复旦大学半导体器件原理讲义L04-小尺寸MOSFET的特性.pdf

1/74 半导体器件原理半导体器件原理 主讲人：蒋玉龙主讲人：蒋玉龙 本部微电子学楼312室，65643768 Email: yljiang 21 2/74 第四章 小尺寸MOSFET的特性 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律 3/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1 4.1.1 MOSFET 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 4/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2 4.1.2 阈值电压“卷曲”（VTroll-off） 1. 现象 短沟道效应 窄沟道效应 5/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应3 4.1.2 阈值电压“卷曲”（VTroll-off） 2. 原因 长沟道 MOSFET短沟道 MOSFET s yx x yx ),(),( 2 2 = s yx y yx x yx ),(),(),( 2 2 2 2 = + GCA：0 ),( 2 2 y yx p-Sip-Si 0 ),( 2 2 = y yx 6/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4 4.1.2 阈值电压“卷曲”（VTroll-off） 2. 原因 2 2 2 2 ),(),(),( y yxyx x yx s = s eff yx ),( p-Si AeffA NN1） +=1 2 12 2/1 max j j BSBTTT x d L x VVVVV () BSB ox ox s VV L t +=22 BSB VV L d +=2 max 1oLF VT2otoxVT 3oNAdmaxFVT 4oxjVT 9/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6 4.1.2 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 ()() ox BSBAsDS T LC VVNqyy V 5 . 0+ = 2 1 1 DS B B yy LQ Q F + = VDSFVT 抑制 VTroll-off 的措施： 1oxj 2oNA 3otox 4oVBS 5oVDS 10/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应7 4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VTroll-up） 1. 现象 11/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应8 4.1.3 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 12/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应9 4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VTroll-up） 3. 分析 () 00 exp)(GyQyQ fsfs = 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 () 0 00 2exp1 2 GL LC GQ ox fs = LWC Q V ox FS T = () 000 2/ 0 2exp12)(2GLWGQdyyQWQ fs L fsFS = 13/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应10 4.1.4 窄沟道效应（NEW） 1. 现象 WVT 短沟道效应 窄沟道效应 14/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应11 4.1.4 窄沟道效应（NEW） 2. 边缘耗尽效应 BSBBFBT VVVVV+=22 , 宽沟 ox B C Q ox W BSBBFBT C Q VVVVV+=22 , 窄沟 W d dW d Q Q B Wmax max 2 max 2 2 1 = = W QB QW SiO2 dmax x z y 圆弧： 一般地，引入经验参数 GW W d G Q Q W B Wmax = 15/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应12 4.1.4 窄沟道效应（NEW） 3. 三种氧化物隔离结构的 NWE Raised field-oxide isolation： WVTLOCOS： WVT STI： W VT 反窄沟道效应（inverse NWE） 16/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应13 4.1.4 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 WVT 窄沟道效应 17/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14 4.1.5 漏感应势垒降低 1. 现象 L 很小时， VDSVT DSTDST VVVV=)0()( DIBL 因子 18/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15 4.1.5 漏感应势垒降低 2. 原因 (1) 电荷分享 +1 2 1 2 2/1 j D j x y L x +=1 2 1 2 1 2/1 j S j B B x y L x Q Q F 2 1 1 DS yy L + () BSbi A s S VV qN y+= 2 () BSDSbi A s D VVV qN y+= 2 VDSFVT ()() ox BSBAsDS T LC VVNqyy V 5 . 0+ = 19/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应16 4.1.5 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() () () () () ()lL lyL VV lL ly VVVVyV sLbisLDSbisLs sinh sinh sinh sinh )( += 特征长度 ox oxs td l max = VT= ()()()lLlLVVV DSBbi +exp22exp22 VDS很小 ()()()()()lLVVVVlLVVV BbiBbiDSBbi 2exp222exp23+ VDS大 20/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应17 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 1. 现象长沟道短沟道 IDSst 1/LIDSst 1/L IDSst与 VDS无关VDSIDSst S 与 L 无关LS 长沟道 MOSFET短沟道 MOSFET 21/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 1. 现象 短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅 22/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 2. 原因 PTDSstDSst III+= )(,扩散短沟 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough） 均匀掺杂衬底VTadjust implant 23/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应19 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough） Vbi+ 7 V 电子浓度分布 24/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough） 3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 1o选择合适的 NB：10 chB NN = 2o做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI） 25/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应21 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 2oPTI10ln q kT nS = x 3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 26/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应22 4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性 3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3oHalo implant Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿 27/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应23 4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构 1. 最大漏电场 Eymax 饱和时() 3/13/1 max 22 . 0 joxDSsatDSy xtVVE=tox和 xj均以 cm 为单位 降低 Eymax措施 ? toxxj ? VDSVDD ? 新型漏结构 Graded pn junction 2. 双扩散漏 (DDD) P 比 As 扩散系数大 28/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24 4.1.7 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 1.5 m（对于 VDD= 5 V） 29/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应25 4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构 3. 轻掺杂漏结构 (LDD) 30/74 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应25 4.1.7 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： () 3/13/1 max 22 . 0 joxDSsatDSy xtVVE= LDD： () 3/13/1 maxmax 22 . 0 jox n yDSsatDSy xtLEVVE ()() + n joxDSsatDSy LxtVVE 3/13/1 max 22. 0 LDD 应用范围：L 1.25 m 31/74 第四章 小尺寸MOSFET的特性 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律 32/74 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性1 4.2.1 载流子速度饱和效应 v 不饱和区v 饱和区 v(Ey) = Ey Esat saty y eff EE E +1 2 sateffsat EvEy Esat 33/74 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性2 4.2.1 载流子速度饱和效应 长沟道、短沟道直流特性对比 () = 2 2 1 DSDSTGSDS VVVVI 长沟道短沟道 线性区 () = 2 2 1 DSDSTGSDS VVVVI IDS饱和条件 ()LWCox n () ()LEV LWC satDS oxeff +1 0)(=LQn TGSDSsat VVV= satn vv = () () TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V + = 饱和区 () 2 2 2 1 2 1 DSsatTGSDSsat VVVI= () () TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV WCvI + = 2 34/74 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性3 4.2.1 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： () + = 2 2 1 1 DSsatDSsatTGSox sat DSsat eff DS VVVV L W C LE V I () )( DSsatTGSoxsatsatnDS VVVCWvWvPQI= 区 II： = DSsat I () () TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V + = () () TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV WCvI + = 2 35/74 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4 4.2.1 载流子速度饱和效应 短沟道 MOSFET 的直流特性 () () TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V + = 线性区 () + = 2 2 1 1 DSDSTGSox sat DS eff DS VVVV L W C LE V I 饱和区 () () TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV WCvI + = 2 饱和条件： 当 EsatL Esat时()lVVE DSsatDSy max 44/74 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性13 4.2.2 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 = 3/13/1 22 . 0 jox xt 3/18/12 107 . 1 jox xt tox 15 nm tox 15 nm 45/74 第四章 小尺寸MOSFET的特性 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律 46/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律1 4.3.1 按比例缩小规律概述 Moores Law Continues Transistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor 47/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律2 4.3.1 按比例缩小规律概述 Transistor Gate Length Scaling 48/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律3 4.3.1 按比例缩小规律概述 International Technology Roadmap of Semiconductors 49/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律4 4.3.1 按比例缩小规律概述 (1) Why miniaturization? 速度 功耗 集成度 功能 价格 / 功能 (2) How miniaturization? Scaling according to some rules. 50/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律5 4.3.2 MOSFET 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！ 51/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律6 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 1. 恒电场 (CE) scaling Constant Electrical-Field Scaling xx = yy = ),() , ( yxyx= ?),( ),(),( ) , ( ) , ( yxE x yx x yx x yx yxE xx = = = = 同理),() , ( yxEyxE yy = ? 验证泊松方程 s yx y yx x yx ),(),(),( 2 2 2 2 = + s yx y yx x yx ) , ( ) , ( ) , ( 2 2 2 2 = + ),() , ( yxyx= AA NN= 52/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律7 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 1. 恒电场 (CE) scaling ?() 2/1 2 + = A DSbis D qN VV W () 2/1 2 + = A DSbis D qN VV W 一般地， bibi VV 但当时，则 DSbi VV DD WW = ? oxox tt= oxox CC= oxG WLCC = oxG CLWC = GG CC = ? DSDS II= ()() DSsat TGS oxnTGSoxnDSsat I VV L W CVV L W CI= = 2 2 2 1 2 1 ? 电流密度 I/A ()AI A I AI = 2 假设 VT也可以按 1/scaling 53/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律8 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 1. 恒电场 (CE) scaling ? 沟道电阻IVR = RIV I V IVR= 同理 mm gg= DD gg= ? RC 延迟时间 G RC= = GG CRCR ? 功耗 IVP = ()() 22 PIVVIVIP= ? 功耗密度 P/A AP A P AP= 2 2 11电路密度 ACD1= CD A ACD 2 2 1 1 = 54/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律9 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 1. 恒电场 (CE) scaling Constant Electrical-Field Scaling Rule Requirements Device dimensionsL = L/Channel length W = W/Channel width tox= tox/Oxide thickness xj= xj/S/D depth Device dopingNA= NA Applied voltageVA= VA/ Results (device parameters) Electrical fieldE(x,y) = E (x,y) Electric potential(x,y) = (x,y)/ Drain depletion widthWD= WD/ Gate capacitanceCG= CG/ 55/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律10 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 1. 恒电场 (CE) scaling Constant Electrical-Field Scaling Rule (cont.) Drain currentI = I/Not valid for subthreshold region Current density(I/A) = (I/A) Channel resistanceR = R Results (circuit performance) Circuit delay time (RC) = / Power IVP = P/2 Power density P/AP/A = P/A Circuit density CDCD = 2CD Assumption Threshold voltageVT= VT/Not valid Build-in voltageVbi VDDNot valid 56/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律11 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 2. 恒电压 (CV) scaling 1o为了应用和标准化，VDD不能连续 scaling， VDD= 5.0 V 0.8 m 2oVT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 57/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律12 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scaling 做法：尺寸缩小到 1/ 电场增加到倍（通常 1 ） 恒电场：= 1 恒电压：= ? ? AA NN= (),() , ( yxyx= ? 功耗密度 P/A () () 2 23 A P AP= ()AP 3 = 58/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律12 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scaling Generalized Scaling Rule (1 ) Requirements Device dimensionsL = L/Channel length W = W/Channel width tox= tox/Oxide thickness xj= xj/S/D depth Device dopingNA= NA Applied voltageVA= (/)VA Results (device parameters) Electrical fieldE(x,y) = E (x,y) Electric potential(x,y) = (/)(x,y) Drain depletion widthWD= WD/ Gate capacitanceCG= CG/ 59/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律13 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scaling Generalized Scaling Rule (1 ) (cont.) Drain currentI = (2/)INot valid for subthreshold region Current density(I/A) = 2(I/A) Channel resistanceR = R/ Results (circuit performance) Circuit delay time (RC) = /() Power IVP = (3/2)P Power density P/A(P/A) = 3(P/A)Heavy burden Circuit density CDCD = 2CD Assumption Threshold voltageVT= (/)VTMore valid than in CE Build-in voltageVbi VDDNot valid 60/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律14 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scaling Power Dissipation Problem 61/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律15 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 4. 亚阈值 scaling (Subthreshold scaling) 强反型（ON 态）IDS可以 scaling： DSDS II= (CE scaling) () DSDS II 2 = (Generalized scaling) 弱反型（OFF 态）IDSst不能 scaling. 62/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律16 4.3.2 MOSFET 的 scaling 规则 4. 亚阈值 scaling (Subthreshold scaling) Subthreshold Scaling 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 0.5 V， IDSst的增加 10%：短沟道 经验公式： () 3/1 2 minDSoxj WWtxAL+= m m 0.4 1/3 m 长沟道 短沟道 63/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律17 4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构） 1. xj xjRS, RDgD(线性), gm(饱和) 对策：自对准金属硅化物技术 Salicide（Self-aligned silicide） 64/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律18 4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构） 2. tox Fowler-Nordheim 隧穿电流： () oxox EBAEJ=exp 2 要求：Jg Jpn 例如，Jgmax= 1010A/cm2，则 Eoxmax= 5.8 MV/cm max min 2 ox BFBGS ox E VVV t = 几十 65/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律19 4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构） 2. tox High-k Gate Dielectric High-k dielectrics provide higher capacitance and reduced leakage EOT (Effective Oxide Thickness) k-high k-high SiO2 tEOT = 66/74 4.3 MOSFET的按比例缩小规律20 4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构） 3. WS, WD (1) Nch和 VT的 scaling WS, WDNA ox B BFBT C Q VVV+=2VT或至少不上升NAVT Scaling 困难 解决方法 Non-uniform doping (Retrograded well doping) NA x Nch Nsub dch