漏电流与沟道长度成反比.pptVIP

5.5.1 辐射引入的氧化层电荷 当空穴到达硅－二氧化硅界面时，其中的一部分被陷阱俘获，另一部分流入硅中。由于这些被俘获的空穴，辐射引入的净正电荷位于氧化层的陷阱内。这些被俘获的电荷很长时间地存在陷阱中，可以长达数月或数年之久。正如我们所看到的，正氧化层电荷会引起阈值电压向负方向偏移。 空穴陷阱密度在1012到1013cm－2范围内，依赖于氧化层和器件的工艺。通常，这些陷阱存在于Si-SiO2界面附近大约50A的区域。空穴陷阱通常和硅缺陷有关，这些硅缺陷在SiO2结构中存在氧空位。氧空位存在于Si-SiO2界面附近的“多硅”区域。 由于阈值电压或平带电压的偏移是陷阱电荷数量的函数，电压偏移是氧化层所加电压的函数。 5.5.2 辐射引入的界面态 我们已经讨论了界面态对MOS电容器C－V特性以及对MOSFET特性的影响。n沟MOS器件界面态中的净电荷在达到阈值反型点时是负的。这些负电荷会使阈值电压向正的方向偏移，这同由于正氧化层电荷导致的偏移方向相反。另外，由于界面态可以被充电，会和反型电荷有一定的库仑作用，这意味着反型载流子迁移率是界面态密度的函数。因此，界面态对阈值电压和载流子迁移率都有影响。 当MOS器件被离化辐射后，在Si-SiO2界面处产生附加的界面态。辐射引入的界面态在禁带的下半部分表现为施主态，在上半部分表现为受主态。 5.5.2 辐射引入的界面态 我们讨论亚阈值电导时曾经讲过，ID和VGS函数曲线中在亚阈值区处的斜率是界面态密度的函数。下图为不同总的离化剂量下的亚阈值电流。图中斜率的变化说明了界面态密度随总剂量而增大。 5.5.2 辐射引入的界面态 Si-SiO2界面辐射引入界面态的生成过程强烈依赖于器件的工艺。铝栅MOSFET中界面态的生成要小于多晶硅栅器件所生成的界面态。这个区别主要是因为两种工艺之间的差别而非器件固有的区别。氢气对于辐射引入的界面态的生成显得比较重要，因为氢气在界面处可以使得硅键悬浮，从而减小了界面态的预辐射密度。然而，被氢气钝化的器件更容易生成界面态。界面处的硅－氢键可能会被辐射过程所损坏，从而留下悬浮的硅键，表现为界面态陷阱。这些界面处的陷阱已经从电子自旋共振试验中得到证实。 界面态可以严重影响MOSFET特性，从而影响MOSFET电路的性能。正如我们已经讲过的，辐射引入的界面态可以导致阈值电压发生偏移，影响电路的性能。迁移率的降低会影响电路的速度和输出驱动能力。 5.5.3 热电子充电效应 我们已经讨论了MOSFET中击穿电压的效应。特别地，当漏结空间电荷区的电场增大时，由于碰撞电离可以产生电子－空穴对。在n沟MOSFET中，产生的电子被扫向漏极，产生的空穴被扫入衬底。 由于正栅压产生的电场，空间电荷区中的一些电子被吸引到氧化层；这个效应示于下图。 5.5.3 热电子充电效应 这些产生的电子的能量比热平衡时要高许多，被称为热电子。如果电子的能量在1.5eV左右，它们可能会穿入氧化层；或者它们会克服二氧化硅势垒而产生栅电流，大小约为10－15A（fA）或10－12A（pA）。一部分电子穿越氧化层时可能被俘获，形成净的负氧化层电荷，电子被俘获的概率通常小于空穴的；但是热电子引入的栅电流可以很长时间地存在，因此负的充电效应就产生了。负氧化层陷阱电荷会导致阈值电压的正向偏移。 5.6 小结 这一章中我们讨论了MOSFET的一些深入的概念。 亚阈值电导是指在MOSFET中当栅－源电压小于阈值电压时漏电流不为零。这种情况下，晶体管被偏置在弱反型模式下，漏电流由扩散机制控制而非漂移机制。亚阈值电导可以在集成电路中产生一个较明显的静态偏置电流。 当MOSFET工作于饱和区时，由于漏极处的耗尽区进入了沟道区，有效沟道长度会随着漏电压的增大而减小。漏电流与沟道长度成反比，成为漏－源电压的函数。这个效应被称为沟道长度调制效应。 反型层中的载流子迁移率不是常数。当栅压增大时，氧化层界面处的电场增大，引起附加的表面散射。这些散射的载流子导致迁移率的下降，使其偏离理想的电流－电压曲线。 随着沟道长度的减小，横向电场增大。沟道中流动的载流子可以达到饱和速度；从而在较低的漏极电压下漏电流就会饱和。此时，漏电流成为栅－源电压的线性函数。 5.6 小结 MOSFET设计的趋势是使器件尺寸越来越小。我们讨论了恒定电场等比例缩小理论。这个原理是指，沟道长度、沟道宽度、氧化层厚度和工作电压按照相同的比例因子缩小，而衬底掺杂浓度按照相同的比例因子增大。 讨论了随着器件尺寸的缩小阈值电压的修正。由于衬底的电荷分享效应，随着沟道长度的减小，阈值电压也减小；随着沟道宽度的减小，阈值电压会增大。 讨论了各种电压击穿机制。包括氧化层击穿，雪崩击穿，准雪崩击穿或称为snapback