半导体物理与器件第十一章

1、半导体物理和设备、陈连浩、MOSFET设备特性的非理想特性MOSFET的比例缩减理论(SCALING DOWN) MOSFET的临界电压修正，本章的主要问题：第11章金属氧化物半导体场效应晶体管：概念的深入，本章的主要内容： 非理想效应(11.1)子临界电导通道长度调制移动率变化速度饱和弹道运输MOSFE比例减少理论(11.2)恒定电场比例减少准恒定电场比例减少准恒定电场比例减少MOSFET阈值电压补偿(11.3)短通道效应窄通道效应MOSFET的附加电特性(11.4)屈服电压离子注入的阈值，源-门-泄漏障碍结构，图c是子临界区域障碍结构，类似于NPN双极晶体管中的障碍分布，基于VGS的子临界

2、区域泄漏电流ID可以表示为指数关系，N，P，N，N，此指数规律可以表示为：当VDS大于多个kT/e时，例如，考虑偏置在子阈值区域的MOSFET，VDSKT/e，根据上述理想指数电流关系，要将泄漏电流更改为10倍，门电压应该怎么办，每次门压力更改60mV时，子临界电流都会引起门控制效果好的子临界电流的一级变化，在包含多个MOSFET的大型集成电路中，低临界电流可能导致大量功耗，电路设计者必须考虑低临界电流的影响。必须确保MOSFET偏移到远低于阈值电压的状态，从而完全关闭设备。MOS的子临界区增益具有双极晶体管的特性和泄漏电流少，在低压和低功耗电路中具有一定的应用价值。11.1.2信道长度调制效

3、果，信道长度调制效果：当MOSFET偏置到饱和时，源电压VDS将泄漏端的耗尽区域扩展到一侧，进入信道，并剪辑信道，从而减少有效信道长度，影响泄漏电流IDS大小。、泄漏源电压VDS被认为是泄漏电流ID的调制、球体、与的关系：泄漏和基板的NP连接，应用的VDS全部可以被认为是落入p基板。如果泄漏源电压为VDS，则泄漏-基板连接的空间电荷宽度为：基板掺杂浓度越低，通道调制效果越强。通道长度l越短，通道长度调制效果越强。此时，MOSFET的饱和区域泄漏电流可以写为：信道长度调制系数、输出电阻：是、L=2.4um、L=0.6um、ID、11.1.3-4移动率变化和速度饱和、影响移动率的3种随着网格压力的

4、增加，表面散射效果变强，载波迁移率降低。加强通道水平电场，移动率减少到超过临界场强发生速度饱和，e，由于强电场效应，VDS引起的水平电场e降低载波差分移动率，最终降低到0，此时载波速度饱和，IDS也提前进入饱和状态。，由于电子的饱和速度、饱和泄漏电流校正、速度饱和，VDS(sat)小于理想关系的ID(sat)是约VGS的线性函数，而不是上述理想平方定律关系，因此ID(sat)小于理想值，电子的饱和速度，MOSFET通道长度减小，通道长度l和电流器的线性函数此时，载体的一部分可以在没有散射的情况下到达源泄漏极，这称为弹道运输弹道运输。载体以高于平均漂移速度或饱和速度的速度输送弹道运输，发生在亚微

5、米设备(L1um)上，随着MOSFET技术的发展，弹道运输变得更加重要。非理想效果MOSFET按比例减小理论阈值电压校正。即可从workspace页面中移除物件。MOSFET的比例缩减理论：根据氧化层厚度、l、tox和w减小到一定比例，Ids保持不变，但设备占用面积WL减少，电路强度增加。MOSFET尺寸缩小是集成电路工艺发展的一般趋势。MOSFET比例缩小的三个方案：恒定电场按比例缩小，恒定电压按比例缩小，准恒定电场按比例缩小(通用比例缩小理论)，恒定电场按比例缩小：设备大小和电源电压均匀缩小，但电场(水平和垂直)保持不变。确保设备的可靠性。VdsVdsmax=如果VDD保持不变，则减小l将

6、降低降伏电压。恒定电场按比例缩小。xd，xd，耗尽层厚度变化：工作电流变化：阈值电压变化：功耗变化：恒定电场比例减少方案的优点：电路密度增加(1/k2)双功耗减少(k2) 按固定电压的比例缩减方案的优点：电路密度增加(1/k2)装置速度增加1/k2倍系统的电源电压不变缺点：电路功耗增加1/k 2倍大装置内部电场增强，准恒定电场比例缩减方案，在MOSIC发展中实际上不完全的不均匀缩减规则或优化的比例缩减规则。 特征尺寸缩小到深亚微米时，使用了准恒电场的比例缩小规则。11/k，k1，耗尽层宽度更改？电场强度变化？改变工作电流？更改功耗？准恒定电场比例减少系统：设备特性的变化示例：耗竭层宽度、场强、

7、工作电流、功耗、来源：the international technology roadmap for semiconductor(the international technology roadmap for semiconductor)，即可从workspace页面中移除物件。短通道效果，短通道效果：在增强的短通道设备上，源和泄漏PN连接的空间电荷区域进入有效通道区域。也就是说，网格下的大部分耗尽区域电荷由源泄漏PN连接提供，因此，仅需要很少的网格电荷就可以达到反作用力，因此，随着Vth的减少和通道长度l的减少，Vth将进一步减少。Vth减少，MOS:MOSFET:MOS:MOS:命令：

8、栅格下的空间电荷区域厚度为XdT泄漏源空间电荷区域厚度为Xs，Xd。源泄漏扩散连接深度为rj，假设：全逆空间电荷表面密度：由栅极压力控制的半电荷图的梯形区域：例如，由几何图形导出：因此：分析，随着通道长度的减小，临界电压负迁移量增加，短通道效果明显。随着基板掺杂浓度的增加，出现短通道效应时，临界迁移量也增大。扩散连接深度rj越小，临界移动量越小，浅连接可以减少短通道效果。薄栅氧化层可以增加Co，临界偏移也可以减小短通道效果。示例11.3考虑以下n通道MOSFET，以计算短通道效果引起的阈值电压变化：Na=3x1016cm-3，tox=200，L=1um，rj=0.3um，tox，查找氧化层电容

9、：逆电位计算VB:表面空间电荷面积计算(耗尽区域)厚度：根据以下公式，临界电压偏移为-0.0726V，应在设备建模和设计中考虑。低衬底掺杂，重新计算浅源泄漏工艺参数，Na=3x1016cm-3，tox=200，设置L=1.0um，rj=0.3 um，na=1016cm-3，假设附加电荷区域是半径为xdT的四分之一圆柱体：显然，随着宽度w的逐渐变小，临界正偏移不可忽视，变大了。示例11.4将设计通道宽度窄的凹槽效果限制为特定值，并考虑n凹槽MOSFET。参数包括：假定Na=3x1016cm-3，tox=200，附加电荷区域为四分之一圆柱体，查找信道宽度w最小值，使阈值电压偏移限制为0.2V。解决

10、方案：支持：条件基准：摘要：窄通道设备使阈值更大，短通道设备使阈值电压更小。受窄沟渠和短通道效果影响的小控件不是两种效果的简单重叠，而是创建更精确的三维模型进行计算。短通道效应，窄通道效应，MOSFET基本工作原理MOSFET的频率限制特性非理想效果MOSFET比例减少理论阈值电压修正(小尺寸效应：短沟，窄沟)MOS破坏特性，MOSFET破坏特性栅氧化层破坏，栅氧化层破坏：栅氧化层电场足够，例如，tox=500时，氧化层中的缺陷等通常导致小于30V的安全闸门压力，3时，上述结构安全闸门压力为10V，MOSFET破坏特性雪崩破坏，雪崩破坏：泄漏极附近的空间电荷分离等，可能导致雪崩破坏。倍增效应，

11、基板掺杂浓度，临界击穿场强(例如p型基板掺杂浓度Na=3X1016cm-3，相应的击穿电压为25v)。但是实际雪崩屈服电压低于此。MOSFET破坏特性雪崩破坏，泄漏极弯曲到相当浅的扩散区，电场在万谷集中，降低屈服电压。MOSFET破坏特性寄生晶体管破坏、寄生晶体管破坏、MOSFET破坏特性寄生晶体管破坏、寄生NPN晶体管的传导和破坏导致mos器件的雪崩破坏曲线反转和负电阻特性。这种现象包括：MOSFET破坏特性寄生晶体管破坏，1碰撞电离导致载波倍增，2腔扫描到基板，3孔电流引起的电位降落导致源基底连接的正部分，4额外电子注入和泄漏，反转破坏导致：增加，范例：假设pn接合是突变接合，计算理论贯穿电压。n槽MOSFET，源，泄漏掺杂浓度考虑Nd=1019cm-3，Na=1016通道长度L=1.2um，源和主体区域接地。解决方案：PN接头的内置电位高度为：零偏置源-基板PN接头挡墙宽度：反向泄漏-基板PN接头空间电荷宽度：L，xd，xd0，因此：轻掺杂使泄漏区域的空间电荷区域扩大，电场峰值减小，抑制破坏效果。，轻掺杂泄漏区，电场峰值下降，通过离子注入调节临界电压，多个因素(？)通过影响MOS的临界电压并通过离子注入调整氧化层-半导体表面附近的基板掺杂浓度，可以获得满意的临界电压，如果离子注