《MOSFET概念深入》PPT课件

第12章MOSFET概念的深入n121非理想效应n122 MOSFET按比例缩小理论n123阈值电压的修正n124附加电学特性n125辐射和热电子效应*112.1 非理想效应 亚阈值电流:定义亚阈值电流亚阈值电流TGVV 区半导体表面处于弱反型fpsfp2212.1 非理想效应 亚阈值电流:比较施加小的漏电压时，n沟道MOSFET沟道表面势示意图堆积状态堆积状态：势垒很高电子无法跃过无法形成表面电流弱反型状态弱反型状态：势垒较低电子有一定的几率越过势垒形成亚阈值电流强反型状态强反型状态：势垒极低大量电子越过势垒形成沟道电流312.1 非理想效应 亚阈值电流:电压特性无关即与，略大时，如漏源电压DS（sub)DDSDSVITkTeVVK300,V104.0/4改变一个数量级），改变（当与栅源电压成指数关系（sub)DS（sub)DIVImV60G IDsub-VDS曲线的斜率是半导体掺杂浓度和界面态密度的函数。可通过对曲线斜率的测量来实验确定氧化层-半导体界面态密度。412.1 非理想效应 沟道长度调制效应:机理LILLLLVVDDSDS1饱和区：512.1 非理想效应 沟道长度调制效应:模型1视作漏-衬pn结空间电荷区的扩展1()()2()()spfpDS satfpDS sataxVVeN沟道夹断时漏衬结空间电荷区宽度 结反偏压2()()2()()spfpDS satDSfpDS satDSaxVVVVeN沟道夹断后漏 衬结空间电荷区宽度 结反偏压2)()(12satDSfpDSsatDSfpasppVVVeNxxL夹断区长度()()DD satD satLIIILL漏源电流2()()2noxD satGSTWCIVVL612.1 非理想效应沟道长度调制效应:模型2()axeN 夹断区的电荷密度（与空间座标无关）satsat0sat0E()EE(EE)xaxsseN xxxdx 夹断区内 点的电场强度 边界条件2sat()0()0)E)E()2xaDS satxDS satseN xxxx dxxVV 夹断区内 点的电势（边界条件2sat0E()()(0)E2LaDSseN LVx dxLL夹断区两端的电势差 satsatDSDSfpasVVeNL)(2)(夹断区长度2sat2E2assateN其中E()sdxdx夹断区横向电场满足的一维泊松方程 712.1 非理想效应 沟道长度调制效应:影响因素著沟道长度调制效应越显的绝对值越大越小衬底掺杂浓度 LNa著沟道长度调制效应越显的相对值越大越小沟道长度 LLID的实测值高于理论值在饱和区，实测ID随VDS增加而缓慢增加()2()sfpDSDS satsataLVVeN()DD satLIILL812.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(1)(表面表面散射界面沟道载流子的运动趋近纵向电场GSsGSVfV迁移率 表面散射9seff111012.1 非理想效应 迁移率变化:纵向电场的影响(2)体迁移率(典型值600cm2/Vs,NMOS）表面迁移率000(,)1()1effGSGSTsf VxVVV x典型值00()1()1()1ln1()DSVoxDGSTnxGSTnGSTnDSDSGSTnWCIVVV x dVLVVV xVVVVVV随VGS-VTn而变缓 有效迁移率：有效迁移率经验表达式：1012.1 非理想效应 迁移率变化:漂移速度与电场的关系峰值电场强度峰值漂移速度饱和漂移速度cm/s10)86(cm/V101.1,cm/s103:InPcm/s10)86(cm/V105.3,cm/s102:GaAscm/V105,cm/s101:Si63763747seppseppCsevEvvEvEv1112.1 非理想效应 迁移率变化:Si的情形（104V/cm)Ev低场：迁移率不随E而变高场：迁移率随E增加而下降强场：迁移率与E成反比dEdv高电压易饱和时，短沟道易饱和（)V/cm105Em1,V54LVLVEDSDS1212.1 非理想效应 迁移率变化:GaAs、InP的情形（104V/cm)与Si相比，GaAs、InP的特点：存在漂移速度峰值迁移率大存在负微分迁移率区饱和漂移速度小1312.1 非理想效应 迁移率变化:速度饱和效应漏源电流下降 提前饱和 TGSsatDSVVV)(饱和漏源电流与栅压成线性关系 饱和区跨导与偏压及沟道长度无关 截止频率与栅压无关 1412.1 非理想效应 弹道输运n非弹道输运MOSFETn沟道长度Lm，大于散射平均自由程；n载流子从源到漏运动需经过多次散射；n载流子运动速度用平均漂移速度表征；n弹道输运MOSFETn沟道长度Lm，小于散射平均自由程；n载流子从源到漏运动大部分没有一次碰撞-弹道输运；n高速器件、纳米器件；1512.2 按比例缩小 为什么要缩小MOSFET尺寸?提高集成度：同样功能所需芯片面积更小提升功能：同样面积可实现更多功能降低成本：单管成本降低改善性能：速度加快，单位功耗降低若尺寸缩小30，则 栅延迟减少30，工作频率增加43 单位面积的晶体管数目加倍 每次切换所需能量减少65，节省功耗5016n完全按比例缩小完全按比例缩小(Full Scaling)n尺寸与电压按同样比例缩小n电场强度保持不变n最为理想，但难以实现12.2 按比例缩小 缩小方式恒压按比例缩小恒压按比例缩小(Fixed Voltage Scaling)尺寸按比例缩小，电压保持不变电场强度随尺寸的缩小而增加，强场效应加重一般化按比例缩小一般化按比例缩小(General Scaling)尺寸和电场按不同的比例因子缩小迄今为止的实际做法1712.2 按比例缩小 完全按比例缩小:规则2(2)2afpTFBfpoxe NVVCxE,DSWkW LkLV 不变DSkVGI VSV特性不变TVG,SkVTkVyEoxt 不变,oxktDDxkx/DSDaVxNaaNNk)(222DSDSTGSoxnDVVVVLCWI(,kk第一项后二项与 无关）1812.2 按比例缩小 完全按比例缩小:结果WLkLW2沟道面积LWLW沟道宽长比RWLR导通电阻oxoxoxkCtWLC总栅电容DDkIVLWI漏源电流DIkIVP2功率pWLPp功率密度kRC 延迟时间1912.2 按比例缩小 完全按比例缩小:小结2012.3 阈值电压修正 VT与L、W的相关性无关、宽度与沟道长度的阈值电压长、宽沟道WLVCQVfpFBoxSDTN2|MOSFETmax的变化而变化随沟道长度的阈值电压（短沟道LrLj)MOSFET的变化而变化随沟道宽度的阈值电压（窄沟道WxWdT)MOSFET漏、源区扩散结深rj表面空间电荷区厚度xdTn沟道MOSFET短沟道长沟道n沟道MOSFET窄沟道宽沟道21LL12.3 阈值电压修正 VT随L的变化:表面空间电荷 短沟道效应dTaBdTaBGSxeNQWLxeNQV|(max单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用长沟道）：理想模型)2(1|2|(maxLLLLLxeNQWLLxeNQVdTaBdTaBGS利用单位面积的表面电荷控制的表面总电荷受适用短沟道）：实际情形2212.3 阈值电压修正 VT随L的变化:L的计算LL源-体结空间电荷区宽度表面空间电荷区宽度漏-体结空间电荷区宽度源、漏pn结结深dTdsTGBDSxxxVVV）（）假定：（2;,01121jdTjrxrL12111|maxjdTjdTadTaBrxLrxeNLLxeNQjdTrxjrLdTx230121TTjdTjoxdTaTrxLrCxeNVVV（长沟道）（短沟道）12112|2maxjdTjoxdTafpFBoxBfpFBTrxLrCxeNVCQVV若沟道长度L短到与漏-源结深rj相当时，阈值电压VT与沟道长度L有关，此时VT随L的减少而减少12.3 阈值电压修正 VT随L的变化:VT的计算-0.140Vm18.0,V376.0,F/cm1067.7m5.0,m25.1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaVxCrLtN沟道计算实例24DSTVV 漏源电压|/TaTjVNVrL表面电荷密度衬底掺杂浓度源漏扩散结深沟道长度12.3 阈值电压修正 VT随L的变化:关系曲线VDS0VBS0BSTVV 体源电压2512.3 阈值电压修正 VT随W的变化:表面电荷 窄沟道效应max(GSBadTBadTVQeN x WLQeN x理想模型 适用宽沟道）：受控制的表面总电荷 单位面积的表面电荷 max(|2|12GSBadTdTdTBadTVQeN xWLLxxQeN xW实际情形 适用窄沟道）：受控制的表面总电荷 单位面积的表面电荷 LxdT241241圆柱体的体积为边缘两个26WXCxeNVVdoxdTafpFBT212max02(WxCxeNVVVdToxdTaTTT宽沟道）窄沟道）WxCxeNVdToxdTaT圆柱体，则若沟道边缘非4/1若沟道宽度W窄到与表面空间电荷区宽度xdT相当时，阈值电压VT与沟道宽度W有关，此时VT随W的减少而增加12.3 阈值电压修正 VT随W的变化:VT的计算0.2Vm18.0,V376.0,F/cm1067.7/2m,5.0,m59.1,nm45,cm103MOSFET,n:38316TdTfpoxjoxaVxCrWtN沟道计算实例2712.3 阈值电压修正 VT随W的变化:关系曲线|TaVN表面空间电荷密度衬底掺杂浓度|/TdTVxW表面空间电荷区厚度沟道宽度2812.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:原理np型半导体表面注入受主杂质Na（如B）半导体表面净掺杂浓度表面更难以反型VToxITTCeDVV0受主注入剂量（单位面积注入的离子数）注入前的阈值电压p型半导体表面注入施主杂质Nd（如P）半导体表面净掺杂浓度表面更容易反型VToxITTCeDVV0施主注入剂量（单位面积注入的离子数）注入前的阈值电压2912.3 阈值电压修正 离子注入调整VT:注入杂质分布1、Delta函数型分布)(aSINNxD 2、阶跃函数型分布 IasIxNND)(3、高斯函数型分布：更接近实际情况，分析较复杂。平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度平均注入掺杂浓度注入前的掺杂浓度注入深度反型时，xdTxI,VT由DI决定；3012.4 击穿特性 MOSFET主要击穿机构。漏源击穿BVDS：漏pn结击穿，与VDS、VGS均有关栅源击穿BVGS：栅氧化层击穿，只与VGS有关3112.4 击穿特性 栅-源介质击穿n击穿现象击穿现象nVGSBVGS氧化层电场强度Eox临界电场强度EB(0.51)x107V/cm时，氧化层发生介电击穿n当氧化层厚度50nm时，BVGS=30V，若EB6x106V/cm，则要求工作电压VGS10V（安全余量为3）n击穿过程击穿过程n针孔凹坑空洞崩塌n电流I温度T电流I，形成热电正反馈n击穿场强的来源击穿场强的来源n栅压VGS：EoxVGS/toxn栅感应电荷QI：EoxQI/toxCox3212.4 击穿特性 漏pn结击穿3312.4 击穿特性 沟道雪崩倍增效应SIDIsubI发自S端的载流子（形成电流IS）受沟道电场的加速在D端附近发生雪崩倍增，产生的电子被漏极收集（加入ID），产生的空穴注入衬底（产生Isub）雪崩倍增形成条件雪崩倍增形成条件：n 短沟道：L越短，沟道电场越强n n沟道：空穴的碰撞电离率小于电子，产生雪崩倍增的临界电场强度大于电子)111MIMISD（雪崩倍增因子3412.4 击穿特性 寄生晶体管效应)1)1(111MIMIMIIISSSDSub（DsubsubsubsubDIIVIRSI从 注入沟道的电子数所致）不是因（这种出现负阻效应所需的维持大电流DSDSVIVIDD沟道）（短沟道，）沟道雪崩倍增（；）（形成条件：n201subRSIDIsubI3512.4 击穿特性 源漏穿通效应空间电荷区交接，势垒消失了，漏电流增大36n短沟道器件穿通特性曲线12.4 击穿特性 源漏穿通效应3712.4 击穿特性 轻掺杂漏(LDD)晶体管传统结构LDD结构漏区掺杂浓度较高且分布梯度较陡漏区掺杂浓度较低且分布梯度较缓降低了电场峰值及分布梯度38DMOS(双扩散MOSFET)埋沟MOSFETSOI结构(绝缘体上硅)将器件制作在绝缘膜或绝缘衬底上形成的单晶硅上。12.4 击穿特性3912.5 可靠性效应 MOSFET的辐射效应辐射产生氧化辐射产生氧化层电荷层电荷辐射产生辐射产生界面态界面态x射线、射线等离化辐射将SiO2中的电子-空穴对打开，同时产生自由电子和自由空穴辐射产生的电子在SiO2中很快移出栅极（迁移率20cm2/Vs）辐射产生的空穴通过SiO2的随机跃迁缓慢地向Si-SiO2界面移动（迁移率10-410-11cm2/Vs）到达Si-SiO2界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘获，呈现正的空间电荷，使VT向负方向移动离化辐射打开Si-SiO2界面的饱和键，产生界面陷阱。在禁带下部为施主态，上部为受主态，可部分补偿辐射引入的正氧化层电荷对VT的影响4012.5 可靠性效应 辐射产生氧化层电荷:特性1正栅压下，辐射引入的空穴向硅一侧移动，且栅压VG中途未被复合而最终到达Si-SiO2界面附近且被陷阱俘获的空穴数引入的附加正电荷量平带电压漂移量|Vfb|当Si-SiO2界面附近的空穴陷阱全被占据时，平带电压漂移量趋于饱和负栅压下，辐射引入的空穴向栅极一侧移动引入附加正电荷的作用较弱，且基本不随VG的变化而变化4112.5 可靠性效应 辐射产生氧化层电荷:特性2离化辐射剂量离化辐射剂量rad(Si)p沟道MOSFET：导通电压为负栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果弱n沟道MOSFET：导通电压为正栅压，故辐射产生氧化层电荷的效果强辐射剂量很高时，辐射引入的界面态产生，阈值电压变化反转。4212.5 可靠性效应 辐射产生界面态:特性1亚阈值电流（亚阈值电流（A）在亚阈区，ID-VGS曲线的斜率是界面态密度的函数辐射总剂量越大，则引入的界面态密度越大不同总离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系不同总离化辐射剂量下的亚阈值电流与栅压的函数关系4312.5 可靠性效应 辐射产生界面态:特性2界面态的生成还会受氧化层电场的影响。离化辐照后，界面态密度逐渐上升，并在1001000s后才能达到其稳定值4412.5 可靠性效应 热电子效应在漏区附近的沟道中因雪崩倍增产生的高能电子，有可能受正栅压所产生的纵向电场作用，越过Si-SiO2界面势垒，进入SiO2层中，此电子的能量比热平衡是要高很多，因此称为热电子。产生栅电流（pAfA量级）。产生负的充电效应，引入负氧化层电荷，使VT正向漂移。热电子能量较大会产生附加的界面态，使迁移率及跨导下降。作用：4512.6 小结 1nMOSFET在弱反型区存在所谓“亚阈值电流”。该电流与栅源电压及漏源电压呈指数关系。nMOSFET在饱和区的有效沟道长度随漏源电压的增加而增加，导致漏源电流略微增加，形成所谓“沟道长度调制效应”。此效应在短沟道和低掺杂衬底中才显著。n沟道迁移率随沟道横向电场和纵向电场的增加而下降。在强的横向电场下，载流子在沟道中的漂移速度将会达到饱和，此时漏源电流与栅源电压呈线性关系4612.6 小结 2n缩小MOSFET尺寸可以提高集成度和工作速度。器件尺寸与工作电压按同样比例缩小较为理想，但难以实现。n在短沟道和窄沟道条件下，阈值电压会随沟道长度和沟道宽度的变化而变化。在实际工艺中常采用离子注入来调整阈值电压。n栅源介质击穿和漏体pn结击穿是MOSFET主要击穿机构。短沟道器件可能会出现沟道雪崩倍增，引发寄生晶体管效应或热电子效应。n离化辐照会引入氧化层电荷和界面态，导致阈值电压漂移和迁移率退化。47END48