復(fù)旦-半導(dǎo)體器件-仇志軍 第四章小尺寸MOSFET的特性

1、1/75半導(dǎo)體器件原理半導(dǎo)體器件原理主講人：仇志軍主講人：仇志軍本部遺傳樓309室 55664269Email: 助教：王晨禹2/75第四章 小尺寸MOSFET的特性4.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律3/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)14.1.1 MOSFET 的短溝道效應(yīng)（SCE）1. 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）2. 漏感應(yīng)勢(shì)壘降低（DIBL）3. 速度飽和效應(yīng)4. 亞閾特性退化5. 熱載流子效應(yīng)4/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)24.1.2 閾值電壓“卷曲”

2、（VT roll-off）1. 現(xiàn)象短溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)5/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)34.1.2 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）2. 原因長溝道 MOSFET短溝道 MOSFETsyxxyx),(),(22syxyyxxyx),(),(),(2222GCA：0),(22yyxp-Sip-Si0),(22yyx6/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)44.1.2 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）2. 原因2222),(),(),(yyxyxxyxsseffyx),(p-SiAeffANN VT 3. 電荷分享模型 (Poon-Yau)ox

3、BBFBTCQVVV2BSBBFBVVVV22NMOSoxBBFBTCQVVV2BSBBBBFBVVQQVV227/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)44.1.2 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）3. 電荷分享模型 (Poon-Yau)計(jì)算 QB/QB（電荷分享因子 F ）LLLdLdQQBB1221maxmaxjjxddx2/12max2maxjxdrL2/12max221212/1maxjjxdx12112/1maxjjBBxdLxQQ1211222/1maxjjBSBBFBTxdLxVVVVVVDS = 0NMOS8/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效

4、應(yīng)54.1.2 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）3. 電荷分享模型 (Poon-Yau)討論 QB/QB（電荷分享因子 F ）dmax/xj 較小時(shí)dmax/xj 較大時(shí)LdQQFBBmax1LdxdLxQQFjjBBmax2/1max11211經(jīng)驗(yàn)參數(shù)（ 1）12122/1maxjjBSBTTTxdLxVVVVVBSBoxoxsVVLt22BSBVVLd2max1o L F VT 2o tox VT 3o NA dmax F VT 4o xj VT 9/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)64.1.2 閾值電壓“卷曲”（VT roll-off）3. 電荷分享模型 (Po

5、on-Yau)討論 QB/QB（電荷分享因子 F ）當(dāng) VDS 0 時(shí)oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5 . 0211DSBByyLQQFVDS F VT 抑制 VT roll-off 的措施：1o xj 2o NA 3o tox 4o VBS 5o VDS 10/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)74.1.3 反常短溝道效應(yīng)（RSCE / VT roll-up）1. 現(xiàn)象11/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)84.1.3 反常短溝道效應(yīng)（RSCE / VT roll-up）2. 原因MOS “重新氧化”（RE-OX）工藝OED：氧化增強(qiáng)擴(kuò)散12/754.1

6、 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)94.1.3 反常短溝道效應(yīng)（RSCE / VT roll-up）3. 分析00exp)(GyQyQfsfs單位：C/cm2橫向分布的特征長度源（漏）端雜質(zhì)電荷面密度單位：C0002exp12GLLCGQoxfsLWCQVoxFST0002/02exp12)(2GLWGQdyyQWQfsLfsFS13/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)104.1.4 窄溝道效應(yīng)（NEW）1. 現(xiàn)象W VT 短溝道效應(yīng)窄溝道效應(yīng)14/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)114.1.4 窄溝道效應(yīng)（NEW）2. 邊緣耗盡效應(yīng)BSBBFBTVVVVV2

7、2,寬溝oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV22,窄溝WddWdQQBWmaxmax2max221WQBQWSiO2dmaxxzy 圓?。阂话愕?，引入經(jīng)驗(yàn)參數(shù) GWWdGQQWBWmax15/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)124.1.4 窄溝道效應(yīng)（NEW）3. 三種氧化物隔離結(jié)構(gòu)的 NWERaised field-oxide isolation： W VT LOCOS： W VT STI： W VT 反窄溝道效應(yīng)（inverse NWE）16/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)134.1.4 窄溝道效應(yīng)（NEW）4. 雜質(zhì)橫向擴(kuò)散的影響雜質(zhì)濃度邊緣高，

8、中間低 邊緣不易開啟 隨著 W VT 窄溝道效應(yīng)17/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)144.1.5 漏感應(yīng)勢(shì)壘降低1. 現(xiàn)象L 很小時(shí)， VDS VT DSTDSTVVVV)0()(DIBL 因子18/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)154.1.5 漏感應(yīng)勢(shì)壘降低2. 原因(1) 電荷分享12122/1jDjxyLx121212/1jSjBBxyLxQQF211DSyyLBSbiAsSVVqNy2BSDSbiAsDVVVqNy2VDS F VT oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5 . 019/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)164.1.5

9、 漏感應(yīng)勢(shì)壘降低2. 原因(2) 電勢(shì)的二維分布導(dǎo)帶邊 Ec表面勢(shì)lLlyLVVlLlyVVVVyVsLbisLDSbisLssinhsinhsinhsinh)(特征長度oxoxstdlmaxVT =lLlLVVVDSBbiexp22exp22VDS 很小lLVVVVlLVVVBbiBbiDSBbi2exp222exp23VDS 大TGSsLVVV20/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)174.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性1. 現(xiàn)象 長溝道 短溝道 IDSst 1/LIDSst 1/L IDSst 與 VDS 無關(guān)VDS IDSst S 與 L 無關(guān)L S 長溝道 M

10、OSFET短溝道 MOSFET21/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)184.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性1. 現(xiàn)象短溝道 MOSFET 的亞閾擺幅22/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)184.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性2. 原因PTDSstDSstIII)(,擴(kuò)散短溝(1) 亞表面穿通（sub-surface punchthrough）均勻摻雜襯底VT adjust implant23/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)194.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性2. 原因 (1) 亞表面穿通（sub-surface

11、punchthrough） Vbi + 7 V電子濃度分布24/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)204.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性2. 原因 (1) 亞表面穿通（sub-surface punchthrough）3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施1o 選擇合適的 NB ：10chBNN2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）25/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)214.1.6 短溝道

12、MOSFET 的亞閾特性2o PTI10lnqkTnS x3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施26/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)224.1.6 短溝道 MOSFET 的亞閾特性3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施3o Halo implantHalo implant 劑量上限 漏結(jié)雪崩擊穿27/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)234.1.7 熱載流子效應(yīng)抑制-新型漏結(jié)構(gòu)1. 最大漏電場 Eymax飽和時(shí)3/13/1max22. 0joxDSsatDSyxtVVEtox 和 xj 均以 cm 為單

13、位降低 Eymax 措施 tox xj VDS VDD 新型漏結(jié)構(gòu) Graded pn junction2. 雙擴(kuò)散漏 (DDD)P 比 As 擴(kuò)散系數(shù)大28/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)244.1.7 熱載流子效應(yīng)抑制-新型漏結(jié)構(gòu)2. 雙擴(kuò)散漏 (DDD)雙擴(kuò)散漏結(jié)構(gòu) (DDD)DDD 應(yīng)用范圍：Lmin 1.5 m（對(duì)于 VDD = 5 V）29/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)254.1.7 熱載流子效應(yīng)抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3. 輕摻雜漏結(jié)構(gòu) (LDD)30/754.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)254.1.7 熱載流子效應(yīng)抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3.

14、輕摻雜漏結(jié)構(gòu) (LDD)LDD 結(jié)構(gòu)的電場分布普通：3/13/1max22. 0joxDSsatDSyxtVVELDD：3/13/1maxmax22. 0joxnyDSsatDSyxtLEVVEnjoxDSsatDSyLxtVVE3/13/1max22. 0LDD 應(yīng)用范圍：L 1.25 m31/75第四章 小尺寸MOSFET的特性4.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律32/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1 載流子速度飽和效應(yīng)v 不飽和區(qū)v 飽和區(qū)v(Ey) =Ey EsatsatyyeffEEE

15、12sateffsatEvEy Esat33/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1 載流子速度飽和效應(yīng)長溝道、短溝道直流特性對(duì)比221 DSDSTGSDSVVVVI長溝道短溝道線性區(qū)221 DSDSTGSDSVVVVIIDS 飽和條件LWCoxnLEVLWCsatDSoxeff10)(LQnTGSDSsatVVVsatnvv TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV飽和區(qū)222121DSsatTGSDSsatVVVITGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI234/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1 載流子速度飽和效應(yīng)短溝道 MOS

16、FET 飽和區(qū)特性計(jì)算溝道中 P 點(diǎn)（速度達(dá)到 vsat ，電場達(dá)到 Esat ）的電流區(qū) I：2211DSsatDSsatTGSoxsatDSsateffDSVVVVLWCLEVI)(DSsatTGSoxsatsatnDSVVVCWvWvPQI區(qū) II：=DSsatITGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEVTGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI235/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1 載流子速度飽和效應(yīng)短溝道 MOSFET 的直流特性TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV線性區(qū)2211DSDSTGSoxsatDSeffDSVV

17、VVLWCLEVI飽和區(qū)TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI2飽和條件：當(dāng) Esat L Esat 時(shí)lVVEDSsatDSymax44/754.2 小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2 短溝道器件溝道中的電場3. 準(zhǔn)二維模型實(shí)際 l 需用經(jīng)驗(yàn)公式修正l =3/13/122. 0joxxt3/18/12107 . 1joxxttox 15 nmtox 15 nm45/75第四章 小尺寸MOSFET的特性4.1 MOSFET的短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律46/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律14

18、.3.1 按比例縮小規(guī)律概述Moores Law ContinuesTransistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor47/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律24.3.1 按比例縮小規(guī)律概述Transistor Gate Length Scaling48/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律34.3.1 按比例縮小規(guī)律概述International Technology Roadmap of Semiconductors49/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律44.

19、3.1 按比例縮小規(guī)律概述(1) Why miniaturization?速度 功耗 集成度 功能 價(jià)格 / 功能 (2) How miniaturization?Scaling according to some rules.50/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律54.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scaling尺寸縮小到 1/電壓縮小到 1/ 電場不變！51/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律64.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scalingConstant Electrical-Field Sc

20、alingxx yy ),() , ( yxyx),(),(),() , ( ) , ( yxExyxxyxxyxyxExx同理),() , ( yxEyxEyy 驗(yàn)證泊松方程syxyyxxyx),(),(),(2222syxyyxxyx) , ( ) , ( ) , ( 2222),() , ( yxyxAANN52/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律74.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scaling2/12ADSbisDqNVVW2/12ADSbisDqNVVW一般地，bibiVV 但當(dāng) 時(shí)，則DSbiVV DDWW oxoxttoxoxCCo

21、xGWLCCoxGCLWCGGCC DSDSIIDSsatTGSoxnTGSoxnDSsatIVVLWCVVLWCI222121 電流密度 I/AAIAIAI2假設(shè) VT 也可以按 1/ scaling53/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律84.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scaling 溝道電阻IVR RIVIVIVR同理mmggDDgg RC 延遲時(shí)間GRCGGCRCR 功耗IVP 22PIVVIVIP 功耗密度 P/AAPAPAP2211電路密度ACD1CDAACD221154/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律94.3.2 MOS

22、FET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scalingConstant Electrical-Field Scaling RuleRequirementsDevice dimensionsL = L/Channel lengthW = W/Channel widthtox = tox/Oxide thicknessxj = xj/S/D depthDevice dopingNA = NAApplied voltageVA = VA/Results(device parameters)Electrical fieldE(x,y) = E (x,y)Electric potenti

23、al(x,y) = (x,y)/Drain depletion widthWD = WD/Gate capacitanceCG = CG/55/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律104.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則1. 恒電場 (CE) scalingConstant Electrical-Field Scaling Rule (cont.)Drain currentI = I/Not valid for subthreshold regionCurrent density(I/A) = (I/A)Channel resistanceR = RResults(circu

24、it performance)Circuit delay time (RC) = /Power IVP = P/2Power density P/AP/A = P/ACircuit density CDCD = 2CDAssumptionThreshold voltageVT = VT/Not validBuild-in voltageVbi VDDNot valid56/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律114.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則2. 恒電壓 (CV) scaling1o 為了應(yīng)用和標(biāo)準(zhǔn)化，VDD 不能連續(xù) scaling， VDD = 5.0 V 0.8

25、m2o VT 和 Vbi scaling 困難目的尺寸縮小到 1/電壓不變 電場增大到 倍做法問題：高場造成遷移率下降、熱載流子效應(yīng) 57/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則2. 恒電壓 (CV) scalingCV scalingCE scalingQCV scaling58/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則3. 準(zhǔn)恒電壓 (QCV) scaling - Generalized scaling做法：尺寸縮小到 1/電場增加到 倍（通常 1 ）恒電場： = 1恒電壓： =

26、AANN),() , ( yxyx 功耗密度 P/A223APAPAP359/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則3. 準(zhǔn)恒電壓 (QCV) scaling - Generalized scalingGeneralized Scaling Rule (1 )RequirementsDevice dimensionsL = L/Channel lengthW = W/Channel widthtox = tox/Oxide thicknessxj = xj/S/D depthDevice dopingNA = NAApplied volt

27、ageVA = (/)VAResults(device parameters)Electrical fieldE(x,y) = E (x,y)Electric potential(x,y) = (/) (x,y)Drain depletion widthWD = WD/Gate capacitanceCG = CG/60/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律134.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則3. 準(zhǔn)恒電壓 (QCV) scaling - Generalized scalingGeneralized Scaling Rule (1 ) (cont.)Drain curre

28、ntI = (2/)INot valid for subthreshold regionCurrent density(I/A) = 2(I/A)Channel resistanceR = R/Results(circuit performance)Circuit delay time (RC) = /()Power IVP = (3/2)PPower density P/A(P/A) = 3(P/A)Heavy burdenCircuit density CDCD = 2CDAssumptionThreshold voltageVT = (/)VTMore valid than in CEB

29、uild-in voltageVbi VDDNot valid61/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律144.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則3. 準(zhǔn)恒電壓 (QCV) scaling - Generalized scalingPower Dissipation Problem62/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律154.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則4. 亞閾值 scaling (Subthreshold scaling)強(qiáng)反型（ON 態(tài)）IDS 可以 scaling：DSDSII(CE scaling)DSDSII2(Generalized sc

30、aling)弱反型（OFF 態(tài)）Ioff 不能 scaling.63/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律164.3.2 MOSFET 的 scaling 規(guī)則4. 亞閾值 scaling (Subthreshold scaling)Subthreshold Scaling 用亞閾特性（不變壞）作為準(zhǔn)則來 scaling 器件長溝道 MOSFET：IDSst 基本上與 VDS 無關(guān)；短溝道 MOSFET：IDSst 與 VDS 有關(guān).經(jīng)驗(yàn)準(zhǔn)則 當(dāng) VDS 增加 0.5 V， IDSst 的增加 10%：短溝道經(jīng)驗(yàn)公式：3/1 2minDSoxjWWtxALmm0.4 1/3m長溝道短溝道6

31、4/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律174.3.3 Scaling 的限制及對(duì)策（新結(jié)構(gòu)）1. xjxj RS , RD gD(線性), gm(飽和) 對(duì)策：自對(duì)準(zhǔn)金屬硅化物技術(shù) Salicide（Self-aligned silicide）65/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律184.3.3 Scaling 的限制及對(duì)策（新結(jié)構(gòu)）2. toxFowler-Nordheim 隧穿電流：oxoxEBAEJexp2要求：Jg Jpn例如，Jgmax = 1010 A/cm2，則 Eoxmax = 5.8 MV/cmmaxmin2oxBFBGSoxEVVVt 幾十 66/754.3

32、MOSFET的按比例縮小規(guī)律194.3.3 Scaling 的限制及對(duì)策（新結(jié)構(gòu)）2. toxHigh-k Gate DielectricHigh-k dielectrics provide higher capacitance and reduced leakageEOT(Effective Oxide Thickness)k-highk-highSiO2tEOT67/754.3 MOSFET的按比例縮小規(guī)律204.3.3 Scaling 的限制及對(duì)策（新結(jié)構(gòu)）3. WS , WD (1) Nch 和 VT 的 scalingWS , WD NA oxBBFBTCQVVV2VT 或至少不上升 NA VT Scaling 困難解決方法 Non-uniform doping (Retrograded well doping) NAxNchNsubdchxNchdchExdmaxoxBsFBTCQVVV強(qiáng)反型定義：Vs = 2VB,ch2/1ln221ln2subic