45 短沟道效应和窄沟道效应Chapter4 MOSFET.pptVIP

* * 半导体器件原理 ch4-5 短沟道效应和窄沟道效应 郭伟玲 4.5 短沟道效应和窄沟道效应 Chapter4 MOSFET 1．概述 长沟道理论假定沟道长度大到足可以忽略边缘效应，用缓变沟道近似对器件进行一维分析。如果器件的沟道长度小到可以与源结和漏结的耗尽层宽度相比拟时，源结和漏结的耗尽区将对沟道内电势分布有着显著的影响，不能再用缓变沟道近似来处理，而要用二维分析。同时沟道内自由载流子的漂移速度将达到饱和。偏离了长沟器件特性的种种现象总称为短沟道效应。 具体来说，短沟道效应主要指 (1)阈值电压随沟道长度的下降而下降； (2)沟长缩短以后，漏源间高电场使迁移率下降，跨导下降； (3)弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加，并出现夹不断情况。 当 MOSFET 的沟道长度 L↓时， 分立器件： 集成电路： 但是随着 L 的缩短 ，将有一系列在普通 MOSFET 中不明显的现象在短沟道 MOSFET 中变得严重起来，这一系列的现象统称为 “ 短沟道效应 ” 。 A、阈电压的短沟道效应 实验发现，当 MOSFET 的沟道长度 L 缩短到可与源、漏区的结深 xj 相比拟时，阈电压 VT 将随着 L 的缩短而减小，这就是 阈电压的短沟道效应 。 代表沟道下耗尽区的电离杂质电荷面密度。考虑漏源区的影响后，QA 应改为平均电荷面密度 QAG 。 原因：漏源区对 QA 的影响 QAG 减轻阈电压短沟道效应的措施 对n-MOS。QBM为负。 忽略漏、源的边缘效应时，栅极可控空间电荷区是由沟长和最大耗尽层宽度组成的矩型区，此时栅下空间电荷区的电荷总量 此器件的阈值电压为 当沟长缩短后，受栅极控制的栅下空间电荷总量减为 栅下单位面积上的平均电荷密度减至 由图几何尺寸得到 因此短沟道器件的阈值电压表达式为 图4－53有效阈电压与沟道长度的关系 QBM为负 可以看出，(1)tox越大，Cox越小，阈值电压变化越大，短沟道效应越大，为减小短沟道效应，VLSI/ULSI器件的栅氧厚度越来越薄。(2)衬底浓度越低，xdm越大，短沟道效应越大，这就是在亚微米器件中，为什么要用离子注入使衬底表面浓度形成高掺杂的原因。(3)结深xj越大，短沟道效应越大。 2．短窄沟效应 分析短沟道效应的器件几何模型 栅极加正电压表面达到强反型时，栅极上的每个正电荷都有场强线发出，长沟器件中不考虑边缘效应前提下，这些场强线将终止在反型层内的电子上或耗尽区内的电离受主上，表面空间电荷区里的负电荷是栅上正电荷的“感应电荷”，所有场强线垂直 于Si/SiO2界面，在VDS＝0条件下，表面耗尽区分布于截面为矩形的立方体内。沟道长度缩短，n+源区电离施主发出的场强线的一部分将终止在交界区的电离受主上，交界区的另一部分电离受主用来终止栅极正电荷发出的场强线。若将这种边缘效应考虑在内，VDS≈0条件下，表面耗尽区占有的空间变成截面为梯形的立方体。与不考虑边缘效应相比，表面耗尽区总电荷量减少，于是真正受到栅极控制的表面空间电荷区将随沟长的缩短而减小，引起阈值电压的漂移。 阈电压的窄沟道效应 实验发现，当 MOSFET 的沟道宽度 W很小时，阈电压 VT 将随 W的减小而增大。这个现象称为 阈电压的窄沟道效应。 图4-57沿沟道宽度方向的表面耗尽区分布 窄沟道效应发生于沟道宽度变小的MOST中，窄沟道效应起源于沟道宽度方向边缘上表面耗尽区的侧向扩展，这种侧向扩展与栅电极在沟道区以外场氧化膜上的覆盖有直接关系。图4-57代表铝栅MOST的一种典型情况，为了将栅电极引出，沟道两侧覆盖区的长度不均等。由于场氧化膜的厚度远大于栅氧化膜的厚度，栅极电压使沟道区强反型时，栅电极下场区一般处于耗尽或弱反型,其耗尽区厚度小于强反型区由此形成图4-57所表示的表面耗尽区分布。 图4-56有效阈电压与沟道宽度的关系 若考虑表面耗尽区的侧向扩展，栅电极上正电荷发出的场强线除大部分终止于栅氧化层下耗尽区电离受主以外，还有一部分场强线终止于侧向扩展区电离受主，结果是使终止于反型层的场强线数目减少，沟道电荷减少，电阻增大，从而导致有效阈电压上升。 3．迁移率调制效应 所谓迁移率调制是指电场调制迁移率，即沟道载流子漂移速度随电场强度变化的现象。它将导致： 饱和漏源电压及饱和漏电流都小于长沟理论预示值。 IDsat与（VG-VT）间不呈现平方关系，而近似是线性变化关系，饱和区跨导