MOSFET的短沟道效应

1MOSFET的短沟道效应3第8章MOSFET的短沟道效应MOSFET的沟道长度小于3um时发生的短沟道效应较为明显。短沟道效应是由以下五种因素引起的，这五种因素又是由于偏离了理想按比例缩小理论而产生的。它们是：（1）由于电源电压没能按比例缩小而引起的电场增大；（2）内建电势既不能按比例缩小又不能忽略；（3）源漏结深不能也不容易按比例减小；（4）衬底掺杂浓度的增加引起载流子迁移率的降低；（5）亚阈值斜率不能按比例缩小。（A）亚阈值特性我们的目的是通过MOSFET的亚阈值特性来推断阈值电压到底能缩小到最小极限值。对于长沟道器件而言，亚阈值电流由下式给出2exp1exp......(8.1)GSTDSDndtttVVVWICVLVV也可以写成如下的形式220exp1expexp1exp......(8.2)GSTDSDndtttGSDSDttVVVWICVLVVVVIVV式中的dC为单位面积耗尽区电容。......(8.3)422sssaddfpsfpaqNCxqNtkTVq是热电压，1/doxCC，在DSV大于几个热电压时有2exp......(8.4)GSTDndttVVWICVLV对上式两边取对数2lnln......(8.5)GSTDndttVVWICVLV上式也可以写成2ln......(8.6)GSTDtndtVVIWVCVL从式（8.4）中可以看出，当0GSTVV时，即当栅－源电压等于亚阈值电压时有亚阈值电流：20......(8.7)DGSTndtWIVVCVL为了使GSTVV时，器件可以关断，我们可以令（8.4）中的0GSV，则有20exp......(8.8)TDGSndttVWIVCVLV如果规定关断时（当0GSV）的电流比在（当GSTVV）的3电流小5个数量级，式(8.7)和式(8.8)的两边相除则有50exp10......(8.9)0DGSTTDGStIVVVIVV得到亚阈值电压的最小值为5ln10......(8.10)TtVV如果1/10.761.76doxCC则亚阈值电压的最小值是5ln1051.67262.3500TtVVmVmV。如果还想将阈值电压降低到400mV左右，那么就要减小1/doxCC的值，使1/1.34doxCC。考虑到温度对阈值电压的影响，按比例缩小阈值电压将更加困难。阈值电压的温度系数1/TdVmVKdT。。导致阈值电压在温度范围（0－85℃）内的变化是85mV。制造工艺引起的最小变化也在50mV之间。工艺和温度引起的变化合计为135mV左右。因此，对增强型的MOS器件其阈值电压一般都控制在0.50.9TVVV之间。（B）短沟道效应使阈值电压减小对理想MOSFET器件，我们是利用电荷镜像原理导出阈值电压的表达式。见下图。4'''max8.11mTssSDQQQ式中忽略了沟道中的反型层电荷密度'nQ，'maxSDadTQeNx为最大耗尽层单位面积电荷密度。这个电荷密度都由栅的有效面积控制。并忽略了由于源/漏空间电荷区进入有效沟道区造成的对阈值电压值产生影响的因素。图8.2a显示了长沟道的N沟MOSFET的剖面图。在平带的情况下，且源－漏电压为零，源端和漏端的空间电荷区进入了沟道区，但只占沟道长度的很小一部分。此时的栅电压控制着沟道区反型时的所有反型电荷和空间电荷，如图8.2b所示。随着沟道长度的减小，沟道区中由栅压控制的电5荷密度减小。随着漏端电压的增大，漏端的空间电荷区更严重地延伸到沟道区，从而栅电压控制的体电荷会变得更少。由于栅极控制的沟道电荷区中的电荷数量'maxSDQ会对阈值电压造成影响，如式（8.12）所示。''max28.12oxTNssmsFpSDoxtVQQ我们可以用图8.3所示的模型，定量的计算出短沟道效应对阈值电压造成的影响。假设源/漏结的扩散横向与纵向相等，都为jx。这种假设对扩散工艺形成的结来说是合理的，但对例子注入形成的结则不那么准确。我们首先考虑源端、漏端和衬底都接地的情况。在短沟道情况下，假定栅极梯形区域中的电荷有栅极控制。在阈值反型点，降落在沟道区的空间电荷区上的势差为2Fp，源和漏结的内建电势差也约为2Fp，这表明这三个空间电荷区的宽度大体相等。如图8.3a。8.13sddTxxx6假定梯形区内的单位面积平均电荷密度为'BQ，则有'''228.142dTBadTaLLxQWLeNWxLeNW上式可以写成''8.152BadTLLQeNxL由图8.3b可以看出，有如下关系：'28.15LLa22228.16jjdTdTjjdTaxxxxxxx222118.17dTjjdTjjjxaxxxxxx由（8.15）式'218.1822LLaLLaLLL将（8.17）带入（8.18）'21118.192jdTjxxLLLLx带入（8.15）式'21118.20jdTBadTjxxQeNxLx与长沟道器件相比，短沟道器件阈值电压表达式应该写成''28.21oxTNBssmsFpoxtVQQ72118.22jadTdTTNoxjTNTNxeNxxVVVCLx短沟道长沟道考虑短沟道效应后，MOSFET器件的阈值电压会降低。在这个模型的假设下，只有减小源/漏结的深度和增大单位面积栅电容oxC，才能降低阈值电压的偏移量。另外，式（8.22）是建立在源、沟道、漏的空间电荷区都相等的假设基础上推导出来的，如果漏端电压增大，这会使栅控制的沟道电荷数量减少，'L变短，使阈值电压变成了漏极电压的函数，随着漏极电压增大，N沟器件的阈值电压也会减小。1631472716101/214310,30,0.80.33.98.854101.15110/3010310ln0.0259ln0.3781.5104411.78.85410aoxjTNoxoxoxaFptisFpdTaNNcmtnmLmxmVCFcmtNVVnxeN习题：假定沟器件的参数是。求阈值电压的减小量解：1/2519161916570.3781.806100.181.6103102111.6103101.806100.320.18111.151100.80.30.7530.1810.136jadTdTTNoxjcmmxeNxxVCLxVMOSFET的窄沟道效应8018.23BBBadTadTdTdTadTQQQeNWLxeNLxxxeNWLxW8.24adTdTTNoxeNxxVCWMOSFET结构的表面空间电荷区电荷、电场、电容为了更详细地分析表面空间电荷层的性质，可以通过求解泊松方程，定量地求出表面层中的电场强度、电势分布。为此，我们取x轴垂直于半导体的表面并指向体内，规定x轴的原点在表面处。表面空间电荷区中的电荷密度、电场强度和电势都是x的函数。在利用泊松方程求解之前，我们先做如下假设：（1）半导体的表面是无限大表面（表面尺寸远大于空间电荷区的宽度，尽管这种假设会带来误差，但其误差及其微小，可以忽略不计）；这样我们可以利用9一维的泊松方程求解。（2）为了讨论更一般的情况，半导体中的掺杂为补偿掺杂（这一假设更符合实际，因为NMOS器件的沟道大都是经过了补偿掺杂，以得到合适的阈值电压值；PMOS器件的衬底N阱的形成也是在P型原始衬底经过补偿掺杂获得的）。（3）在半导体内部，假定表面空间电荷电离杂质为一常数，且与体内相等，电中性条件成立，所以空间电荷区的净浓度()0x（4）其净掺杂表现为P型半导体。空间电荷区的净浓度可以写成如下形式：()()()......(8.25)dappxqNNpn其中,daNN分别表示电离的施主杂质和电离的受主杂质浓度；如果在常温下杂质完全电离，则有0dpNn（这是因为我们假设其掺杂为补偿掺杂），0apNp；,pppn分别表示x点处的P型半导体空穴（多子）浓度和电子（少子）浓度。在上述假设下，一维泊松方程的表达式：22()......(8.26)dappssdVxqNNpndx将0dpNn和0apNp带入上式可以写成2002()......(8.27)ppppssdVxqnnppdx10上式中的s是半导体的介电常数、括弧中的第一项是0()ppnn是P型衬底的过剩少子浓度，第二项0()ppppP型衬底的多子增量。其表达式分别由下式表示：0000()exp18.28exp18.29()ppptptppVpppVVnVnn将(8.28)和(8.29)两式带入式(8.27)的泊松方程：2002exp1exp1......(8.30)ppsttdVqVVpndxVV将上式两边同乘以dV，左边可以写成22......(8.31)dVddVdVdVdxdVdVdEdEdxdxdxdx上式的E是电压为V时的电场强度。将半导体内的电场设为零，对上式积分得1120......(8.32)2EEEdE将(8.30)式的右边对V积分得：000exp1exp1......(8.33)VppsttqVVpndVVV第一项积分得0exp1......(8.34)tpttVVVpVV第二项积分得0exp1......(8.35)tpttVVVnVV所以：2000exp1exp1......(8.36)2tppsttpttqVpnEVVVVVVpVV及002000202exp1exp1(2)exp1exp1......(8.37)2tppsttpttpptstttpttqVpnVVVVEVVpVVqpnVVVVVVVVpVV令1/202stDpVLqp称谓德拜长度。1/20000,exp1exp1......(8.38)pptpttpttnnVVVVVFVpVVpVV则002,......(8.39)ptDtpnVVEFLVp应当注意：上式中的V大于零时取“＋”号，小12于零时取“－”号。DL称做德拜长度。式(8.38)叫做F函数，是表征半导体空间电荷层的一个重要参数。通过F函数，可以方便地将表面空间电荷层