半導體器件物理課件4.pdf

Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 第一章第一章 引言引言 第二章第二章 半導體器件物理基礎半導體器件物理基礎 第三章第三章 MOS FETMOS FET基本結構和原理基本結構和原理 第四章第四章 短溝道短溝道MOSMOS器件器件 第五章第五章 存儲器件基礎 不揮發(fā)存儲器件基礎 不揮發(fā) 揮發(fā) 揮發(fā) 第六章第六章 異質結的基本特性和應用異質結的基本特性和應用 第七章第七章 SOISOI結構和結構和SOI CMOSSOI CMOS器件器件 第八章第八章 納米尺度器件及芯片加工技術納米尺度器件及芯片加工技術 章節(jié) Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 短溝道MOSFET器件 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 短溝道MOSFET器件物理 1950 1960 1970 1980 1990 2000 2010 2020 2030 1E 3 0 01 0 1 1 10 Shrinking of MOSFETs forecast shrink of 13 year 2 3 years 2 in area shrink 3 years Min feature 祄 Year wS wD wC VD VG Source depletion Drain depletion Charge sharing DIBL Moore s law Short channel ox B BFBT C Q VVV 2 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 1 MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應的短溝道效應和窄溝道效應 2 小尺寸小尺寸MOSFET的直流特性的直流特性 3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律的按比例縮小規(guī)律 章節(jié) 4 實現(xiàn)短溝道實現(xiàn)短溝道MOSFET器件的新技術器件的新技術 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 6 1 一一 MOSFET 的短溝道效應 的短溝道效應 SCE 1 閾值電壓 卷曲 閾值電壓 卷曲 VT roll off 2 漏感應勢壘降低 漏感應勢壘降低 DIBL 3 速度飽和效應速度飽和效應 4 亞閾特性退化亞閾特性退化 5 熱載流子效應熱載流子效應 MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 閾值電壓 卷曲 閾值電壓 卷曲 VT roll off 1 現(xiàn)象現(xiàn)象 短溝道效應短溝道效應 窄溝道效應窄溝道效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 短溝道短溝道Vt roll off的原因的原因 長溝道長溝道 MOSFET 短溝道短溝道 MOSFET s yx x yx 2 2 s yx y yx x yx 2 2 2 2 GCA 0 2 2 y yx p Si p Si 0 2 2 y yx 多個耗盡區(qū)對溝道電荷有影響 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 電荷分享模型電荷分享模型 Poon Yau ox B BFBT C Q VVV 2 NMOS ox B BFBT C Q VVV 2 考慮到源 漏 襯底 的耗盡區(qū)對溝道的電 荷貢獻 wS wD wC VD VG Source depletion Drain depletion 溝道長度繼續(xù)減小溝道長度繼續(xù)減小 由于源 漏 襯底的 耗盡區(qū)向溝道內擴展 柵極電壓導致溝道所需 的電荷減少 Vt 降低 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 L L Ld Ld Q Q B B 1 22 1 max max j xdrL 2 1 2 max 2 2 1 2 1122 2 1 max j j BSBBFBT x d L x VVVVV L VT tox VT NA dmax F VT xj VT 因此因此 QB QB 電荷分享因子 電荷分享因子 F 的計算 的計算 VDS 0V Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 當當 VDS 0 時時 VDS F VT 抑制抑制 VT roll off 的措施 的措施 1o xj 2o NA 3o tox 4o VBS 5o VDS Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 反常短溝道效應 反常短溝道效應 RSCE VT roll up 1 現(xiàn)象現(xiàn)象 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 原因原因 MOS 重新氧化 重新氧化 RE OX 工藝 工藝 OED 氧化增強擴散 氧化增強擴散 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 分析分析 00 exp GyQyQ fsfs 單位 單位 C cm2 橫向分布的特征長度橫向分布的特征長度 源 漏 端雜質電荷面密度源 漏 端雜質電荷面密度 單位 單位 C 0 00 2exp1 2 GL LC GQ ox fs LWC Q V ox FS T 000 2 0 2exp12 2GLWGQdyyQWQ fs L fsFS Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 窄溝道效應 窄溝道效應 NWE 1 現(xiàn)象現(xiàn)象 W VT 短溝道效應短溝道效應 窄溝道效應窄溝道效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 邊緣耗盡效應邊緣耗盡效應 BSBBFBT VVVVV 22 寬溝 ox B C Q ox W BSBBFBT C Q VVVVV 22 窄溝 W d dW d Q Q B Wmax max 2 max 2 2 1 W QB Q W SiO2 dmax x z y 圓弧 圓弧 一般地 引入經驗參數(shù)一般地 引入經驗參數(shù) GW W d G Q Q W B Wmax Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 三種氧化物隔離結構的三種氧化物隔離結構的 NWE Raised field oxide isolation W VT LOCOS W VT STI W VT 反窄溝道效應反窄溝道效應 inverse NWE Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 4 雜質橫向擴散的影響雜質橫向擴散的影響 雜質濃度邊緣高 中間低雜質濃度邊緣高 中間低 邊緣不易開邊緣不易開 啟啟 隨著隨著 W VT 窄溝道效應窄溝道效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 1 MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應的短溝道效應和窄溝道效應 2 小尺寸小尺寸MOSFET的直流特性的直流特性 3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律的按比例縮小規(guī)律 章節(jié) 4 實現(xiàn)短溝道實現(xiàn)短溝道MOSFET器件的新技術器件的新技術 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 漏感應勢壘降低 漏感應勢壘降低 DIBL 1 現(xiàn)象現(xiàn)象 L 很小時 很小時 VDS VT DSTDST VVVV 0 DIBL 因子因子 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 原因原因 1 電荷分享電荷分享 1 2 1 2 2 1 j D j x y L x 1 2 1 2 1 2 1 j S j B B x y L x Q Q F 2 1 1 DS yy L BSbi A s S VV qN y 2 BSDSbi A s D VVV qN y 2 VDS F VT ox BSBAsDS T LC VVNqyy V 5 0 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 電勢的二維分布電勢的二維分布 導帶邊導帶邊 Ec Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 短溝道短溝道 MOSFET 的亞閾特性的亞閾特性 1 現(xiàn)象現(xiàn)象 長溝道長溝道 短溝道短溝道 IDSst 1 L IDSst 1 L IDSst 與與 VDS 無關無關 VDS IDSst S 與與 L 無關無關 L S 長溝道長溝道 MOSFET 短溝道短溝道 MOSFET DIBL Vth 1 0 1 V Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 短溝道短溝道 MOSFET 的亞閾擺幅的亞閾擺幅 隨溝道長度減小 亞閾值擺幅 subthreshold swing 有增大的趨勢 subthreshold swing 增大 驅動電流 漏電流比減小 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 原因原因 PTDSstDSst III 擴散短溝 1 亞表面穿通 亞表面穿通 sub surface punchthrough 均勻摻雜襯底均勻摻雜襯底 VT adjust implant 因溝道變短 亞表面容易源漏穿通 漏電流上升 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 亞表面穿通 亞表面穿通 sub surface punchthrough 3 抑制 sub surface punchthrough 的措施 1 選擇合適的選擇合適的 NB 10 chB NN 2 做做 anti punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant PTI Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 PTI 10ln q kT nS x Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 Halo implant Halo implant 擴散長度需要很慢 一般B halo implant 需要加 C implant Halo implant 劑量上升 漏結漏電流上 升 tunneling impact ionization 可以單邊Halo 或雙邊Halo implant Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 熱載流子效應抑制熱載流子效應抑制 新型漏結構新型漏結構 1 最大漏電場 Eymax 飽和時飽和時 3 13 1 max 22 0 joxDSsatDSy xtVVE tox 和和 xj 均以均以 cm 為單位為單位 降低 Eymax 措施 tox xj VDS VDD 新型漏結構 Graded pn junction 2 雙擴散漏 DDD P 比 As 擴散系數(shù)大 DDD 應用范圍 L 1 5 m Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 輕摻雜漏結構 LDD Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 LDD 結構的電場分布結構的電場分布 普通 普通 3 13 1 max 22 0 joxDSsatDSy xtVVE LDD 3 13 1 maxmax 22 0 jox n yDSsatDSy xtLEVVE n joxDSsatDSy LxtVVE 3 13 1 max 22 0 LDD 應用范圍 L 1 25 m 優(yōu)點 電場降低 漏電流減小 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 小尺寸小尺寸MOSFET的直流特性的直流特性 1 載流子速度飽和效應載流子速度飽和效應 velocity saturation v 不飽和區(qū)不飽和區(qū) v 飽和區(qū)飽和區(qū) v Ey Ey 107cm s Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 長溝道 短溝道直流特性對比 2 2 1 DSDSTGSDS VVVVI 長溝道長溝道 短溝道短溝道 線性區(qū)線性區(qū) 2 2 1 DSDSTGSDS VVVVI IDS 飽和條件飽和條件 LWCox n LEV LWC satDS oxeff 1 0 LQn TGSDSsat VVV satn vv TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V 飽和區(qū)飽和區(qū) 2 2 2 1 2 1 DSsatTGSDSsat VVVI TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV WCvI 2 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 短溝道 MOSFET 飽和區(qū)特性 計算溝道中 P 點 速度達到 vsat 電場達到 Esat 的電流 區(qū)區(qū) I 2 2 1 1 DSsatDSsatTGSox sat DSsat eff DS VVVV L W C LE V I DSsatTGSoxsatsatnDS VVVCWvWvPQI 區(qū)區(qū) II DSsat I TGSsat TGSsat DSsat VVLE VVLE V TGSsat TGS oxsatDSsat VVLE VV WCvI 2 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 溝道摻雜隨機分布 dopant random distribution 短溝道器件 溝道摻雜濃度升高且溝道長度和寬度減小 溝道摻雜隨機分布 對閾值電壓偏差的影響增大 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 柵電場導致的mobility degradation 源漏電場導致載流子速度飽和甚至在更小器件中的過沖 溝道長度調制作用 3 Punch through 1 Hot electrons impact ionization gate injection 2 gate break through 寄生效應 Source Drain 電阻 擊穿性能影響 Avalanche multiplication Drain break through Parasitic Bipolar Transistor 載流子遷移 High Electric Fields 高電場使短溝道MOS管性能變差 短溝道器件中的高電場的影響總結短溝道器件中的高電場的影響總結 由于短溝道器件中的電場上升 導致以下效應 由于短溝道器件中的電場上升 導致以下效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 1 MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應的短溝道效應和窄溝道效應 2 小尺寸小尺寸MOSFET的直流特性的直流特性 3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律的按比例縮小規(guī)律 章節(jié) 4 實現(xiàn)短溝道實現(xiàn)短溝道MOSFET器件的新技術器件的新技術 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 MOSFET 的按比例縮小規(guī)律的按比例縮小規(guī)律 Moore s Law Continues Transistors doubling every 18 months towards the billion transistor microprocessor Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Transistor Gate Length Scaling Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 International Technology Roadmap of Semiconductors Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 1 Why miniaturization 速度速度 功耗功耗 集成度集成度 功能功能 價格價格 功能功能 2 How miniaturization Scaling according to some rules Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 一一 MOSFET 的的 scaling 規(guī)則規(guī)則 1 恒電場恒電場 CE scaling 尺寸縮小到尺寸縮小到 1 電壓縮小到電壓縮小到 1 電場不變 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Constant Electric Field Scaling 電場電場 yxE x yx x yx x yx yxE xx 襯底摻雜襯底摻雜 AA NN DSDS II 驅動電流驅動電流 電流密度電流密度 I A AI A I AI 2 RC 延遲時間延遲時間 GG CRCR 功耗功耗 22 PIVVIVIP 電路密度 電路密度 CD A ACD 2 2 1 1 耗盡層等比縮小 2 2 1 1 DSsatDSsatTGSox sat DSsat eff DS VVVV L W C LE V I Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Constant Electrical Field Scaling Rule Requirements Device dimensions L L Channel length W W Channel width t ox tox Oxide thickness x j xj S D depth Device doping N A NA Applied voltage V A VA Results device parameters Electrical field E x y E x y Electric potential x y x y Drain depletion width W D WD Gate capacitance C G CG Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Constant Electrical Field Scaling Rule cont Drain current I I Not valid for subthreshold region Current density I A I A Channel resistance R R Results circuit performance Circuit delay time RC Power IV P P 2 Power density P A P A P A Circuit density CD CD 2CD Assumption Threshold voltage V T VT Not valid Build in voltage V bi V DD Not valid Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 恒電壓恒電壓 CV scaling 1o 為了應用和標準化 為了應用和標準化 VDD 不能連續(xù)不能連續(xù) scaling VDD 5 0 V 0 8 m 2o VT 和和 Vbi scaling 困難困難 目的目的 尺寸縮小到尺寸縮小到 1 電壓不變電壓不變 電場增大到電場增大到 倍倍 做法做法 問題 高場造成遷移率下降 熱載流子效應問題 高場造成遷移率下降 熱載流子效應 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 3 準恒電壓準恒電壓 QCV scaling Generalized scaling 做法 尺寸縮小到做法 尺寸縮小到 1 電場增加到電場增加到 倍 通常倍 通常 1 恒電場 恒電場 1 恒電壓 恒電壓 AA NN yxyx 功耗密度功耗密度 P A 2 23 A P AP AP 3 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Generalized Scaling Rule 1 Requirements Device dimensions L L Channel length W W Channel width t ox tox Oxide thickness x j xj S D depth Device doping N A NA Applied voltage V A VA Results device parameters Electrical field E x y E x y Electric potential x y x y Drain depletion width W D WD Gate capacitance C G CG Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Generalized Scaling Rule 1 cont Drain current I 2 I Not valid for subthreshold region Current density I A 2 I A Channel resistance R R Results circuit performance Circuit delay time RC Power IV P 3 2 P Power density P A P A 3 P A Heavy burden Circuit density CD CD 2CD Assumption Threshold voltage V T VT More valid than in CE Build in voltage V bi V DD Not valid Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 4 亞閾值亞閾值 scaling Subthreshold scaling 強反型 強反型 ON 態(tài) 態(tài) IDS 可以可以 scaling DSDS II CE scaling DSDS II 2 Generalized scaling 弱反型 弱反型 OFF 態(tài) 態(tài) IDSst 不能不能 scaling Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Subthreshold Scaling 用亞閾特性 不變壞 作為準則來用亞閾特性 不變壞 作為準則來 scaling 器件器件 長溝道長溝道 MOSFET IDSst 基本上與基本上與 VDS 無關 無關 短溝道短溝道 MOSFET IDSst 與與 VDS 有關有關 經驗準則經驗準則 當當 VDS 增加增加 0 5 V IDSst 的增加的增加 10 短溝道 短溝道 經驗公式 經驗公式 3 1 2 minDSoxj WWtxAL m m 0 4 1 3 m 長溝道長溝道 短溝道短溝道 Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 二二 Scaling 的限制及對策 新結構 的限制及對策 新結構 1 xj xj RS RD gD 線性線性 gm 飽和飽和 對策 對策 自對準金屬硅化物技術自對準金屬硅化物技術 Salicide Self aligned silicide 3 1 2 minDSoxj WWtxAL Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 2 tox Fowler Nordheim 隧穿電流 隧穿電流 oxox EBAEJ exp 2 要求 要求 Jg low leakage slowly low power low Vt thin gate oxide high speed high leakage high performance Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 30nm planar bulk MOSFET Agressively scaled planar bulk device optical lithography 248 nm phase shift mask oxide thickness 0 8 nm Source INTEL IEDM 2000 Top view cross section 0 8 nm SiO2 gate dielectric VDD 0 85 V Ioff 100nA m S 100mV dec DIBL 100mV Ion 500 A m gm 1200mS mm gate delay 0 9 psec 30nm planar bulk CMOS is achievable with todays equipment retrograded well no halo all T 柵電容增大 亞閾值擺幅和驅動電流 改善 襯底體積減小 漏電流降低 缺點 制造復雜 閾值電壓難用離子注入調節(jié) fully depleted 48nm FinFET DRAM Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Gate all around transistor Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Raised S D MOSFET 50 increase of ID in NMOS 30 increase of ID in PMOS Source drain series resistance can be reduced By epitaxy Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 U shape device 6xnm DRAM with U shape device Channel is recessed into the substrate Ultra low leakage current 1T 1C DRAM Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 SOI MOSFET DST Depleted Substrate Transistor Fully Depleted FD SOI MOSFET Lg 65 nm 75 mV dec 95 mV dec 低漏電流 小寄生電容低漏電流 小寄生電容 SOI襯底昂貴 襯底昂貴 需考慮浮體效應需考慮浮體效應 floating body effect Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Vertical transistor n Drain p epi Drain Gate Gate Gate Gate A Vertical Replacement Gate VRG MOSFET PSG PSG SiO2 Si Chemical Mechanical Polishing Si epitaxy deposition poly Source deposition nitride spacer formation open gate grown gate oxide poly deposition patterning SD extension drive in Dr P F Wang Fudan University Advanced semiconductor devices and physics 2012 10 Planar Layout from 0 25 m ASIC library VRG Layout using similar 0 25 m design rules VRG vs Planar Similar packing density Up to double dri