复旦-半导体器件-仇志军 第四章小尺寸MOSFET的特性

1/75,半导体器件原理,主讲人：仇志军本部遗传楼309室55664269Email:zjqiu助教：王晨2/75,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,3/75,4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1,4.1.1MOSFET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,4/75,4.1MOSFET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,5/75,4.1MOSFET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,GCA：,p-Si,p-Si,6/75,4.1MOSFET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,p-Si,VT,3.电荷分享模型(Poon-Yau),NMOS,7/75,4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4,4.1.2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=0,NMOS,8/75,4.1MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5,4.1.2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）,dmax/xj较小时,dmax/xj较大时,经验参数（1）,1oLFVT,2otoxVT,3oNAdmaxFVT,4oxjVT,9/75,4.1MOSFET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VDS0时,VDSFVT,抑制VTroll-off的措施：,1oxj,2oNA,3otox,4oVBS,5oVDS,10/75,4.1MOSFET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,11/75,4.1MOSFET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,12/75,4.1MOSFET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,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,13/75,4.1MOSFET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,14/75,4.1MOSFET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,圆弧：,一般地，引入经验参数GW,15/75,4.1MOSFET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,Raisedfield-oxideisolation：WVT,LOCOS：WVT,STI：WVT反窄沟道效应（inverseNWE）,16/75,4.1MOSFET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,17/75,4.1MOSFET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,DIBL因子,18/75,4.1MOSFET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,VDSFVT,19/75,4.1MOSFET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,特征长度,VT=,VDS很小,VDS大,20/75,4.1MOSFET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MOSFET,短沟道MOSFET,21/75,4.1MOSFET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,22/75,4.1MOSFET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,(1)亚表面穿通（sub-surfacepunchthrough）,均匀掺杂衬底,VTadjustimplant,23/75,4.1MOSFET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-surfacepunchthrough）,Vbi+7V,电子浓度分布,24/75,4.1MOSFET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-surfacepunchthrough）,3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施,1o选择合适的NB：,2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）,25/75,4.1MOSFET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,2oPTI,x,3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施,26/75,4.1MOSFET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-surfacepunchthrough的措施,3oHaloimplant,Haloimplant剂量上限漏结雪崩击穿,27/75,4.1MOSFET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,tox和xj均以cm为单位,降低Eymax措施,toxxj,VDSVDD,新型漏结构Gradedpnjunction,2.双扩散漏(DDD),P比As扩散系数大,28/75,4.1MOSFET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：Lmin1.5m（对于VDD=5V）,29/75,4.1MOSFET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),30/75,4.1MOSFET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：,LDD：,LDD应用范围：L1.25m,31/75,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,32/75,4.2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)=,EyEsat,EyEsat,33/75,4.2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,长沟道,短沟道,线性区,IDS饱和条件,饱和区,34/75,4.2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：,区II：,=,35/75,4.2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,线性区,饱和区,饱和条件：,当EsatLEsat时,44/75,4.2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=,tox15nm,tox15nm,45/75,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,46/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律1,4.3.1按比例缩小规律概述,MooresLawContinues,Transistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor,47/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律2,4.3.1按比例缩小规律概述,TransistorGateLengthScaling,48/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律3,4.3.1按比例缩小规律概述,InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductors,49/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律4,4.3.1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.,50/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律5,4.3.2MOSFET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！,51/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律6,4.3.2MOSFET的scaling规则,1.恒电场(CE)scaling,ConstantElectrical-FieldScaling,同理,验证泊松方程,52/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律7,4.3.2MOSFET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/scaling,53/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律8,4.3.2MOSFET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/A,11,电路密度,54/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律9,4.3.2MOSFET的scaling规则,1.恒电场(CE)scaling,ConstantElectrical-FieldScalingRule,55/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律10,4.3.2MOSFET的scaling规则,1.恒电场(CE)scaling,ConstantElectrical-FieldScalingRule(cont.),56/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律11,4.3.2MOSFET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=5.0V0.8m,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,57/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律12,4.3.2MOSFET的scaling规则,2.恒电压(CV)scaling,CVscaling,CEscaling,QCVscaling,58/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律12,4.3.2MOSFET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/A,59/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律12,4.3.2MOSFET的scaling规则,3.准恒电压(QCV)scaling-Generalizedscaling,GeneralizedScalingRule(1),60/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律13,4.3.2MOSFET的scaling规则,3.准恒电压(QCV)scaling-Generalizedscaling,GeneralizedScalingRule(1)(cont.),61/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律14,4.3.2MOSFET的scaling规则,3.准恒电压(QCV)scaling-Generalizedscaling,PowerDissipationProblem,62/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律15,4.3.2MOSFET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）Ioff不能scaling.,63/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律16,4.3.2MOSFET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%：短沟道,经验公式：,m,m,0.41/3,m,长沟道,短沟道,64/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律17,4.3.3Scaling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-alignedsilicide）,65/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律18,4.3.3Scaling的限制及对策（新结构）,2.tox,Fowler-Nordheim隧穿电流：,要求：JgJpn,例如，Jgmax=1010A/cm2，则Eoxmax=5.8MV/cm,几十,66/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律19,4.3.3Scaling的限制及对策（新结构）,2.tox,High-kGateDielectric,High-kdielectricsprovidehighercapacitanceandreducedleakage,EOT(EffectiveOxideThickness),67/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律20,4.3.3Scaling的限制及对策（新结构）,3.WS,WD,(1)Nch和VT的scaling,WS,WDNA,VT或至少不上升,NAVT,Scaling困难,解决方法Non-uniformdoping(Retrogradedwelldoping),NA,x,Nch,Nsub,dch,x,Nch,dch,Ex,dmax,强反型定义：Vs=2VB,ch,68/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律21,4.3.3Scaling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/cm,Scaling措施：LDD,69/75,4.3MOSFET的按比例缩小规律22,4.3.3Scaling的限制及对策（新结构）,4.现状和未来,45nmHK+MG,SiGeS/D(StrainedSi)Hi