复旦-半导体器件-仇志军 第四章小尺寸MOSFET的特性
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北大半导体器件物理课件第四章5MOSFET的小尺寸效应
分析这种影响可以通过二维器件模 拟程序计算出沟道表面电势分布
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
半导体器件物理
DIBL效应
特点：
• 沟道缩短，电 子势垒下降
• VDS 增加， 电子势垒下降
半导体器件物理
DIBL效应
• 有两种作用导致了势垒的下降：
– 沟道缩短，漏、源耗尽区的相互影响 – VDS增加，漏区发出的场强线的一部分穿透到源区
• DIBL效应对MOSFET特性的影响：
– VDS增加，有效阈值电压下降 – VDS增加导致势垒降低，表面更加耗尽，使沟道更
加吸引电子，沟道导电能力增强，等效于有效阈值 电压的下降。
半导体器件物理
DIBL效应ห้องสมุดไป่ตู้
• 亚阈值特性：
– 亚阈值区导电机构主要是载流子的扩散
I Dsub
=
Z L
μnCOXη
⎛ ⎜
定量计算： 窄沟道效应
• 由于侧向扩展的不规则，定量计算比较复杂。在SPICE程 序中仅认为窄沟道效应是由于沟道宽度方向上的边缘电场 使总的耗尽电荷增加所致。 为便于计算，把
边缘场的影响夸大
成1/4圆柱体。
( ) ΔVT
=
π 2
Xd Z
γ
2φF − VBS
=π εS ε OX
DOX Z
2φF − VBS
左图：低掺杂衬底短沟 nMOST饱和区情形 反偏漏-衬pn结耗尽区的 扩展主要在p型衬底一侧
•有可能出现耗尽区宽度接近于或大于沟道长度 •起始于源区的场强线，就会有一部分终止于沟道
半导体器件物理
源漏穿通效应
• 考虑：栅源电压VGS不变，增大漏源VDS电压
– 漏-衬pn结耗尽区扩展，用于屏蔽增加的电场 – 对于终止于沟道的场强线来说，由于耗尽区已经没
复旦半导体器件仇志军小尺寸MOSFET的特性专题培训课件
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll2. o原ff因）
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
p-Si
长沟道 MOSFET
2(xx2,y)(xs,y)
GCA：2(yx2, y) 0
p-Si
短沟道 MOSFET
2(xx2,y)2(yx2,y)(xs,y)
2 ( x,
y2
y)
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应46/75
QB
dma Lx
L
NMOS
L r2 2 d m 2 1 a /2 x xj
VDS = 0
x j d m2 a d x m 21 /a 2 x x jxj
12dxmj ax1/2
1
QB '
QB
V 1T ' xLV jF 1 B 2 V 2B dx m j ax12 /2V B 1 V BS 1 x L j 1 2 d x m j a 1 /2 x 1
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应58/75
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应170/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应181/75
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
小尺寸纳米级集成NMOS器件的可制造性设计[电路与系统专业优秀论文]
![小尺寸纳米级集成NMOS器件的可制造性设计[电路与系统专业优秀论文]](https://img.taocdn.com/s3/m/9b47271653ea551810a6f524ccbff121dd36c520.png)
图１．１ｓ即ｔａ唧ｓＤｅｖｉ∞进行器件模拟的典型工具流程目前在集成电路虚拟制造技术中，比较流行的半导体器件物理特性模拟软件为ｓｙｎｏｐｓｙｓ公司的ｓ眈ｔａｕｍｓＤｅｖｉｃｅ软体。
它采用ＤＤ模型，同时提供了ＨＤ模型以供用户选择：并通过求解三组基本方程——泊松方程、电流连续性方程及载流子输运方程——获得器件模型的二维电势分布和载流子浓度分布，以此来预测在任何偏置条件下器件的电特性。
（１）泊松方程：半导体器件的电学特性通过求解该方程得到。
胛２矿＝１（ｐ—ｎ＋崂一Ｋ）一风（１．１）其中，Ｆ＝‘岛为介电常数，岛为真空介电常数，‘为相对介电常数；是本征费米势；Ｐ和”分别为空穴和电子浓度；Ⅳ：、．Ⅳ：分别表示电离施主和电离受主浓度；ｐ，为表面电荷密度。
（２）电子，空穴的连续性方程：描述在外加电场作用下，半导体内部载流子的扩散行为。
暑＝；寻．ｚ一以＝ｃ（％珥∞署＝吾寻．ｚ一％＝‘（％％纠＜１．２）其中，以和ｕ，分别为电子和空穴的复合率；以和．，，分别为电子和空穴的电流密度。
（３）电流密度方程：反映电子及空穴载流子浓度与准费米势间的关系。
（１３）Ｊ，＝ｑｐ。
Ｅ。
ｎ＋ｑＤ。
可，ＪＰ＝ｑ“ｐＥｐｐ—ｑＤｐ可ｐ其中，脚和脚分别为电子和空穴的迁移率；见和Ｂ为电子和空穴的扩散系数。
ｓ∞ｔａｌｌｒｌ】ｓＤ“ｉｃｅ通过求解上述３个基木方程来预言器件的行为和性能，也可当玺查耋！ｉ圭耋些篓耋袁４．３拟台后的响应表面多项式系数Ｎ０ｏｒｄｅｒｓＴｙｐｅＣｏｅｆｆｉｃｉ∞ｔＴｌｍｌ００００Ｃｏ哪ｔ０．４４２６２３０３９０９０５３２ｌ０００ｌｉｉ摊暂Ｏ．３３５９７０５３８１０９７５６Ｘｌ３ＯｌＯ０ｌｉｎｅａｒ一０．２５１７４４８４５２２３５７７Ｘ２４０ＯｌＯｌｉｎｅａｒＯ．０２９５４４０５４７７６４２２８Ｘ３５ＯＯＯｌｌｉｎｅａｒ－０．０４５８５７８８６８９０２４３８Ｘ．６２ＯＯＯａｘｉａｌ２·Ｏ．０９６３４６２３０９９５９３７３ｘ÷７０２ＯＯａｘｉａｌ２Ｏ．０４５２７８７６９００４０６４８ｘ：８００２０“ｉａｌ２Ｏ．０２４９１５９６９００４０６５７砭９０００２ａｘ瑚２Ｏ．０７３５８９６４４００４０６４４怒１０Ｉｌ００ｉｎｔｅｒａｃｎｏｎ１．０．１５０７８２７３２１６４６３４Ｘ１．ｘ２１ｌｌＯｌＯｉｎｔｃｔ：ａｃｔｉｏｎｌ一０．０２６１９１０８２１６４６３４２ＸｌＸ３１２ＩＯＯＩｉｎ胁ｃｔｉｏｎｌＯ．０４２３２４３３０３３５３６５８Ｘ１．Ⅺ１３０ｌｌＯｉｎｔｅｍｃｔｉｏｎｌ一０．００３０８４９５７ｔ６４６３４１５Ｘ２．竭１４Ｏ１０ｌｉｎｔｅｒａ融ｉｏｎ１．００１２０２５３６９６６４６３４１Ｘ２．Ⅺ１５００Ｉｌｉｎｔｅｆａｃｔｉｏｎ１．００２９６９４２６９６６４６３４ｌ№．Ｋ在完成响应表面建模之后，得到阈值电压和抑制穿通注入、阈值调整注入之问的响应表面如图４．８所示。
L04小讲义尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5 8
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
dmax/xj 较小时
dmax/xj 较大时
FQ Q B B ' 1x Lj12d xm j a1 x/211dm Lax
精品
L04小尺寸MOSFET的特性
第四章 小尺寸MOSFET的特性 2
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应 4.2 小尺寸MOSFET的直流特性 4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1 3
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL） 3. 速度饱和效应 4. 亚阈特性退化 5. 热载流子效应
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
1. 现象
W VT
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1114
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
2. 边缘,宽 V 沟 F B 2 V B 2 V B V BS
dmax SiO2
QB C ox
窄沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1417
4.1.5 漏感应势垒降低
1. 现象
L 很小时， VDS VT
V T (V D ) SV T (0 )V DS
DIBL 因子
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6 9
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. o电ff荷）分享模型 (Poon-Yau)
MOSFET的非理想特性以及小尺寸效应
� 只考虑了漂移电流�未考虑扩散电流 在亚阈值区�扩散电流>>漂移电流。亚阈值区导电 与BJT中基区的电流传输有些相似。
11
2002.5
半导体器件 4.5
12
4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
公式推导�
� 输运方程�扩散电流>>漂移电流 �� JC = qDn dn dy
∫ ∫ 沟道总电流�IDsub = −W
•
� 定义� 有效阈电压 VT • 平均有效单位面积体电荷 QBM
2002.5
半导体器件 4.5
21
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
定量计算�
2002.5
假设�WC=WS=WD 几何运算�
( ) ( ) ∆L + x j 2 + WC2 = x j + WC 2
•
EL ≡ QBM QBM
=
1−
xj L
沟道长度 (µm) 10 5
1
0.25
tOX (nm)
120 50 15
<5
2002.5
半导体器件 4.5
6
4.5.1 Scaling-down
� 从 1971 年 到 2001 年�30 年来晶体管尺寸从 10
µm 减小到 0.13 µm �缩小了约 80 倍�集成度从
每个芯片 2250 个晶体管上升到 4200 万个晶体管� 增加了近 1.8 万倍。 � 但是�实际得到的 MOS 集成电路的性能都比按 比例缩小原理预示的要差。
2002.5
半导体器件 4.5
17
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
器件尺寸的减小将导致MOSFET的特性与长沟理论 分析结果的偏离
11
2002.5
半导体器件 4.5
12
4.5.2 非理想特性�亚阈值特性�
公式推导�
� 输运方程�扩散电流>>漂移电流 �� JC = qDn dn dy
∫ ∫ 沟道总电流�IDsub = −W
•
� 定义� 有效阈电压 VT • 平均有效单位面积体电荷 QBM
2002.5
半导体器件 4.5
21
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
定量计算�
2002.5
假设�WC=WS=WD 几何运算�
( ) ( ) ∆L + x j 2 + WC2 = x j + WC 2
•
EL ≡ QBM QBM
=
1−
xj L
沟道长度 (µm) 10 5
1
0.25
tOX (nm)
120 50 15
<5
2002.5
半导体器件 4.5
6
4.5.1 Scaling-down
� 从 1971 年 到 2001 年�30 年来晶体管尺寸从 10
µm 减小到 0.13 µm �缩小了约 80 倍�集成度从
每个芯片 2250 个晶体管上升到 4200 万个晶体管� 增加了近 1.8 万倍。 � 但是�实际得到的 MOS 集成电路的性能都比按 比例缩小原理预示的要差。
2002.5
半导体器件 4.5
17
4.5.3 小尺寸效应�短沟道效应�
器件尺寸的减小将导致MOSFET的特性与长沟理论 分析结果的偏离
L04-小尺寸MOSFET的特性
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） 当 VDS > 0 时
' QB 1 yS yD F 1 QB L 2
9/74
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT 1o x j 2o N A 3o tox
VDS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. off） 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
' QB 2 d max L 2 L 1 1 QB d max L L
7/74
2 L r22 d max
6/74
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
' QB V VFB 2VB Cox ' QB VFB 2VB 2VB VBS QB ' T
1/74
半导体器件原理
主讲人：蒋玉龙
本部微电子学楼312室，65643768 Email: yljiang@ http://10.14.3.121
第四章 小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2/74
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
2 s Vbi VBS yS qN A
x 2 y 1 / 2 Q F 1 j 1 S 1 QB 2 L xj 2 y 1 / 2 xj 1 D 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2
' QB 1 yS yD F 1 QB L 2
9/74
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT 1o x j 2o N A 3o tox
VDS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll3. off） 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
' QB 2 d max L 2 L 1 1 QB d max L L
7/74
2 L r22 d max
6/74
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
' QB V VFB 2VB Cox ' QB VFB 2VB 2VB VBS QB ' T
1/74
半导体器件原理
主讲人：蒋玉龙
本部微电子学楼312室，65643768 Email: yljiang@ http://10.14.3.121
第四章 小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2/74
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
2 s Vbi VBS yS qN A
x 2 y 1 / 2 Q F 1 j 1 S 1 QB 2 L xj 2 y 1 / 2 xj 1 D 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2
NMCL版电力电子技术实验一之MOSFET特性及驱动电路
示波器直流输入方式，1V/div量 程，探头衰减开关位于10X处。
示波器探头衰减开关位于10X处。
1.2
NMCL-07挂件主回路单元的“1”端与MOS 管的漏极“D”端之间串入万用表（漏极 电流ID测量）。 NMCL-31单元给定G部分输出“Ug”及地 端分别与MOS管的“G”、“S”端相连 。 示波器的测量输入接至MOS管的“G”、 “S”端（栅源极电压VGS测量）。
NMCL-07
主回路
R1 L1 R2 2 VD1 S1 3 1
功率器件
吸收电路 4 6
5
V+
7 RDC 1 RDC2
功率器件 C GTR GTO A MOSFET G S E D IGBT C
NMCL-07电
B G E GTR驱动电路 +15V 9 C2 VST C1 R3 8 10 R4 12 11 13 K
NMCL-Ⅲ电力电子技术实验台
NMCL-07
主回路
R1 L1 R2 2 VD1 S1 3 1
功率器件
吸收电路 4 6
5
V+
7 RDC 1 RDC2
功率器件 C GTR GTO A MOSFET G S E D IGBT C
NMCL-07
B G E GTR驱动电路 +15V 9 C2 VST C1 R3 8 10 R4 12 11 13 K
此时设备应有正常的控制电压LED指示。
NMCL-Ⅲ电力电子技术实验台
NMCL-32电源控制屏
FUSE
U
漏电断路器
FUSE
FUSE
V W
FUSE
复旦大学(微电子)半导体器件第八章MOSFET
D B S G S B G S
n
p+ 空穴 SD SD
D B G S
+
D B
符号
G
MOSFET 的阈值电压
VT VFB 2VB
其中
功函数差
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
n = 550 ~ 950 cm2/Vs p = 150 ~ 250 cm2/Vs n/p=2~4
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式： W 1 2 I DS Cox n VGS VT VDS VDS L 2 在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间。
A
0 Von
负载线
B
Voff VDD
VDS
几种 MOS 倒相器
+VDD RD +VDD
电阻负载型 MOS 倒相器
C
M2
E-E MOS 倒相器
M1
C
+VDD
+VDD
M2
E-D MOS 倒相器
C
M2
CMOS 倒相器ห้องสมุดไป่ตู้
C
M1
M1
MOS 倒相器负载线和电压传输特性
E y ( x, y ) E x ( x, y ) x y
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度 Qn Cox VGS VT
n
p+ 空穴 SD SD
D B G S
+
D B
符号
G
MOSFET 的阈值电压
VT VFB 2VB
其中
功函数差
QB (d max ) qN Ad max VFB 2VB Cox Cox
VFB
Qss 1 tox x ms ( x )dx Cox Cox 0 tox
n = 550 ~ 950 cm2/Vs p = 150 ~ 250 cm2/Vs n/p=2~4
体电荷效
• 前面给出MOSFET特性公式： W 1 2 I DS Cox n VGS VT VDS VDS L 2 在该公式中认为沟道中耗尽层宽度是不变的，实际上由于漏端和 源端存在电势差，沟道的宽度当然也不一样，考虑到这个因素以 后必须计入沟道体电荷变化部分对阈值电压的贡献。
开关速度取决于对电容的 充放电和载流子渡越时间。
A
0 Von
负载线
B
Voff VDD
VDS
几种 MOS 倒相器
+VDD RD +VDD
电阻负载型 MOS 倒相器
C
M2
E-E MOS 倒相器
M1
C
+VDD
+VDD
M2
E-D MOS 倒相器
C
M2
CMOS 倒相器ห้องสมุดไป่ตู้
C
M1
M1
MOS 倒相器负载线和电压传输特性
E y ( x, y ) E x ( x, y ) x y
MOSFET 的可调电阻区 (线性区)
强反型条件下（VGS > VT） VDS 较小时 沟道中反型电子电荷面密度 Qn Cox VGS VT
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4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT rolloff）
1. 现象
4/75
窄沟道效应
短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应3
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
5/75
p-Si
p-Si
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
2 ( x, y ) 0 GCA： 2 y
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） dmax/xj 较小时
1/ 2 x j 2d max Q d 1 1 max F 1 1 QB L x L j ' B
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3o Halo implant
26/75
Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应23
4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构
1. 最大漏电场 Eymax 饱和时
1/ 3 1/ 3 E y max VDS VDSsat 0.22tox x j tox 和 xj 均以 cm 为单位
' QB 2VB Cox
V VFB
' T
VFB
' QB 2VB 2VB VBS QB
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
表面势
VsL VGS VT
VT =
3Vbi 2VB VDS exp L l 2 Vbi 2VB Vbi 2VB exp L 2l
VDS 大
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应17
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2 s Vbi VBS yS qN A
1/ 2 Q 2 yS xj 1 F 1 1 QB 2 L x j 1/ 2 x j 2 yD 1 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2 ' B
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应21
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 2o PTI
25/75
kT S n ln 10 q
x
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应22
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
eff ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) 2 ( x, y ) 2 2 s x s y
6/75
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
1/ 2 x j 2d max 1 1 L xj
经验参数（ >1）
3o NA dmax F VT
4o xj VT
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL）
3/75
3. 速度饱和效应
4. 亚阈特性退化
5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2
¼ 圆弧：
1 2 QW 2 d max d max QB W d max 2 W
一般地，引入经验参数 GW
QW d max GW QB W
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应12
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
3. 三种氧化物隔离结构的 NWE
15/75
Raised field-oxide isolation： W VT
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
24/75
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施
1o 选择合适的 NB ：
N B N ch 10
2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14
4.1.5 漏感应势垒降低
1. 现象
17/75
L 很小时， VDS
VT
VT (VDS ) VT (0) VDS
DIBL 因子
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因
18/75
(1) 电荷分享
QFS 2 W
L/2
0
Q fs ( y )dy 2Q fs 0G0W 1 exp L 2G0 单位：[C]
VT
QFS Cox LW
2Q fs 0G0 1 exp L 2G0 Cox L
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应10
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
27/75
tox
降低 Eymax 措施
xj
VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction
2. 双扩散漏 (DDD)
2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 s
2 ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 y 2 s 2 ( x, y )
y
2
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
抑制 VT roll-off 的措施：
4o VBS 5o VDS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应7
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
10/75
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应8
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象 长沟道 短沟道
20/75
IDSst 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
IDSst > 1/L
VDS IDSst L S
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
21/75
短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因
22/75
I DSst ,短沟 I DSst ( 扩散 ) I PT
(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
均匀掺杂衬底
1. 现象 W VT
13/75
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应11
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
2. 边缘耗尽效应
W
14/75
VT ,宽沟 VFB 2VB 2VB VBS
dmax
SiO2
y
x
z
QB Cox QW Cox
QB QW
VT ,窄沟 VFB 2VB 2VB VBS
8/75
dmax/xj 较大时
' QB d F 1 max QB L
VT VT' VT 2VB VBS
d max s tox 2VB VBS 2 2VB VBS L ox L
1o L F VT 2o tox VT
VT adjust implant
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应19
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
Vbi + 7 V
23/75
电子浓度分布
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20
1/75
半导体器件原理
主讲人：仇志军
本部遗传楼309室 55664269 Email: zjqiu@ 助教：王晨禹14110720017@
第四章 小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2/75
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT
2 s Vbi VDS VBS yD qN A
VDS
1. 现象
4/75
窄沟道效应
短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应3
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
5/75
p-Si
p-Si
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
2 ( x, y ) 0 GCA： 2 y
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） dmax/xj 较小时
1/ 2 x j 2d max Q d 1 1 max F 1 1 QB L x L j ' B
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3o Halo implant
26/75
Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应23
4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构
1. 最大漏电场 Eymax 饱和时
1/ 3 1/ 3 E y max VDS VDSsat 0.22tox x j tox 和 xj 均以 cm 为单位
' QB 2VB Cox
V VFB
' T
VFB
' QB 2VB 2VB VBS QB
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
表面势
VsL VGS VT
VT =
3Vbi 2VB VDS exp L l 2 Vbi 2VB Vbi 2VB exp L 2l
VDS 大
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应17
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2 s Vbi VBS yS qN A
1/ 2 Q 2 yS xj 1 F 1 1 QB 2 L x j 1/ 2 x j 2 yD 1 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2 ' B
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应21
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 2o PTI
25/75
kT S n ln 10 q
x
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应22
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
eff ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) 2 ( x, y ) 2 2 s x s y
6/75
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
1/ 2 x j 2d max 1 1 L xj
经验参数（ >1）
3o NA dmax F VT
4o xj VT
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL）
3/75
3. 速度饱和效应
4. 亚阈特性退化
5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2
¼ 圆弧：
1 2 QW 2 d max d max QB W d max 2 W
一般地，引入经验参数 GW
QW d max GW QB W
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应12
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
3. 三种氧化物隔离结构的 NWE
15/75
Raised field-oxide isolation： W VT
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
24/75
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施
1o 选择合适的 NB ：
N B N ch 10
2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14
4.1.5 漏感应势垒降低
1. 现象
17/75
L 很小时， VDS
VT
VT (VDS ) VT (0) VDS
DIBL 因子
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因
18/75
(1) 电荷分享
QFS 2 W
L/2
0
Q fs ( y )dy 2Q fs 0G0W 1 exp L 2G0 单位：[C]
VT
QFS Cox LW
2Q fs 0G0 1 exp L 2G0 Cox L
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应10
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
27/75
tox
降低 Eymax 措施
xj
VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction
2. 双扩散漏 (DDD)
2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 s
2 ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 y 2 s 2 ( x, y )
y
2
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
抑制 VT roll-off 的措施：
4o VBS 5o VDS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应7
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
10/75
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应8
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象 长沟道 短沟道
20/75
IDSst 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
IDSst > 1/L
VDS IDSst L S
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
21/75
短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因
22/75
I DSst ,短沟 I DSst ( 扩散 ) I PT
(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
均匀掺杂衬底
1. 现象 W VT
13/75
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应11
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
2. 边缘耗尽效应
W
14/75
VT ,宽沟 VFB 2VB 2VB VBS
dmax
SiO2
y
x
z
QB Cox QW Cox
QB QW
VT ,窄沟 VFB 2VB 2VB VBS
8/75
dmax/xj 较大时
' QB d F 1 max QB L
VT VT' VT 2VB VBS
d max s tox 2VB VBS 2 2VB VBS L ox L
1o L F VT 2o tox VT
VT adjust implant
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应19
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
Vbi + 7 V
23/75
电子浓度分布
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20
1/75
半导体器件原理
主讲人：仇志军
本部遗传楼309室 55664269 Email: zjqiu@ 助教：王晨禹14110720017@
第四章 小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2/75
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性
VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT
2 s Vbi VDS VBS yD qN A
VDS