复旦-半导体器件-仇志军 第四章小尺寸MOSFET的特性

1、1/75半导体器件原理半导体器件原理主讲人：仇志军主讲人：仇志军本部遗传楼309室 55664269Email: 助教：王晨禹2/75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3/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-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4/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2 阈值电压“卷曲”

2、（VT roll-off）1. 现象短沟道效应窄沟道效应5/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）2. 原因长沟道 MOSFET短沟道 MOSFETsyxxyx),(),(22syxyyxxyx),(),(),(2222GCA：0),(22yyxp-Sip-Si0),(22yyx6/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）2. 原因2222),(),(),(yyxyxxyxsseffyx),(p-SiAeffANN VT 3. 电荷分享模型 (Poon-Yau)ox

3、BBFBTCQVVV2BSBBFBVVVV22NMOSoxBBFBTCQVVV2BSBBBBFBVVQQVV227/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）3. 电荷分享模型 (Poon-Yau)计算 QB/QB（电荷分享因子 F ）LLLdLdQQBB1221maxmaxjjxddx2/12max2maxjxdrL2/12max221212/1maxjjxdx12112/1maxjjBBxdLxQQ1211222/1maxjjBSBBFBTxdLxVVVVVVDS = 0NMOS8/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效

4、应54.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-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LdQQFBBmax1LdxdLxQQFjjBBmax2/1max11211经验参数（ 1）12122/1maxjjBSBTTTxdLxVVVVVBSBoxoxsVVLt22BSBVVLd2max1o L F VT 2o tox VT 3o NA dmax F VT 4o xj VT 9/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）3. 电荷分享模型 (Po

5、on-Yau)讨论 QB/QB（电荷分享因子 F ）当 VDS 0 时oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5 . 0211DSBByyLQQFVDS F VT 抑制 VT roll-off 的措施：1o xj 2o NA 3o tox 4o VBS 5o VDS 10/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）1. 现象11/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应84.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）2. 原因MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺OED：氧化增强扩散12/754.1

6、 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）3. 分析00exp)(GyQyQfsfs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：C0002exp12GLLCGQoxfsLWCQVoxFST0002/02exp12)(2GLWGQdyyQWQfsLfsFS13/754.1 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14/754.1 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BSBBFBTVVVVV2

7、2,宽沟oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV22,窄沟WddWdQQBWmaxmax2max221WQBQWSiO2dmaxxzy 圆弧：一般地，引入经验参数 GWWdGQQWBWmax15/754.1 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 NWERaised field-oxide isolation： W VT LOCOS： W VT STI： W VT 反窄沟道效应（inverse NWE）16/754.1 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，

8、中间低 边缘不易开启 随着 W VT 窄沟道效应17/754.1 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 DSTDSTVVVV)0()(DIBL 因子18/754.1 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12122/1jDjxyLx121212/1jSjBBxyLxQQF211DSyyLBSbiAsSVVqNy2BSDSbiAsDVVVqNy2VDS F VT oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5 . 019/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应164.1.5

9、 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lLlyLVVlLlyVVVVyVsLbisLDSbisLssinhsinhsinhsinh)(特征长度oxoxstdlmaxVT =lLlLVVVDSBbiexp22exp22VDS 很小lLVVVVlLVVVBbiBbiDSBbi2exp222exp23VDS 大TGSsLVVV20/754.1 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/L IDSst 与 VDS 无关VDS IDSst S 与 L 无关L S 长沟道 M

10、OSFET短沟道 MOSFET21/754.1 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22/754.1 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PTDSstDSstIII)(,扩散短沟(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）均匀掺杂衬底VT adjust implant23/754.1 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-surface

11、punchthrough） Vbi + 7 V电子浓度分布24/754.1 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-surface punchthrough）3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施1o 选择合适的 NB ：10chBNN2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）25/754.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应214.1.6 短沟道

12、MOSFET 的亚阈特性2o PTI10lnqkTnS x3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施26/754.1 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-surface punchthrough 的措施3o Halo implantHalo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿27/754.1 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3/13/1max22. 0joxDSsatDSyxtVVEtox 和 xj 均以 cm 为单

13、位降低 Eymax 措施 tox xj VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction2. 双扩散漏 (DDD)P 比 As 扩散系数大28/754.1 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 1.5 m（对于 VDD = 5 V）29/754.1 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)30/754.1 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.

14、轻掺杂漏结构 (LDD)LDD 结构的电场分布普通：3/13/1max22. 0joxDSsatDSyxtVVELDD：3/13/1maxmax22. 0joxnyDSsatDSyxtLEVVEnjoxDSsatDSyLxtVVE3/13/1max22. 0LDD 应用范围：L 1.25 m31/75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32/754.2 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 EsatsatyyeffEEE

15、12sateffsatEvEy Esat33/754.2 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221 DSDSTGSDSVVVVI长沟道短沟道线性区221 DSDSTGSDSVVVVIIDS 饱和条件LWCoxnLEVLWCsatDSoxeff10)(LQnTGSDSsatVVVsatnvv TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV饱和区222121DSsatTGSDSsatVVVITGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI234/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1 载流子速度饱和效应短沟道 MOS

16、FET 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：2211DSsatDSsatTGSoxsatDSsateffDSVVVVLWCLEVI)(DSsatTGSoxsatsatnDSVVVCWvWvPQI区 II：=DSsatITGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEVTGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI235/754.2 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TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV线性区2211DSDSTGSoxsatDSeffDSVV

17、VVLWCLEVI饱和区TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI2饱和条件：当 Esat L Esat 时lVVEDSsatDSymax44/754.2 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 =3/13/122. 0joxxt3/18/12107 . 1joxxttox 15 nmtox 15 nm45/75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46/754.3 MOSFET的按比例缩小规律14

18、.3.1 按比例缩小规律概述Moores Law ContinuesTransistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor47/754.3 MOSFET的按比例缩小规律24.3.1 按比例缩小规律概述Transistor Gate Length Scaling48/754.3 MOSFET的按比例缩小规律34.3.1 按比例缩小规律概述International Technology Roadmap of Semiconductors49/754.3 MOSFET的按比例缩小规律44.

19、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.50/754.3 MOSFET的按比例缩小规律54.3.2 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！51/754.3 MOSFET的按比例缩小规律64.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1. 恒电场 (CE) scalingConstant Electrical-Field Sc

20、alingxx yy ),() , ( yxyx),(),(),() , ( ) , ( yxExyxxyxxyxyxExx同理),() , ( yxEyxEyy 验证泊松方程syxyyxxyx),(),(),(2222syxyyxxyx) , ( ) , ( ) , ( 2222),() , ( yxyxAANN52/754.3 MOSFET的按比例缩小规律74.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1. 恒电场 (CE) scaling2/12ADSbisDqNVVW2/12ADSbisDqNVVW一般地，bibiVV 但当 时，则DSbiVV DDWW oxoxttoxoxCCo

21、xGWLCC oxGCLWC GGCC DSDSIIDSsatTGSoxnTGSoxnDSsatIVVLWCVVLWCI222121 电流密度 I/AAIAIAI2假设 VT 也可以按 1/ scaling53/754.3 MOSFET的按比例缩小规律84.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1. 恒电场 (CE) scaling 沟道电阻IVR RIVIVIVR同理mmggDDgg RC 延迟时间GRCGGCRCR 功耗IVP 22PIVVIVIP 功耗密度 P/AAPAPAP2211电路密度ACD1CDAACD221154/754.3 MOSFET的按比例缩小规律94.3.2 M

22、OSFET 的 scaling 规则1. 恒电场 (CE) scalingConstant Electrical-Field Scaling RuleRequirementsDevice dimensionsL = L/Channel lengthW = W/Channel widthtox = tox/Oxide thicknessxj = xj/S/D depthDevice dopingNA = NAApplied voltageVA = VA/Results(device parameters)Electrical fieldE(x,y) = E (x,y)Electric poten

23、tial(x,y) = (x,y)/Drain depletion widthWD = WD/Gate capacitanceCG = CG/55/754.3 MOSFET的按比例缩小规律104.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1. 恒电场 (CE) scalingConstant Electrical-Field Scaling Rule (cont.)Drain currentI = I/Not valid for subthreshold regionCurrent density(I/A) = (I/A)Channel resistanceR = RResults(cir

24、cuit performance)Circuit delay time (RC) = /Power IVP = P/2Power density P/AP/A = P/ACircuit density CDCD = 2CDAssumptionThreshold voltageVT = VT/Not validBuild-in voltageVbi VDDNot valid56/754.3 MOSFET的按比例缩小规律114.3.2 MOSFET 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 = 5.0 V 0.

25、8 m2o VT 和 Vbi scaling 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 57/754.3 MOSFET的按比例缩小规律124.3.2 MOSFET 的 scaling 规则2. 恒电压 (CV) scalingCV scalingCE scalingQCV scaling58/754.3 MOSFET的按比例缩小规律124.3.2 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：

26、= AANN),() , ( yxyx 功耗密度 P/A223APAPAP359/754.3 MOSFET的按比例缩小规律124.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scalingGeneralized Scaling Rule (1 )RequirementsDevice dimensionsL = L/Channel lengthW = W/Channel widthtox = tox/Oxide thicknessxj = xj/S/D depthDevice dopingNA = NAApplied vo

27、ltageVA = (/)VAResults(device parameters)Electrical fieldE(x,y) = E (x,y)Electric potential(x,y) = (/) (x,y)Drain depletion widthWD = WD/Gate capacitanceCG = CG/60/754.3 MOSFET的按比例缩小规律134.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scalingGeneralized Scaling Rule (1 ) (cont.)Drain cur

28、rentI = (2/)INot valid for subthreshold regionCurrent density(I/A) = 2(I/A)Channel resistanceR = R/Results(circuit performance)Circuit delay time (RC) = /()Power IVP = (3/2)PPower density P/A(P/A) = 3(P/A)Heavy burdenCircuit density CDCD = 2CDAssumptionThreshold voltageVT = (/)VTMore valid than in C

29、EBuild-in voltageVbi VDDNot valid61/754.3 MOSFET的按比例缩小规律144.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3. 准恒电压 (QCV) scaling - Generalized scalingPower Dissipation Problem62/754.3 MOSFET的按比例缩小规律154.3.2 MOSFET 的 scaling 规则4. 亚阈值 scaling (Subthreshold scaling)强反型（ON 态）IDS 可以 scaling：DSDSII(CE scaling)DSDSII2(Generalized

30、scaling)弱反型（OFF 态）Ioff 不能 scaling.63/754.3 MOSFET的按比例缩小规律164.3.2 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 2minDSoxjWWtxALmm0.4 1/3m长沟道短沟

31、道64/754.3 MOSFET的按比例缩小规律174.3.3 Scaling 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-aligned silicide）65/754.3 MOSFET的按比例缩小规律184.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）2. toxFowler-Nordheim 隧穿电流：oxoxEBAEJexp2要求：Jg Jpn例如，Jgmax = 1010 A/cm2，则 Eoxmax = 5.8 MV/cmmaxmin2oxBFBGSoxEVVVt 几十 66/754.

32、3 MOSFET的按比例缩小规律194.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）2. toxHigh-k Gate DielectricHigh-k dielectrics provide higher capacitance and reduced leakageEOT(Effective Oxide Thickness)k-highk-highSiO2tEOT67/754.3 MOSFET的按比例缩小规律204.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）3. WS , WD (1) Nch 和 VT 的 scalingWS , WD NA oxBBFBTCQVVV2VT 或至少不上升 NA VT Scaling 困难解决方法 Non-uniform doping (Retrograded well doping) NAxNchNsubdchxNchdchExdmaxoxBsFBTCQVVV强反型定义：Vs = 2VB,ch2/1ln221ln2subi