L04-小尺寸MOSFET的特性.ppt

1、1/74,半导体器件原理,主讲人：蒋玉龙 本部微电子学楼312室，65643768 Email: 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”（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,4/74,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟

2、道效应2,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-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”（VT roll-off）,2. 原因,长沟道 MOSFET,短沟道 MOSFET,GCA：,p-Si,p-Si,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”（VT roll-off）,2. 原因,p-Si, VT ,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),NMOS,7/74,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4,4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT rol

3、l-off）,3. 电荷分享模型 (Poon-Yau),计算 QB/QB（电荷分享因子 F ）,VDS = 0,NMOS,8/74,4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5,4.1.2 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,经验参数（ 1）,1o L F VT ,2o tox VT ,3o NA dmax F VT ,4o xj VT ,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”（VT roll-off）,3.

4、 电荷分享模型 (Poon-Yau),讨论 QB/QB（电荷分享因子 F ）,当 VDS 0 时,VDS F VT ,抑制 VT roll-off 的措施：,1o xj ,2o NA ,3o tox ,4o VBS ,5o VDS ,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 / VT roll-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 / VT roll-up）,2. 原因,MOS “重新氧化”（RE-OX）工艺,OED：氧化增强扩散,12/74,4.1 MOSF

5、ET的短沟道效应和窄沟道效应9,4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-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,13/74,4.1 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,W VT ,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, 圆弧：,一般地，引入经验参数 GW,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

6、构的 NWE,Raised field-oxide isolation： W VT ,LOCOS： W VT ,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 W VT 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， VDS VT ,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

7、. 原因,(1) 电荷分享,VDS F VT ,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,特征长度,VT =,VDS 很小,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 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

8、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-surface punchthrough）,均匀掺杂衬底,VT adjust 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 punc

9、hthrough）,3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施,1o 选择合适的 NB ：,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,2o PTI,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.

10、 抑制 sub-surface punchthrough 的措施,3o Halo 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,tox 和 xj 均以 cm 为单位,降低 Eymax 措施, tox xj , VDS VDD , 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,

11、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：,LDD：,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

12、 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,Ey 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,长沟道,短沟道,线性区,IDS 饱和条件,饱和区,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：,区 II：,=,35/74,4.2 小尺

13、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 Esat L (VGS VT) 时，, VGS VT, 与 L 无关（gm 与 L 无关）,36/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性5,4.2.1 载流子速度饱和效应,速度饱和效应对短沟道 MOSFET 的输出特性的影响,长沟道 速度未饱和,短沟道 速度饱和,37/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性6,4.2.1 载流子速度饱和效应,长沟道、短沟道 MOSFET 特性对比,注：Eq. 4-12,38/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性7,4.2.

14、2 短沟道器件沟道中的电场,1. 突变结耗尽层近似模型,对 II 区（VSR）的 3 条假设：, 只考虑 VDS ，不考虑 VGS ；, 可动电荷 = 0；, 突变结，P点为耗尽层边界.,39/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性8,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,1. 突变结耗尽层近似模型,突变结耗尽层近似模型,VSR 压降 = VDS VDSsat,或,I 区,Ey(y) 在 P 点不连续！,40/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性9,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,2. 恒定电场梯度模型,(1) 对假设 作修改：,拟合参数,(2) 对假设 作修改：,Esat,VSR

15、 区中,线性增加 低估了漏端 Ey(y) ！,41/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性10,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,考虑 Eox(y) 准二维,仍假设 Ey(y) 是 y 的函数， 但不是 x 的函数.,仍考虑可动电荷,应用高斯定理,对 y 求导,42/74,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性11,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,这里,边界条件,43/74,VDS,4.2 小尺寸MOSFET的直流特性12,4.2.2 短沟道器件沟道中的电场,3. 准二维模型,在漏端（y = L）, 指数上升规律,=,当 (VDS VDSsat) /

16、 l Esat 时,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 =,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 bi

17、llion-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 m

18、iniaturization?,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,同理, 验证泊松方程,52/74,4.3 MOSFET的按比例缩小规律7,4.3.2 MOSFE

19、T 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,53/74,4.3 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,同理, RC 延迟时间, 功耗, 功耗密度 P/A,11,电路密度,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 Rul

20、e,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.),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,2o 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

21、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： = , 功耗密度 P/A,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 ),59/74,

22、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.),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 scalin

23、g 规则,4. 亚阈值 scaling (Subthreshold scaling),强反型（ON 态）IDS 可以 scaling：,(CE scaling),(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；

24、,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%：长沟道, 10%：短沟道,经验公式：,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,xj RS , RD gD(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,Fow

25、ler-Nordheim 隧穿电流：,要求：Jg Jpn,例如，Jgmax = 1010 A/cm2，则 Eoxmax = 5.8 MV/cm, 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),66/74,4.3 MOSFET的按比例缩小规律20,4.3.3 Scaling 的

26、限制及对策（新结构）,3. WS , WD,(1) Nch 和 VT 的 scaling,WS , WD NA ,VT 或至少不上升, NA VT ,Scaling 困难,解决方法 Non-uniform doping (Retrograded well doping),NA,x,Nch,Nsub,dch,x,Nch,dch,Ex,dmax,强反型定义：Vs = 2VB,ch,67/74,4.3 MOSFET的按比例缩小规律21,4.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）,3. WS , WD,(2) Eymax,漏结击穿 0.6 MV/cm,漏端热载流子效应要求 Eymax 0.2 MV/cm,Scaling 措施：LDD,68/74,4.3 MOSFE