第8章+短沟道MOSFETppt课件.ppt

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1、第八章短沟道MOSFET第八章短沟道MOSFET8.1短沟道效应8.2速度饱和8.3沟道长度调制8.4源漏串联电阻8.5MOSFET击穿8.6尺寸缩小原理8.1短沟道效应8.1.1二维等电势线和电荷共享模型8.1.2漏感应势垒降低（DIBL）8.1.3二维Poisson’s方程和侧向电场8.1.4短沟阈值电压的解析表达式短沟道效应定义当沟道长度缩小时，MOSFET（指nMOSFET）的阈值电压减小。测量的nMOSFET阈值电压与沟道长度的关系测量pMOSFET的阈值电压与沟道长度的关系8.1.1二维等电势线和电荷共享模型模拟的等电位线

2、-长沟MOSFET；Vd=3V模拟的等电位线--短沟MOSFET；Vd=3V模拟的长沟和短沟MOSFET的等电位线长沟道与短沟道MOSFET的关键区别在于短沟道MOSFET耗尽区的等电位线是二维的而长沟的则是一维的。长沟与短沟MOSFET等电位线不同的原因长沟MOSFET器件源、漏之间的距离较远，源、漏耗尽层彼此分离，不影响栅下面的电场；但是，在短沟MOSFET源、漏之间的距离与耗尽层垂直方向的宽度可以相比拟，因此，对能带的弯曲有影响，对栅下面的电场也有影响。电荷共享模型描述长沟道时，栅下面的电荷：短沟时，栅下面的电荷正比与梯形的面积

3、：P型衬底由于梯形下面的面积较小，因此，它的阈值电压也相应的减小。8.1.2漏感应势垒降低（DIBL）表面势与侧向距离的关系三种情况栅电压相同（a）长沟MOSFET；（b）低漏电压短沟MOSFET；（c）高漏电压短沟MOSFET漏感应势垒降低的原因在长沟道时，表面势只被栅电压控制，源和漏电场仅仅影响沟道末端，而在短沟道时，源和漏的电场不仅影响沟道末端，也影响沟道的中间。它使源和漏之间的势垒降低，电流增加，即阈值电压下降。漏电压愈大，阈值电压下降愈大。由于沟道很窄，使漏结电场与源结相耦合，当VDS高到一定程度时，漏的结电场就会影响源PN

4、结势垒，使之降低。是器件二维效应与强电场结合的产物VDS增加会使源漏势垒下降沟道长度缩短会使源漏势垒下降结果：Vt下降（因为源漏势垒下降了，就可用较低较低栅压使器件开启）源漏穿通：发射电流加大并以扩散形式到达源端，不受栅压控制DIBL对亚阈特性的影响VDS增加Vt减少使亚阈特性向左偏移，从而使相应的Ioff（VGS=0时的IDS）增加；当VDS大到一定程度后，微小器件的亚阈特性增加，即使在关态器件仍具有相当大的Ioff；如果此时Ioff已接近或超过定义的开启电压，则器件穿通。长沟和短沟器件在低和高漏电压时的亚阈特性DIBL对器件性能的

5、不利影响影响器件的成品率使器件的亚阈区性能退化深亚微米器件的设计中要避免或抑制DIBL效应可以通过解二维泊松方程加以分析器件模拟程序8.1.3二维Poisson’s方程和侧向电场二维Poisson’s方程在短沟MOSFET中，侧向电场扮演着重要的角色，可以通过求解二维Poisson’s方程得到：（3.63）在耗尽区，可以忽略可动电荷，对于nMOSFET只有离化的受主电荷上式变为：（3.64）垂直方向的电场：可以分成两部分，一部分受栅压控制；另一部分受源、漏电压控制。侧向电场与侧向距离的模拟结果--长沟和短沟器件在长沟器件中，侧向电场

6、可以忽略，耗尽层电荷主要受栅电压控制，短沟器件中，侧向电场则很大侧向电场与侧向距离的模拟结果--低和高漏电压随着侧向电场的的加强，源--漏控制耗尽层的电荷密度增加，同时栅控制耗尽层的电荷密度降低。并且略微小于离化的电荷浓度，。栅控制电荷密度与垂直距离的关系当源漏电压增加时，栅控制电可密度比长沟道值降低，即使耗尽层宽度略微加宽，但电荷密度的积分也下降，因此阈值电压降低。8.1.4短沟阈值电压的解析表达式水平方向：沟道长度L；垂直方向：氧化层厚度tox，耗尽层宽度Wd为了消除Si—SiO2界面的不连续性，用与Si同样介电常数，3倍氧化

7、层厚度取代SiO2介质（因为Si的介电常数是SiO2介电常数的3倍）。这样整个长方形区可以处理为同样介电常数，高度为：Wd+tox，当氧化层厚度与耗尽层厚度差不多薄时，近似很好。边界条件：源端电势：bi；漏端电势：bi+VDS；中性p区电势：0；对于n+-p结：bi=Eg/2q+B（2.37）bi0.8—0.9eV短沟阈值电压的解析表达式（续）阈值电压的减小：（3.66）如果L不是很短，体效应系数：（3.67）把（3.67）代入（3.66）式得：（3.68）如果源、漏结深大于栅耗尽层厚度，上述近似结果很好地描述阈值电压的降

8、低。短沟器件最小耗尽层厚度比长沟器件大，如果短沟效应不是太严重，可以用长沟器件的值。在2B阈值条件下，耗尽层厚度与均匀掺杂衬底掺杂浓度的关系衬底反偏时的短沟道效应衬底反偏时，（3.66）式变为：衬底反偏时，短沟效应加重