第8章 MOS场效应器件性能与设计(1)

1、半导体器件原理南京大学Chapter 8. CMOS 器件设计与性能参数一、 CMOS 器件设计1.1 MOSFET的等比例缩小 光刻技术：短沟道导致密度速度和功率的改进离子注入：浅或陡峭的掺杂界面或低掺杂浓度的实现半导体器件原理南京大学（1）恒定场的等比例缩小 当减小横向尺寸时，等比例缩小器件的径向尺寸，并等比例减小外加电压，增加衬底的掺杂浓度，以使短沟道效应得到控制。恒场等比例缩小的基本原则： 将器件工作电压和器件尺寸包括(横向和纵向)缩小相同的比例，以保证电场保持不变。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学泊松方程的不变：等比例增加掺杂浓度最大耗尽层宽度：等比例缩小所有电容：等比例

2、缩小（正比于面积而反比于厚度）反型层电荷：保持不变速度饱和效应：保持不变（电场不变）addbisiDqNVW)(2恒场等比例缩小规则：恒场等比例缩小规则：SiaSiyxqNyExE半导体器件原理南京大学漂移电流： 等比例缩小（单位MOSFET宽度漂移电流不变）单位MOSFET宽度扩散电流：等比例增加EQvQWIiidrift)(kdxdQdxdQqkTdxdQDWIiinindiffu等比例缩小对电路参数的影响等比例缩小对电路参数的影响 电路延迟等比例缩小（正比于RC 或CV/I，假设沟道电阻保持不变，而寄生电阻可以忽略或保持不变）半导体器件原理南京大学恒场等比例缩小的最重要结论： 当器件尺寸

3、和工作电压等比例缩小时，电路速度等比例增加，而单个器件的功耗减小k2倍。阈值电压阈值电压：一般认为阈值电压应等比例缩小（因工作电压降低）但对硅工艺，材料的相关参数并不变化，因此Vt一般并不缩小。可通过衬底正偏或沟道区非均匀掺杂来调制阈值电压。oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半导体器件原理南京大学(2)常用的等比例缩小：由于亚阈值特性的非比例变化以及人们不愿偏离上一代的标准电压的考虑，工作电压一般并不等比例的缩小。更通用的是让电场在横向与纵向保持相同倍数的增加以保持原有的电场形状，因此2D效应，如短沟道效应在等比例缩小时不致加剧。高场会导致对器件稳定性的忧虑。半导体器件原理南京大学

4、通用的等比例缩小规则：通用的等比例缩小规则：) 1(;1kSizekSizeEE半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学泊松方程的不变：增加掺杂浓度，避免短沟道效应增强aasiaNkNqNkykkk)()/()/()/()/(2222速度饱和效应：对长沟道器件，载流子速度远离饱和，增加因子 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： 2/k对短沟道器件，载流子速度已饱和，不再变化 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： /k半导体器件原理南京大学 电路延迟等比例缩小，比例因子：k 和k（依赖于饱和度） 单个器件的功耗增加2到3泊松方程：对耗尽层而不变，而对反型层可移动电荷则不成立。它是表面势的指数函数

5、，而表面势并不随物理尺寸或电压线性变化。同时并不是所有的边界条件相应地等比例的变化。（源结的能带弯曲由并不随电压等比例变化的内建势给出。）半导体器件原理南京大学特例：恒定电压的等比例缩小特例：恒定电压的等比例缩小电场的形状仅当=k才保持恒定电压的等比例缩小。电场增加k，掺杂浓度增加k2，)()(2kqNVWaddbisiDdmmWLdsbibiteVmV2/)() 1( 8不变oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半导体器件原理南京大学反型层电荷密度与电子浓度有关（k2）：反型层厚度（Qi/qn(0)）与LD= 均减小k倍。功率密度增加k3（k2），导致热电子和氧化层的可靠性问题。实际

6、的CMOS的技术演变是恒电压与恒电场的某种混合。aSiNqKT2)0(2kTnQsii半导体器件原理南京大学(3) 非等比例缩小效应：主要的非等比例因数：主要的非等比例因数：热电压kT/q和硅的带隙并不改变。前者导致亚阈值的非等比例变化，使阈值电压不能如其它参数一样等比例缩小。mkTqVoxeffdddsgdsteqkTmLWCVVVI/2)(1(), 0( 因电流与阈值电压成指数关系，这使阈值电压不可能等比例缩小，否则电流会大幅度增加。半导体器件原理南京大学即使阈值电压保持不变，其关断电流也将随物理尺寸的缩小而增加k倍（Cox），限制了阈值电压的变化范围.电路延迟随Vt/Vdd快速增加，限制

7、器件工作电压最低值。kT/q导致反型层厚度，反型层电荷密度以及相应电流的非等比例变化。Eg导致内建势, 耗尽层宽度和短沟道效应非等比例缩小。 内建势和最大表面势并不随器件的缩小而显著的变化，而耗尽层宽度也不如其它线性尺度变化大。这将加剧短沟道效应。半导体器件原理南京大学要补偿这一效应，掺杂浓度必须大于等比例缩小效应的要求值。次要的非等比例因数：次要的非等比例因数：（1）迁移率随等比例缩小而下降（电场增加），使电流和电路延迟的改进较预计的小。 高场或高压改进器件性能（电流增益和延迟）的作用将减弱。（2）稳定性与功率：功率密度增加2到3，稳定性问题来源于高氧化电场，高沟道效应和更高的电流密度。半导

8、体器件原理南京大学导致电迁移的加剧和栅氧化层更趋于击穿，影响氧化层的完整性。为克服增加的氧化层电场，氧化层厚度的减小要小于器件尺寸的变化。沟道掺杂浓度必须大于等比例缩小的量，以控制住短沟道效应。 最大的耗尽层宽度必须比栅氧化层厚度减小更多。这又会因引起另外一个非等比例效应，包括亚阈值斜率 和衬底的灵敏度 dVt/dVbs=m-1。dmoxWt31 半导体器件原理南京大学其它非等比例因素：其它非等比例因素：（1）栅和源漏的掺杂浓度，如果非适当的等比例增加，将导致栅耗尽和源漏串联电阻的问题。（2）工艺过程的容许偏差：VLSI技术的发展要保证工艺过程的容许偏差在沟道长度，氧化层厚度，阈值电压等参数的

9、一定百分比以内。)3(2/)(24oxdmtWLdsbibidmoxteVWtV半导体器件原理南京大学1.2 阈值电压1) 阈值电压的要求各种阈值电压的定义各种阈值电压的定义： s（inv）=2 B，非常广泛并易被结合进分析求解中，不能直接从CV测量中获得。线性外推阈值电压Von，易测量但由于反型层电容效应，使之大于2 B的阈值电压3kT/q大小。由亚阈值电流决定，对一给定的恒定电流I0（如50nA/）)/()(0LWIVVIsubtgds它能从硬件数据中获得特别适合于大批量器件的自动测量。并且能直接计算出关断电流。但在短沟道器件中存在问题，因为难以知道准确的沟道长度。半导体器件原理南京大学关

10、断电流要求和最低阈值电压关断电流要求和最低阈值电压低的阈值电压和高的电流器件，开关速度快。但低的阈值电压又要受到关断电流的限制。必须考虑工艺的容许偏差，工作温度以及偏压条件的最差情况：即零偏电压和最高工作温度，如1000C。对给定的Ioff/W，Vtmin随尺寸缩小而增加，与电源电压的相应变化趋势相反。器件设计因此需要在关断电流与性能之间取得平衡。2maxmaxmin)(1()()(ln(qkTmLWCVVIIVVIqmkTVoxefftgdsofftgdst半导体器件原理南京大学阈值电压的容许偏差：阈值电压的容许偏差：)%10(50)()2/(2 . 0)() 1(8)(7555.)()()

11、(.)()23(min2/22min0minttdmmWLdsbibitttttttVofmVprocessVmWLVeVmSCEVmVtempVprocessVSCEVtempVVCVdm m取1.3 Lmin/mWdm 过小会加剧SCE；过大则增加结电容或增大氧化层电场。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学 阈值电压的优化阈值电压的优化阈值电压和关断电流难以取得平衡(Vt/Ids)阈值电压与电源电压及器件性能之间的矛盾（Vt/Vdd)阈值电压与耗尽层厚度及体效应系数之间的矛盾(Vt/Wdm/m)半导体器件原理南京大学2) 非均匀掺杂 阈值电压和关断电流一般难以取得平衡，但非均匀沟道

12、掺杂使器件的设计增加了一个自由度，从而满足两方面要求:高低台阶掺杂高低台阶掺杂22222)(2)(22ssiasssisdsdsiassissNNqqNWorWqNqNmkTqVoxeffdddsgdsteqkTmLWCVVVI/2)(1(), 0(dWsisdxxxNq0)(半导体器件原理南京大学非均匀的表面掺杂通过高掺杂层的耗尽层电荷，从而减小耗尽层的厚度。半导体器件原理南京大学)2)(2(2)()2)(2(21)()2)(21)(2022ssiasBsisdmoxsassisasBasioxsfbtoxsassisassasioxsfboxsdasssfboxssfbgNNqqNWCxN

13、NqNNqqNCVVCxNNqNNqqNCVCWqNqNVCQVV)()(sdassssissdsiassissWqNqNEQWqNqNE半导体器件原理南京大学耗尽层电容，亚阈值斜率，体效应系数等与Wdm有关的表达式保持不变。1/1)2)(2 (221)2(002/ 12mCWdVdVCWNNqCqNddVmoxdmSibstoxdmSissiasBoxasiBssg半导体器件原理南京大学oxssiBfbtCEVVdxdE2图形解释图形解释l均匀掺杂均匀掺杂半导体器件原理南京大学)2)(2 (2)()2)(2 (21202ssiasBssidmoxsassisasBasioxsfbtNNqqN

14、WCxNNqNNqqNCVVl 非均匀掺杂非均匀掺杂: 如xs趋于表面，同时NS较大，可以增加Vt而几乎不改变W0dm半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学l高斯分布高斯分布分布：注入剂量DI=（Ns-Na）xs，并以xc=xs/2为中心因为E(X)下的面积以及与Y轴的截距均不变。)22(2)2(212)2)(exp(2)(022sicIBasidmoxIsicIBasioxBfbtcIxqDqNWCqDqDqNCVVxxDxNDI=（Ns-Na）xs高斯分布：半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学对给定剂量的DI，阈值电压的大小依赖于注入的位置xc。浅表面注入，xc=0，耗尽层宽

15、度没有变化，阈值电压的变化为QDI/COX。类似于硅氧化层的一层界面电荷。衬底灵敏度与亚阈值斜率不变。当xc增加时，最大耗尽层宽度和阈值电压的偏移均减小。但通过选择低的背景掺杂浓度使Wdm恢复。以上讨论对NsNa的情形同样成立。（即倒退的沟道掺杂）半导体器件原理南京大学3) 沟道剖面设计半导体器件原理南京大学（1）CMOS设计的考虑工艺限制与系统兼容的要求，需要对电路参数进行优化对一给定的技术水平，并没有唯一的设计方法，而是给出器件参数选择的总体思路。为控制短沟道效应，最大耗尽层宽度Wdm： Lmin/mWdm2亚阈值斜率2.3mkT/q及衬底灵敏度dVt/dVbs=m-1随m增大而变差，并导

16、致低的饱和电流。m1.5氧化层电场Emax决定最小的氧化层厚度tox半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（2）电源电压与阈值电压的趋势阈值电压低限由关断电流决定： Vt 0.4V，高限由电路延迟或性能决定：VtVdd/4如Vdd较大， 0.4V VtVdd/4，阈值电压容易选择当短沟道尺寸变小电源电压减小时，就需要在漏电流和器件速度之间选择。导致Vdd并不随L成比例缩小，而Vt也不随Vdd等比例减小。高的Vdd/L使设计空间急剧变小。当Vdd小于2V时，漏电流与器件延迟之间的平衡就非常必要。半导体器件原理南京大学LVmmtVEmWtLmmtLtWddoxddoxdmoxoxoxdm181/3815 . 2/3半导体器件原理南京大学（3）栅功函数的作用oxdBfbtCQVV2l对阈值电压有较大的影响，对沟道的分布有主要的作用。l非均匀的高低结的沟道掺杂可以增加Qd和阈值电压，而不显著的改变栅的耗尽层宽度。同时导致表面电场的增加，减低了沟道迁移率。l功函数处于禁带中央的栅可用来调节阈值电压。