与Si相比，GaAs、InP的特点： 存在漂移速度峰值 迁移率大 存在负微分迁移率区 饱和漂移速度小,15,11.1 非理想效应12.1.4迁移率变化:速度饱和效应,漏源电流下降,提前饱和,饱和漏源电流与栅压成线性关系,饱和区跨导与偏压及沟道长度无关,截止频率与栅压无关,16,11.1 非理想效应 弹道输运,非弹道输运MOSFET 沟道长度L0.1m，大于散射平均自由程； 载流子从源到漏运动需经过多次散射； 载流子运动速度用平均漂移速度表征； 弹道输运MOSFET

5、 沟道长度L0.1m，小于散射平均自由程； 载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运； 高速器件、纳米器件；,17,在MOSFET中，当沟道长度小于载流子的碰撞距离时，载流子中的一大部分可以不经过散射就能从源端到达漏端，这种载流子运动称为弹道输运。,11.2 按比例缩小 为什么要缩小MOSFET尺寸?,提高集成度：同样功能所需芯片面积更小； 提升功能：同样面积可实现更多功能； 降低成本：单管成本降低； 改善性能：速度加快，单位功耗降低；,若尺寸缩小30，则 栅延迟减少30，工作频率增加43； 单位面积的晶体管数目加倍； 每次切换所需能量减少65，节省功耗50；,18,完全按比例缩小(Fu

6、ll Scaling) 尺寸与电压按同样比例缩小； 电场强度保持不变； 最为理想，但难以实现；,11.2 按比例缩小 缩小方式,恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling) 尺寸按比例缩小，电压保持不变； 电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重；,一般化按比例缩小(General Scaling) 尺寸和电场按不同的比例因子缩小； 迄今为止的实际做法；,19,11.2 按比例缩小 完全按比例缩小:规则,20,11.2 按比例缩小 完全按比例缩小:结果,21,11.2 按比例缩小 完全按比例缩小:小结,22,11.3 阈值电压修正 VT与L、W的相关性,23,11.3 阈值电压

7、修正VT随L的变化:表面空间电荷 短沟道效应,24,11.3 阈值电压修正 VT随L的变化:L的计算,源-体结空间电荷区宽度,表面空间电荷区宽度,漏-体结空间电荷区宽度,源、漏pn结结深,25,若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少,11.3 阈值电压修正 VT随L的变化:VT的计算,26,11.3 阈值电压修正 VT随L的变化:关系曲线,VBS0,27,11.3 阈值电压修正 VT随W的变化:表面电荷 窄沟道效应,28,若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加,11.3 阈

8、值电压修正 VT随W的变化:VT的计算,29,11.3 阈值电压修正 VT随W的变化:关系曲线,30,11.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:原理,p型半导体表面注入受主杂质Na（如B）半导体表面净掺杂浓度表面更难以反型VT,受主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）半导体表面净掺杂浓度表面更容易反型VT,施主注入剂量（单位面积注入的离子数）,注入前的阈值电压,31,11.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:注入杂质分布,1、Delta函数型分布,2、阶跃函数型分布,3、高斯函数型分布： 更接近实际情况，分析较复杂。,平均注入掺杂浓度,注入

9、前的掺杂浓度,平均注入掺杂浓度,注入前的掺杂浓度,注入深度,反型时，xdTxI,VT由DI决定；,32,11.4 击穿特性 MOSFET主要击穿机构,。,漏源击穿BVDS：漏pn结击穿，与VDS、VGS均有关,栅源击穿BVGS：栅氧化层击穿，只与VGS有关,33,11.4 击穿特性 栅-源介质击穿,击穿现象 VGSBVGS氧化层电场强度Eox临界电场强度EB(0.51)x107V/cm时，氧化层发生介电击穿 当氧化层厚度50nm时，BVGS=30V，若EB6x106V/cm，则要求工作电压VGS10V（安全余量为3） 击穿过程 针孔凹坑空洞崩塌 电流I温度T电流I，形成热电正反馈 击穿场强的来

10、源 栅压VGS：EoxVGS/tox 栅感应电荷QI：EoxQI/toxCox,34,11.4 击穿特性 漏pn结击穿,35,漏极是一个相当浅的扩散区并发生弯曲，耗尽区的电场在弯曲处有集中的趋向。,11.4 击穿特性 沟道雪崩倍增效应,发自S端的载流子（形成电流IS）受沟道电场的加速在D端附近发生雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入ID），产生的空穴注入衬底（产生Isub）,雪崩倍增形成条件： 短沟道：L越短，沟道电场越强 n沟道：空穴的碰撞电离率小于电子，产生雪崩倍增的临界电场强度大于电子,36,11.4 击穿特性 寄生晶体管效应,37,11.4 击穿特性 源漏穿通效应,空间电荷区交接，势垒

11、消失了，漏电流增大,38,短沟道器件穿通特性曲线,11.4 击穿特性 源漏穿通效应,39,11.4 击穿特性 轻掺杂漏(LDD)晶体管,传统结构,LDD结构,漏区掺杂浓度较高且分布梯度较陡,漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓,降低了电场峰值及分布梯度,40,DMOS(双扩散MOSFET) 埋沟MOSFET SOI结构(绝缘体上硅) 将器件制作在绝缘膜或绝缘衬底上形成的单晶硅上。,11.4 击穿特性,41,11.5 可靠性效应 MOSFET的辐射效应,辐射产生氧化层电荷,辐射产生界面态,x射线、射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴,辐射产生的电子在SiO2中很快移

12、出栅极（迁移率20cm2/Vs）,辐射产生的空穴通过SiO2的随机跃迁缓慢地向Si-SiO2界面移动（迁移率10-410-11cm2/Vs）,到达Si-SiO2界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘获，呈现正的空间电荷，使VT向负方向移动,离化辐射打开Si-SiO2界面的饱和键，产生界面陷阱。在禁带下部为施主态，上部为受主态，可部分补偿辐射引入的正氧化层电荷对VT的影响,42,11.5 可靠性效应 辐射产生氧化层电荷:特性1,正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动，且栅压VG中途未被复合而最终到达Si-SiO2界面附近且被陷阱俘获的空穴数引入的附加正电荷量平带电压漂移量|V

13、fb|,当Si-SiO2界面附近的空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移量趋于饱和,负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随VG的变化而变化,43,11.5 可靠性效应 辐射产生氧化层电荷:特性2,p沟道MOSFET：导通电压为负栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果弱,n沟道MOSFET：导通电压为正栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果强,辐射剂量很高时，辐射引入的界面态产生，阈值电压变化反转。,44,11.5 可靠性效应 辐射产生界面态:特性1,亚阈值电流（A）,在亚阈区，ID-VGS曲线的斜率是界面态密度的函数,辐射总剂量越大，则引入的界面态密度越大,不同总离化辐射剂量

14、下的亚阈值电流与栅压的函数关系,45,11.5 可靠性效应 辐射产生界面态:特性2,界面态的生成还会受氧化层电场的影响。,离化辐照后，界面态密度逐渐上升，并在1001000s后才能达到其稳定值,46,11.5 可靠性效应 热电子效应,在漏区附近的沟道中因雪崩倍增产生的高能电子，有可能受正栅压所产生的纵向电场作用，越过Si-SiO2界面势垒，进入SiO2层中，此电子的能量比热平衡是要高很多，因此称为热电子。,产生栅电流（pAfA量级）。 产生负的充电效应，引入负氧化层电荷，使VT正向漂移。 热电子能量较大会产生附加的界面态，使迁移率及跨导下降。,作用：,47,11.6 小结 1,MOSFET在弱反型区存在所谓“亚阈值电流”。该电流与栅源电压及漏源电压呈指数关系。 MOSFET在饱和区的有效沟道长度随漏源电压的增加而增加，导致漏源电流略微增加，形成所谓“沟道长度调制效应”。此效应在短沟道和低掺杂衬底中才显著。 沟道迁移率随沟道横向电场和纵向电场的增加而下降。在强的横向电场下，载流子在沟道中的漂移速度将会达到饱和，此时漏源电流与栅源电压呈线性关系。,48,11.6 小结 2,缩小M