第8章 MOS场效应器件性能与设计(2)

半导体器件原理南京大学阈值电压的优化阈值电压和关断电流难以取得平衡(Vt/Ids)阈值电压与电源电压及器件性能之间的矛盾（Vt/Vdd)阈值电压与耗尽层厚度及体效应系数之间的矛盾(Vt/Wdm/m)半导体器件原理南京大学图形解释均匀掺杂半导体器件原理南京大学非均匀掺杂:如xs趋于表面，同时NS较大，可以增加Vt而几乎不改变W0dm半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学CMOS设计的考虑工艺限制与系统兼容的要求，需要对电路参数进行优化对一给定的技术水平，并没有唯一的设计方法，而是给出器件参数选择的总体思路。为控制短沟道效应，最大耗尽层宽度Wdm：Lmin/mWdm2亚阈值斜率2.3mkT/q及衬底灵敏度dVt/dVbs=m-1随m增大而变差，并导致低的饱和电流。m1.5氧化层电场Emax决定最小的氧化层厚度tox半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学电源电压与阈值电压的趋势阈值电压低限由关断电流决定：Vt0.4V，高限由电路延迟或性能决定：VtVdd/4如Vdd较大，0.4VVtVdd/4，阈值电压容易选择当短沟道尺寸变小电源电压减小时，就需要在漏电流和器件速度之间选择。导致Vdd并不随L成比例缩小，而Vt也不随Vdd等比例减小。高的Vdd/L使设计空间急剧变小。当Vdd小于2V时，漏电流与器件延迟之间的平衡就非常必要。半导体器件原理南京大学低高沟道分布当沟道长度缩小到0.15m以下时，很高的衬底掺杂会导致较高的阈值电压。量子效应在此高电场下会进一步增加阈值电压。低高结的沟道掺杂分布，可减小阈值电压，而不显著增加栅耗尽层的宽度。低高结的效应：减小阈值电压，但增加耗尽层宽度。亚阈值斜率和衬底灵敏度的表达式保持不变。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学阈值电压中的量子效应MOSFET的反型层中载流子束缚在近硅表面的势阱中。势垒由氧化层和向下弯曲的硅的导带所形成。特别在较高的电场下，必须采用量子力学作为2D气来求解。量子力学的效应：（1）在高场情况下，阈值电压更大，因为能带的弯曲会更大以形成最低子带（高于原有的导带底）的占据。（2）反型层在表面以下形成，这就需要更大的栅电压去产生给定的反型层电荷密度。半导体器件原理南京大学（3）量子效应对反型层厚度的影响量子力学效应等同于在计算反型层电荷密度时将氧化层的厚度增加一tox（3~4A）该效应将降低薄氧化层的电流和跨导。平均距离等效电荷半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学1.3MOSFET沟道长度沟道长度是CMOS工艺的关键参数，被用于电路模型，短沟道设计和模型与硬件的关联中。1。沟道长度的定义版面长度：多晶硅腐蚀面版的设计长度栅长度：通过光刻和腐蚀工艺形成的栅的长度，工艺的影响使不同的芯片会不同。工艺控制中的重要参数。合金沟道长度：硅表面源和漏的合金结之间的距离。采用自对准技术，由于横向的注入弥散和扩散，使之略小于栅长度。用于短沟道器件的2D模型中。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学2。有效沟道长度的获取在线性或低漏电压区，沟道电阻与沟道长度成正比。L是沟道长度偏差，即所有来自于光刻，腐蚀的偏差和来源于源漏注入弥散与扩散的偏差。有效沟道长度：由电学特性定义而不是一物理参数。它是栅控制电流的量度，适合于电路模型中。从端点间电学测量得到，适合于大范围的自动测量。两个问题：源漏串联电阻和短沟道效应（Von依赖于Lmask）半导体器件原理南京大学（1）沟道电阻方法半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学对一给定的Vg-Von，Rtot与Lmask的关系给出一总是经过点（L，Rsd）直线半导体器件原理南京大学（2）SAR方法：偏移与比值的方法假设eff对所有的器件是Vg-Von的相同函数,并不依赖于沟道的长度。SAR方法采用两种器件（长沟道器件和短沟道器件）存在问题:（串联电阻的影响）并不总能直接获得Von,Rtot与Lmask的关系也许不经过一共同点。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学一般，VionV0on，因此，S函数必须偏移以获得Si/S0=Lieff/L0eff只有当Si偏移了阈值电压差的大小，r才变得基本不依赖于Vg。Rsd是一常数，不依赖于Vg。同时，df/dVg对所有器件是栅过驱动的相同函数。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学一旦确定了准确的偏移，从r就很容易获得Lieff。通过自动计算r的方均根的偏差即可实现以上的寻找过程。在最匹配的点存在最小值上式计算必须选择适当的栅压，不要选在亚阈值区。Vg一般选在从Von+0.2V一直到Vdd。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学3。有效沟道长度的物理意义：定义上，Leff表示有效电流输运能力，不与任何物理尺寸有关。如果沟道分布较均匀，并且源漏掺杂不太弥散Leff与Lmet基本一致Leff线性地随Lmet变化，或Leff–Lmet不依赖于Lmet。显示Rtot与Lmask之间的线性关系，以及向短沟道器件的延伸的可能。但由掺杂分布所决定。陡峭分布：Leff–Lmet略为负，对一横向的弥散分布，Leff–Lmet略为正。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（1）短沟道器件的薄层电阻有效沟道长度的表达式中近似认为薄层电阻率在MOSFET的宽度和长度方向上是均匀一致的。在短沟道器件中，薄层电阻率的涨落不可忽略。半导体器件原理南京大学对短沟道器件，陡峭分布：仅金属结之间沟道受栅压的调制；短沟道效应使沟道中央电阻率较大，结附近电阻率较低。Leff略小于Lmet对横向的弥散分布，在金属结之外的沟道电阻也依赖于栅压，从而贡献于Leff，Leff略大于Lmet（2）栅调制的积累层电阻源漏掺杂的横向梯度分布，使电流从反型层射入体源和漏区的现象并不立即在金属结发生。当栅压较高时，在栅源和栅漏的交迭区也会产生表面反型层。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学在近金属结和远离表面的施主掺杂浓度较低，使积累层的电导率高于体源或漏。电流在近表面层的积累层中流动，直至源或漏的掺杂变得足够高时，使源漏区的电导率高于积累层。电流射进体区的位置依赖于源漏掺杂的梯度分布。n+poly-Si/n-MOSFET半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（3）从电流射入点解释Leff积累区的电阻率与沟道电阻率对栅电压具有相似的关系，因此电流流动的积累层被认为是Leff的一部分。定义源漏区薄层电阻率(Ndinj)/(xj/2)=ac时为电流射入点。（N）为源漏区的体电阻率。在SAR中半导体器件原理南京大学Ndinj随尺寸缩小而增大，1m1017/cm3；0.1m1019/cm3实验数据在Leff=Linj直线的100A以内，不依赖于掺杂梯度和沟道分布。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（4）对短沟道效应的暗示半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学（5）从CV测量获取沟道长度（分离的CV测量将多子和少子的响应分开）源漏区的掺杂分布梯度越小，N型掺杂穿透进沟道区，补偿或使沟道内P型掺杂反型。源漏电场极易使边界附近耗尽与反型。当器件等比例缩小时，减小源漏区掺杂缓变的宽度显得非常重要。半导体器件原理南京大学