L04小尺寸MOSFET的特性

半導體器件原理主講人：蔣玉龍

本部微電子學樓312室，65643768Email:211半導體器件原理主講人：蔣玉龍1第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律2第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應14.1.1MOSFET的短溝道效應（SCE）1.閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.漏感應勢壘降低（DIBL）3.速度飽和效應4.亞閾特性退化5.熱載流子效應34.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應24.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）1.現(xiàn)象短溝道效應窄溝道效應44.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應34.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.原因長溝道MOSFET短溝道MOSFETGCA：p-Sip-Si54.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應44.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.原因p-Si

VT

3.電荷分享模型(Poon-Yau)NMOS64.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應44.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）3.電荷分享模型(Poon-Yau)計算QB’/QB（電荷分享因子F）VDS=0NMOS74.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應54.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-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dmax/xj較大時經(jīng)驗參數(shù)（>1）1o

L

FVT

2o

tox

VT

3o

NA

dmax

F

VT

4o

xj

VT

84.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應64.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）3.電荷分享模型(Poon-Yau)討論QB’/QB（電荷分享因子F）當VDS>0時VDS

F

VT

抑制VTroll-off的措施：1o

xj

2o

NA

3o

tox

4o

VBS

5o

VDS

94.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應74.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）1.現(xiàn)象104.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應84.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）2.原因MOS“重新氧化”（RE-OX）工藝OED：氧化增強擴散114.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應94.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）3.分析單位：[C/cm2]橫向分布的特征長度源（漏）端雜質(zhì)電荷面密度單位：[C]124.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應104.1.4窄溝道效應（NEW）1.現(xiàn)象W

VT

短溝道效應窄溝道效應134.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應114.1.4窄溝道效應（NEW）2.邊緣耗盡效應WQBQWSiO2dmaxxzy?圓弧：一般地，引入經(jīng)驗參數(shù)GW144.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應124.1.4窄溝道效應（NEW）3.三種氧化物隔離結(jié)構(gòu)的NWERaisedfield-oxideisolation：W

VT

LOCOS：W

VT

STI：WVT反窄溝道效應（inverseNWE）154.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應134.1.4窄溝道效應（NEW）4.雜質(zhì)橫向擴散的影響雜質(zhì)濃度邊緣高，中間低邊緣不易開啟隨著W

VT

窄溝道效應164.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應144.1.5漏感應勢壘降低1.現(xiàn)象L很小時，VDS

VT

DIBL因子174.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應154.1.5漏感應勢壘降低2.原因(1)電荷分享VDS

F

VT

184.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應164.1.5漏感應勢壘降低2.原因(2)電勢的二維分布導帶邊Ec表面勢特征長度VT=VDS很小VDS大194.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應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/LIDSst

與VDS無關VDS

IDSst

S

與L無關L

S長溝道MOSFET短溝道MOSFET204.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應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214.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應184.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）均勻摻雜襯底VTadjustimplant224.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應194.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）

Vbi+7V電子濃度分布234.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應204.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施1o選擇合適的NB：2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）244.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應214.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2o

PTIx3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施254.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應224.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施3oHaloimplantHaloimplant劑量上限漏結(jié)雪崩擊穿264.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應234.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)1.最大漏電場Eymax飽和時tox和xj均以cm為單位降低Eymax措施tox

xj

VDS

VDD

新型漏結(jié)構(gòu)Gradedpnjunction2.雙擴散漏(DDD)P比As擴散系數(shù)大274.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應244.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)2.雙擴散漏(DDD)雙擴散漏結(jié)構(gòu)(DDD)DDD應用范圍：Lmin~1.5m（對于VDD=5V）284.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3.輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(LDD)294.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3.輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(LDD)LDD結(jié)構(gòu)的電場分布普通：LDD：LDD應用范圍：L

1.25m304.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律31第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1載流子速度飽和效應v不飽和區(qū)v飽和區(qū)v(Ey)=Ey<EsatEy

Esat324.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1載流子速度飽和效應長溝道、短溝道直流特性對比長溝道短溝道線性區(qū)IDS飽和條件飽和區(qū)334.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1載流子速度飽和效應短溝道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)I：區(qū)II：=344.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1載流子速度飽和效應短溝道MOSFET的直流特性線性區(qū)飽和區(qū)飽和條件：當Esat

L<<(VGS

VT)時，VGS

VT與L無關（gm與L無關）354.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1載流子速度飽和效應速度飽和效應對短溝道MOSFET的輸出特性的影響長溝道速度未飽和短溝道速度飽和364.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1載流子速度飽和效應長溝道、短溝道MOSFET特性對比注：Eq.4-12374.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短溝道器件溝道中的電場1.突變結(jié)耗盡層近似模型對II區(qū)（VSR）的3條假設：只考慮VDS，不考慮VGS；可動電荷=0；突變結(jié)，P點為耗盡層邊界.384.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短溝道器件溝道中的電場1.突變結(jié)耗盡層近似模型突變結(jié)耗盡層近似模型VSR壓降=VDS

VDSsat或I區(qū)Ey(y)在P點不連續(xù)！394.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短溝道器件溝道中的電場2.恒定電場梯度模型(1)對假設作修改：擬合參數(shù)(2)對假設作修改：EsatVSR區(qū)中線性增加低估了漏端Ey(y)！404.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型考慮Eox(y’)準二維仍假設Ey(y’)是y’的函數(shù)，但不是x的函數(shù).仍考慮可動電荷應用高斯定理對y’求導414.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短溝道4.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型這里邊界條件424.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短溝道VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性124.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型在漏端（y’=L）指數(shù)上升規(guī)律=當(VDS

VDSsat)/l>>Esat時43VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型實際

l需用經(jīng)驗公式修正l=tox15nmtox<15nm444.2小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短溝道第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律45第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律14.3.1按比例縮小規(guī)律概述Moore’sLawContinuesTransistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor464.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律14.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律24.3.1按比例縮小規(guī)律概述TransistorGateLengthScaling474.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律24.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律34.3.1按比例縮小規(guī)律概述InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductors484.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律34.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律44.3.1按比例縮小規(guī)律概述(1)Whyminiaturization?速度功耗集成度功能價格/功能(2)Howminiaturization?Scalingaccordingtosomerules.494.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律44.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律54.3.2MOSFET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！504.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律54.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律64.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScaling同理驗證泊松方程514.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律64.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律74.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scaling一般地，但當時，則電流密度I/A假設VT也可以按1/scaling524.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律74.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律84.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scaling溝道電阻同理RC延遲時間功耗功耗密度P/A11電路密度534.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律84.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律94.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRuleRequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=VA/Results(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=

(x,y)/DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/544.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律94.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律104.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRule(cont.)DraincurrentI’=I/NotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=(I/A)ChannelresistanceR’=RResults(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/PowerIVP’=P/2PowerdensityP/AP’/A’=P/ACircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=VT/NotvalidBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid554.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律104.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律114.3.2MOSFET的scaling規(guī)則2.恒電壓(CV)scaling1o為了應用和標準化，VDD不能連續(xù)scaling，VDD=5.0V0.8m2o

VT和Vbiscaling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……564.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律114.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-Generalizedscaling做法：尺寸縮小到1/電場增加到倍（通常1）恒電場：=1恒電壓：=……功耗密度P/A574.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)RequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=(/)VAResults(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=(/)

(x,y)DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/584.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律134.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)(cont.)DraincurrentI’=(2/)INotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=2(I/A)ChannelresistanceR’=R/Results(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/()PowerIVP’=(3/2)PPowerdensityP/A(P’/A’)=3(P/A)HeavyburdenCircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=(/)VTMorevalidthaninCEBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid594.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律134.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律144.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingPowerDissipationProblem604.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律144.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律154.3.2MOSFET的scaling規(guī)則4.亞閾值scaling(Subthresholdscaling)強反型（ON態(tài)）IDS可以scaling：(CEscaling)(Generalizedscaling)弱反型（OFF態(tài)）IDSst不能scaling.614.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律154.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律164.3.2MOSFET的scaling規(guī)則4.亞閾值scaling(Subthresholdscaling)SubthresholdScaling用亞閾特性（不變壞）作為準則來scaling器件長溝道MOSFET：IDSst基本上與VDS無關；短溝道MOSFET：IDSst與VDS有關.經(jīng)驗準則當VDS增加0.5V，IDSst的增加<10%：長溝道>10%：短溝道經(jīng)驗公式：[m][?][m]0.4?1/3[m]長溝道短溝道624.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律164.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律174.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）1.xjxj

RS,RD

gD(線性),gm(飽和)對策：自對準金屬硅化物技術Salicide（Self-alignedsilicide）634.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律174.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律184.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）2.toxFowler-Nordheim隧穿電流：要求：Jg<Jpn例如，Jgmax=1010A/cm2，則Eoxmax=5.8MV/cm~幾十?644.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律184.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律194.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）2.toxHigh-kGateDielectricHigh-kdielectricsprovidehighercapacitanceandreducedleakageEOT(EffectiveOxideThickness)654.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律194.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律204.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）3.WS,WD

(1)Nch和VT的scalingWS,WD

NA

VT

或至少不上升NA

VT

Scaling困難解決方法Non-uniformdoping(Retrogradedwelldoping)

NAxNchNsubdchxNchdchExdmax強反型定義：Vs=2VB,ch664.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律204.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律214.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）3.WS,WD

(2)Eymax漏結(jié)擊穿~0.6MV/cm漏端熱載流子效應要求Eymax0.2MV/cmScaling措施：LDD674.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律214.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律224.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來45nmHK+MGSiGeS/D(StrainedSi)High-KlayerMetalgateCopper/Low-KM8810nmM7560nmM6360nm

M5280nmM4240nmM3160nmM2160nmM1160nmLow-kCuLayer

Pitch684.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律224.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律234.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來PlanarCMOSTransistorScalingDST(DepletedSubstrateTransistor)694.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律234.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律244.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來SOIMOSFETDST(DepletedSubstrateTransistor)FullyDepleted(FD-)SOIMOSFETLg=65nm75mV/dec95mV/dec704.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律244.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律254.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來Non-PlanarCMOSTransistorsDoubleGateFinFETTri-GateTransistor714.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律254.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律264.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來TheIdealMOSTransistor724.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律264.3.3Sca4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律224.3.3Scaling的限制及對策（新結(jié)構(gòu)）4.現(xiàn)狀和未來晶體管尺寸持續(xù)快速縮小734.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律224.3.3ScaIt’stheendofthiscourse,butnottheendofsemiconductordevices.74It’stheendofthiscourse,7半導體器件原理主講人：蔣玉龍

本部微電子學樓312室，65643768Email:2175半導體器件原理主講人：蔣玉龍1第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律76第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應14.1.1MOSFET的短溝道效應（SCE）1.閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.漏感應勢壘降低（DIBL）3.速度飽和效應4.亞閾特性退化5.熱載流子效應774.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應24.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）1.現(xiàn)象短溝道效應窄溝道效應784.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應34.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.原因長溝道MOSFET短溝道MOSFETGCA：p-Sip-Si794.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應44.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）2.原因p-Si

VT

3.電荷分享模型(Poon-Yau)NMOS804.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應44.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）3.電荷分享模型(Poon-Yau)計算QB’/QB（電荷分享因子F）VDS=0NMOS814.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應54.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-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dmax/xj較大時經(jīng)驗參數(shù)（>1）1o

L

FVT

2o

tox

VT

3o

NA

dmax

F

VT

4o

xj

VT

824.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應64.1.2閾值電壓“卷曲”（VTroll-off）3.電荷分享模型(Poon-Yau)討論QB’/QB（電荷分享因子F）當VDS>0時VDS

F

VT

抑制VTroll-off的措施：1o

xj

2o

NA

3o

tox

4o

VBS

5o

VDS

834.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應74.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）1.現(xiàn)象844.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應84.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）2.原因MOS“重新氧化”（RE-OX）工藝OED：氧化增強擴散854.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應94.1.3反常短溝道效應（RSCE/VTroll-up）3.分析單位：[C/cm2]橫向分布的特征長度源（漏）端雜質(zhì)電荷面密度單位：[C]864.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應104.1.4窄溝道效應（NEW）1.現(xiàn)象W

VT

短溝道效應窄溝道效應874.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應114.1.4窄溝道效應（NEW）2.邊緣耗盡效應WQBQWSiO2dmaxxzy?圓?。阂话愕?，引入經(jīng)驗參數(shù)GW884.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應124.1.4窄溝道效應（NEW）3.三種氧化物隔離結(jié)構(gòu)的NWERaisedfield-oxideisolation：W

VT

LOCOS：W

VT

STI：WVT反窄溝道效應（inverseNWE）894.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應134.1.4窄溝道效應（NEW）4.雜質(zhì)橫向擴散的影響雜質(zhì)濃度邊緣高，中間低邊緣不易開啟隨著W

VT

窄溝道效應904.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應144.1.5漏感應勢壘降低1.現(xiàn)象L很小時，VDS

VT

DIBL因子914.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應154.1.5漏感應勢壘降低2.原因(1)電荷分享VDS

F

VT

924.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應164.1.5漏感應勢壘降低2.原因(2)電勢的二維分布導帶邊Ec表面勢特征長度VT=VDS很小VDS大934.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應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/LIDSst

與VDS無關VDS

IDSst

S

與L無關L

S長溝道MOSFET短溝道MOSFET944.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應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954.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應184.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）均勻摻雜襯底VTadjustimplant964.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應194.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）

Vbi+7V電子濃度分布974.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應204.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2.原因(1)亞表面穿通（sub-surfacepunchthrough）3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施1o選擇合適的NB：2o做anti-punchthroughimplantpunchthroughstopperimplantpunchthroughimplant（PTI）984.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應214.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性2o

PTIx3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施994.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應224.1.6短溝道MOSFET的亞閾特性3.抑制sub-surfacepunchthrough的措施3oHaloimplantHaloimplant劑量上限漏結(jié)雪崩擊穿1004.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應234.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)1.最大漏電場Eymax飽和時tox和xj均以cm為單位降低Eymax措施tox

xj

VDS

VDD

新型漏結(jié)構(gòu)Gradedpnjunction2.雙擴散漏(DDD)P比As擴散系數(shù)大1014.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應244.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)2.雙擴散漏(DDD)雙擴散漏結(jié)構(gòu)(DDD)DDD應用范圍：Lmin~1.5m（對于VDD=5V）1024.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3.輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(LDD)1034.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7熱載流子效應抑制-新型漏結(jié)構(gòu)3.輕摻雜漏結(jié)構(gòu)(LDD)LDD結(jié)構(gòu)的電場分布普通：LDD：LDD應用范圍：L

1.25m1044.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應254.1.7第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律105第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1載流子速度飽和效應v不飽和區(qū)v飽和區(qū)v(Ey)=Ey<EsatEy

Esat1064.2小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1載流子速度飽和效應長溝道、短溝道直流特性對比長溝道短溝道線性區(qū)IDS飽和條件飽和區(qū)1074.2小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1載流子速度飽和效應短溝道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)I：區(qū)II：=1084.2小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1載流子速度飽和效應短溝道MOSFET的直流特性線性區(qū)飽和區(qū)飽和條件：當Esat

L<<(VGS

VT)時，VGS

VT與L無關（gm與L無關）1094.2小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1載流子速度飽和效應速度飽和效應對短溝道MOSFET的輸出特性的影響長溝道速度未飽和短溝道速度飽和1104.2小尺寸MOSFET的直流特性54.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1載流子速度飽和效應長溝道、短溝道MOSFET特性對比注：Eq.4-121114.2小尺寸MOSFET的直流特性64.2.1載流子速4.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短溝道器件溝道中的電場1.突變結(jié)耗盡層近似模型對II區(qū)（VSR）的3條假設：只考慮VDS，不考慮VGS；可動電荷=0；突變結(jié)，P點為耗盡層邊界.1124.2小尺寸MOSFET的直流特性74.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短溝道器件溝道中的電場1.突變結(jié)耗盡層近似模型突變結(jié)耗盡層近似模型VSR壓降=VDS

VDSsat或I區(qū)Ey(y)在P點不連續(xù)！1134.2小尺寸MOSFET的直流特性84.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短溝道器件溝道中的電場2.恒定電場梯度模型(1)對假設作修改：擬合參數(shù)(2)對假設作修改：EsatVSR區(qū)中線性增加低估了漏端Ey(y)！1144.2小尺寸MOSFET的直流特性94.2.2短溝道器4.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型考慮Eox(y’)準二維仍假設Ey(y’)是y’的函數(shù)，但不是x的函數(shù).仍考慮可動電荷應用高斯定理對y’求導1154.2小尺寸MOSFET的直流特性104.2.2短溝道4.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型這里邊界條件1164.2小尺寸MOSFET的直流特性114.2.2短溝道VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性124.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型在漏端（y’=L）指數(shù)上升規(guī)律=當(VDS

VDSsat)/l>>Esat時117VDS4.2小尺寸MOSFET的直流特性小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短溝道器件溝道中的電場3.準二維模型實際

l需用經(jīng)驗公式修正l=tox15nmtox<15nm1184.2小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2短溝道第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝道效應和窄溝道效應4.2小尺寸MOSFET的直流特性4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律119第四章小尺寸MOSFET的特性4.1MOSFET的短溝4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律14.3.1按比例縮小規(guī)律概述Moore’sLawContinuesTransistorsdoublingevery18monthstowardsthebillion-transistormicroprocessor1204.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律14.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律24.3.1按比例縮小規(guī)律概述TransistorGateLengthScaling1214.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律24.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律34.3.1按比例縮小規(guī)律概述InternationalTechnologyRoadmapofSemiconductors1224.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律34.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律44.3.1按比例縮小規(guī)律概述(1)Whyminiaturization?速度功耗集成度功能價格/功能(2)Howminiaturization?Scalingaccordingtosomerules.1234.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律44.3.1按比例縮4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律54.3.2MOSFET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！1244.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律54.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律64.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScaling同理驗證泊松方程1254.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律64.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律74.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scaling一般地，但當時，則電流密度I/A假設VT也可以按1/scaling1264.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律74.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律84.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scaling溝道電阻同理RC延遲時間功耗功耗密度P/A11電路密度1274.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律84.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律94.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRuleRequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=VA/Results(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=

(x,y)/DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/1284.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律94.3.2MOSF4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律104.3.2MOSFET的scaling規(guī)則1.恒電場(CE)scalingConstantElectrical-FieldScalingRule(cont.)DraincurrentI’=I/NotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=(I/A)ChannelresistanceR’=RResults(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/PowerIVP’=P/2PowerdensityP/AP’/A’=P/ACircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=VT/NotvalidBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid1294.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律104.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律114.3.2MOSFET的scaling規(guī)則2.恒電壓(CV)scaling1o為了應用和標準化，VDD不能連續(xù)scaling，VDD=5.0V0.8m2o

VT和Vbiscaling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……1304.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律114.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-Generalizedscaling做法：尺寸縮小到1/電場增加到倍（通常1）恒電場：=1恒電壓：=……功耗密度P/A1314.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)RequirementsDevicedimensionsL’=L/ChannellengthW’=W/Channelwidtht’ox=tox/Oxidethicknessx’j=xj/S/DdepthDevicedopingN’A=NAAppliedvoltageV’A=(/)VAResults(deviceparameters)ElectricalfieldE’(x’,y’)=E(x,y)Electricpotential’(x’,y’)=(/)

(x,y)DraindepletionwidthW’D=WD/GatecapacitanceC’G=CG/1324.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律124.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律134.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingGeneralizedScalingRule(1

)(cont.)DraincurrentI’=(2/)INotvalidforsubthresholdregionCurrentdensity(I’/A’)=2(I/A)ChannelresistanceR’=R/Results(circuitperformance)Circuitdelaytime(RC)’=/()PowerIVP’=(3/2)PPowerdensityP/A(P’/A’)=3(P/A)HeavyburdenCircuitdensityCDCD’=2CDAssumptionThresholdvoltageV’T=(/)VTMorevalidthaninCEBuild-involtageV’bi<<V’DDNotvalid1334.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律134.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律144.3.2MOSFET的scaling規(guī)則3.準恒電壓(QCV)scaling-GeneralizedscalingPowerDissipationProblem1344.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律144.3.2MOS4.3MOSFET的按比例縮小規(guī)律154.3.2MOSFET的scaling規(guī)則