适用于亚微米沟道MO SFET的阈值电压解析模型
第3章 第1讲 MOS的阈值电压和电流
ID 2
VGS VT
2
和区电流
VDsat VGS VT
39
电流方程：端电压形式
ID
K
VG
VT
VS
2
VG
VT
VD
2
K
1 2
eff
Cox
W L
1 K'W 2L
,
K ' eff Cox
➢导电因子：K因子 ➢本征导电因子：K‘ ➢端电压形式的电流方程体现了MOS器件的源漏对称的特点
B
使源端半导体表面达到强反型的栅压，是 区分MOS器件导通和截止的分界点。
半导体表面达到强反型的栅压-- VT
1、阈值电压公式(假设NMOS 源端和衬底接地)
VT VFB Vox s
VFB对应半导体平带电压 Vox对应栅氧化层上的压降
s 对应半导体表面耗尽层上的压降
7
阈值电压：耗尽层压降－表面势
Open (off) (Gate = ‘0’)
| VGS | < | VT |
Closed (on) (Gate = ‘1’)
Ron
| VGS | > | VT |
5
MOS晶体管阈值电压分析
G
VGS
+
S
D
-
n+
n+
n channel p substrate
depletion region
阈值电压的定义：
漏压达到夹断电压，漏端沟道夹断
饱和区
32
漏电压较大时沟道区电荷分布
器件3
变量Rdsw是单位宽度的电阻值，Wr是拟合参数，Prwb 和Prwg是体偏臵系数和栅偏臵系数。
强反型时的电流和输出电阻（饱和区）
典型的I-V曲线和输出电阻如图
一般MOSFET的输出电阻
只考虑漏源电流，I-V曲线则分为两部分：漏源 电流随漏源电压变化迅速增大的线性工作区和漏源 电流受漏源电压影响很小的饱和区。其一阶导数更 详细地反映器件工作的物理机制。输出电阻曲线(与 I-V曲线一阶导数有关)按Rout与Vds的关系可以明确分 为四个区域。
基板电荷效应
当漏极工作在高偏压时会造成沟道耗尽区深度不均 匀(如图)，而耗尽区深度的不均匀会造成阈值电压沿着 沟道方向改变，当阈值电压改变时相对的漏极电流也 会跟着改变。
耗尽区深度变化示意图
当漏端电压很大时，沿着沟道的耗尽层厚度是不均 匀的，这导致沟道方向阈值电压的变化。这种效应 称为基板电荷效应。 由此，引入参数Abulk来表述此效应。
其中，ΔL是速度饱和区域的长度，有效沟道长度为 L- ΔL，经过准二维近似得出：
对于长沟道和衬底掺杂浓度均匀的MOSFET，阈值电 压Vth如下：
其中，VFB是平带电压，VTideal是长沟道器件在衬底偏 臵为零时的阈值电压，即理想阈值电压，γ是衬底偏 臵效应系数。
其中，Na为衬底掺杂浓度，表面势为：
衬底杂质的非均匀分布
纵向非均匀掺杂效应
基区杂质分布在垂直方向是不均匀的，如图所示：
由于漏端电压，漏端附近的Xdep比沟道中央的值大。 Xdep /η代表沟道的平均耗尽层宽度。
通过以上的讨论，源漏电荷分布和DIBL效应对 阈值电压的影响通过以下模型参数表示：
其中Dvt0,Dvt1,Dvt2为拟合参数。
硅锗应变沟道MOSFET器件中阈值电压的解析模型
电子科学SI L I C O NL L E Y一爨《硅锗应变沟道M O S F E T器件中阈值电压的解析模型周少华熊琦李锐敏(湖南工程职业技术学院湖南长沙410015)[摘要】在分析应变Si／应变s i l一Y G eY／驰豫S“一X GeX pM O SFE T的在栅极电压作用下电荷在栅氧化层下面的分布情况的基础卜，通过求解泊松方程，得到此器件的隐埋s i Ge沟道阈值电压解析模型和表面沟道的阈值电压解析模型，并用典型参数对模型进行了模拟，得到的模拟结果与实验结果能够很好的吻合．【关键词]s i G e M O S FET器件阈值电压解析模型中图分类号；1118文献标识码：A文章编号：1871--7597(2008)1220008-01一、曹■随着M O$器件的物理尺寸越来越接近极限值，迫切需要寻找新的材料或研制新的器件结构来满足b速增长的器件速度的要求。
近年来的研究发现应变Si沟道可以明显提高电子、空穴的迁移率。
应变Si G e沟道可以提高空穴迁移率[1]。
而要与C M O S工艺兼容，需同时提高nM O S和pM O S管的性能。
人们提出了一些应用应变来改善性能的C M O S结构[2]，但是大部分的结构中，nM OS管pM O S管都是分别制作在si片上，生产步骤繁琐，工艺复杂，成本高。
最近提出了一种双应变(应变Si／应变si l_Y G eY／驰豫s i l_xG e x pM O SFE T) C M O S结构[3]，这种结构同时利用了应变si对电子迁移率的增强和应变Si G e对空穴迁移率的增强作用，通过掺入不同杂质，即可用作nM OS管或用作pM O S管，工艺简单。
是目前最有前途的一种利用戍变来提高Si C M O S集成电路性能的结构。
用作nM OSFE T时是应变si表面沟道器件，应变Si nM OS已经有很多文献进行了模拟[4]。
作为p M O SFE T时是隐埋s i G e沟道器件，都没有考虑在栅极电压作用下表面沟道开启的情况。
eeprom中浮栅mos晶体管阈值电压的研究
eeprom中浮栅mos晶体管阈值电压的研究-概述说明以及解释1.引言1.1 概述概述部分的内容可以描述EEPROM（Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory）中浮栅MOS（Metal-Oxide-Semiconductor）晶体管阈值电压的研究背景和意义。
可以按照以下内容进行编写：概述:EEPROM是一种非易失性的存储器，在现代的电子设备中起着至关重要的作用。
其中，浮栅MOS晶体管作为EEPROM的关键部件，其阈值电压的研究对EEPROM的工作性能和可靠性具有重要的影响。
在EEPROM中，浮栅MOS晶体管可以通过修改其阈值电压来实现电子信息的存储和擦除。
阈值电压是浮栅MOS晶体管的重要参数，它决定了晶体管在导通和截止状态之间的转换。
因此，准确地了解和控制浮栅MOS晶体管的阈值电压对于EEPROM的性能优化和可靠性提高至关重要。
阈值电压的研究涉及多个方面，包括晶体管结构、制造工艺以及物理和电学特性等。
通过深入研究和分析浮栅MOS晶体管阈值电压的形成机制和影响因素，可以帮助我们更好地理解和改进EEPROM的性能。
本文旨在综述过去几十年对浮栅MOS晶体管阈值电压的研究成果，探讨不同结构、不同掺杂类型以及不同工艺对阈值电压的影响。
同时，也将分析现有研究中存在的局限性，并提出未来研究的展望。
通过对EEPROM中浮栅MOS晶体管阈值电压的深入研究，我们可以为EEPROM的设计和制造提供更有效的技术支持，进一步推动电子存储器领域的发展。
此外，对浮栅MOS晶体管阈值电压的研究也对其他相关领域的研究具有借鉴意义，例如微电子器件的设计和制造等。
总之，本文将对EEPROM中浮栅MOS晶体管阈值电压的研究进行全面的梳理和总结，为相关研究提供理论和实践指导，促进该领域的研究进展和应用拓展。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以包括以下内容：文章的结构是指文章整体的组织和分布，它是读者了解整篇文章的框架和内容安排的重要指引。
超深亚微米 mosfet 及其模型与模拟
超深亚微米 mosfet 及其模型与模拟
超深亚微米MOSFET是指电晕尺寸小于100纳米并且门极长度小于20纳米的金属氧化
物半导体场效应管。
这种器件已经成为目前集成电路技术研究的热点和焦点，具有体积小、工作速度快、
能耗低、可靠性高等优点，因此在很多领域都展现出了巨大的应用潜力。
在超深亚微米MOSFET的研究中，建立精准、可靠的模型并进行模拟是非常重要的一环。
这样可以更好地研究其电学性能、优化器件设计，甚至可以预测其未来的发展方向。
目前，针对超深亚微米MOSFET的模型主要可以分为物理模型、统计模型和数值模型三类。
物理模型主要基于理论物理原理建立，由于其较为准确，一度是超深亚微米MOSFET建模的主流。
但是由于模型的理论基础很多只是经验性的，它的使用情况受到了很多限制，
难以直接适用于工业界的应用。
统计模型则是基于许多实验数据对器件特性的分析，通过回归分析、统计分析等方法
建立。
这种方法虽然可以避免物理模型的不足，但是其要求实验数据的准确性、可靠性非
常高。
数值模型则是通过电磁场、流体动力学、热传导等物理学理论建立对超深亚微米MOSFET进行数值模拟的模型，其优势在于能够预测器件未来的发展方向，并且具有良好的仿真精度。
深亚微米薄膜全耗尽SOI MOSFET的强反型电流模型
1 引言
薄膜全耗尽 SO IM O SFET 可以抑制短沟效应、具有理想的亚阈斜率和高跨导等优点, 在低压、低功耗和深亚微米数字 模拟电路中有着广泛的应用前景[1, 2]. 建立适用于数字和模 拟电路模拟的精确而有效的 SO IM O SFET 解析模型, 对于 SO I VL S I 电路的分析与设计具 有十分重要的意义.
为了解决上述问题, 本文提出了一种新的强反型电流电压模型. 在整个沟道区采用准二 维的处理方法, 在考虑 FD SO IM O SFET 器件特点的情况下, 推导出一个即适用于线性区 又适用于饱和区的电流表达式, 模型在整个工作区域, 都能保证有无限的连续性. 同时本模 型可以自动地计入传统模型中有效沟道长度调制效应, 并且不需要计算饱和电压 V , dsat 饱和 区有效沟道长度等参量. 此外, 本模型考虑了大部分的短沟效应, 可以正确反映深亚微米器 件的物理机制. 我们利用深亚微米 SO IM O SFET 器件特性的实测结果, 对模型公式进行了 验证, 模拟结果与实测结果吻合得很好.
FET
( tof= 10nm , tSi= 60nm , L eff= 0. 2Λm ) 的沟道电场分布曲线.
由图可以看出,
d∃ Υsf dy
(y
)
可
以由一多项式近似表述:
d∃ Υsf (y ) dy
=
Α0 +
Α1y n
(16)
n 是一拟合参数, 该函数与沟道长度有关系, 沟道长度越长, n 越大. 系数 Α0, Α1 则可由边界
沟道电流表述成:
Q cf = -
I ds
W Τ eff
(8)
我们将式 (6)、(7)、(8) 代入式 (4) , 经变换即可得到一个电流表达式:
MOS器件阈值电压解读
Qb max VTn VFB 2 f Cox
Qb max qN B xdamx 2 0 si qN B ( 2 f VSB )
强反型后，MOST的反型层电荷与栅压的关系为：
Qi ( y ) Qb max ( y ) VGS VFB s ( y ) Cox
近似认为重掺杂多晶硅的能带与单晶硅相同
影响阈值电压的因素: Q0
SiO2中的正电荷面密度Q0*
固定正电荷 可动正电荷 陷阱电荷 界面陷阱电荷 这些电荷是使早期MOSFET不稳定的主要原因,其 大小与晶向有关，与SiO2的生长工艺有关。 通常要求：Q0 1010 / cm 2
q
影响阈值电压的因素：NB
MOSFET与MOS电容的不同（3）
VGS>VT
Channel S
VDS>0
IDS
n+
p-substrate
n+
B
VBS
NMOS 反型层和耗尽区
MOSFET电压－电荷关系
VGB VFB Qs ( y ) s ( y ) C ox
s ( y )、 Qs ( y ) ？
如何得到
MOSFET阈值电压的调整方法及测试
图２ Ｍ０Ｓ Ｓ Ｅ Ｍ 剖 面
扼
ｉ Ｉ ａ １ Ｉ ０ Ｉ
这个假设除了在漏 的附近不成立 以外 ， 在沟道的其他 区域 都是 成立的， 所以我们可 以使用这个假设来进行 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ的模 拟。在这 个假设下 ， 那么 Ｍ Ｏ Ｓ结构的电荷方程在 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ中可 以继续使用。 第 二个假设 ： 漏源 电压很小 ＜ Ｏ ． １ ｖ 沟道 电势可 以写为 ：
・
５ ０・
科技 论及测试
宁 莉 王 淼 （ 西安卫光科技有 限公 司， 陕西 西安 ７ １ ０ ０ ６ ５ ） 摘 要： 本 文通过论述 ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ的模型 ， 推 导阈值 电压计算公式 ， 得 出影响闽值 电压的诸 多因素 ， 其 中最大的影响 因素就是栅氧厚度 和衬底掺 杂浓度 。进而阐述阈值 电压调整的方法和 晶圆制造 中实际测试 阈值 电压的方法 关键词 ： ＭＯ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ； 阈值 电压 ； 栅 电压 ； 漏电流 ； 跨导
区的注入实现 的， 即有 一 个 少 子 的 注 人 过 程 ， 所 以 他 是 一 个 非 平 衡
Ｚ
Ｐ 型衬底
Ｘ
的体系。对于少子而言 ， 他有一个 自己的准费米能级。 ———］■—一 第一个假设为缓变沟道假设（ Ｇ Ｃ Ａ） ， 他假定 ｙ 方 向上 的电场变 图１ ＭＯ８结 构 化远小 于 ｘ 方 向上的 电场变化 。他 的数学表达为
在 正常情况下 ，半导体表 面强反型时 的栅源 电压称为 ＭＯ Ｓ管 的阈值 电压 。Ｍ Ｏ Ｓ 结构图如图 １ 和图 ２ 所示 。
除了均 匀搀杂的假设 以外 ，我们 的讨 论 只限于长沟和宽 沟器 件， 所 以可以忽略由他们引起的边缘效应 。 此外需要注意的是 ， 由于 Ｍ Ｏ Ｓ结构的少 子来源是空间电荷区的电子空穴对的产 生 ， 所以形成 的是一个平衡体系 。而对 于 Ｍ Ｏ Ｓ Ｆ Ｅ Ｔ而言 ， 由于他的少子是通过源
MOSFET新材料
不同MOSFET模型应用场合
Level 1 简单MOSFET模型 Level 2 2m 器件模拟分析 Level 3 0.9m 器件数字分析 BSIM 1 0.8m 器件数字分析 BSIM 2 0.3m 器件模拟与数字分析 BSIM 3 0.5m 器件模拟分析与0.1m 器件数字分 析 Level=6 亚微米离子注入器件 Level=50 小尺寸器件模拟电路分析 Level=11 SOI器件 对电路设计工程师来说, 采用什么模型参数在很大程度 上还取决于能从相应的工艺制造单位得到何种模型
Short channel efth)漂移 亚阈电流上升 Vsat 寄生双极晶体管效应 热载流子
阈电压
阈电压
迁移率、速度模型
寄生双极晶体管效应
CMOS device
Theory
• Constant Electric Field理论（CE) • Constant Voltage理论(CV) • Quasi-Constant Voltage理论（QCV)
with LOCOS isolation
LDD
As the channel length becomes smaller, the junction electric fields become larger. One approach that reduces these breakdown effects is to alter the doping profile of the drain contact. Peak electric field changes.
• （d）新结构器件的研究。 • 人们已经提出许多不同于传统平面结构的新结构器件。 如：迁移率增强器件、超薄体SOI器件、垂直晶体管、源 漏工程器件、FinFET等，其中目前最成功要算是双栅 FinFET。双栅FinFET最早是由加州大学Berkeley分校 C.Hu领导的器件组开发的新结构双栅器件，它是做在SOI 的衬底上，问世之后便受到世界各国研究者的广泛关注； 在近几年的IEEE IEDM和VLSI symp等集成电路领域的重 要会议上，FinFET 都成为关注的焦点。FinFET结构本质 上属于一种准平面结构，制备工艺相对比较简单，但是其 栅宽在垂直于平面的方向，不容易做大。源漏的电阻会比 较大。这种结构相较于其它新型结构器件比较容易制备， 与CMOS兼容性很好。因此被认为是一种很有前途的器件 结构形式。
薄膜SOI MOSFET的阈值电压推导
薄膜SOI MOSFET 的阈值电压推导学号：GS12062436 姓名：薛召召 对于长沟道SOI MOSFET 器件阈值电压模型的推到我们先从部分耗尽SOI MOS 器件来开始分析，部分耗尽SOI MOS 器件的阈值电压与体硅器件类似，NMOSFET 的阈值电压T V 通常定义为界面的电子浓度等于P 型衬底的多子浓度时的栅压。
可以由下式给出：2dep T MS F OXQ V C =Φ+Φ+(1)式中MS Φ是多晶硅栅和硅衬底的功函数之差的电压值，q 是电子电荷，sub N 是衬底掺杂浓度，(/)ln(/)F sub i kT q N n Φ=，dep Q 是耗尽区的电荷，OX C 是单位面积的栅氧化层电容。
由pn结理论可知，dep Q =其中si ε表示硅的介电常数。
对于全耗尽N 沟道SOI 器件的阈值电压可以通过求解泊松放出得到。
对于长沟道器件考虑一维泊松方程和耗尽近似，x 为垂直表面的方向，如图1所示，有22AsiqN x ϕε∂=∂ （2） 将上式积分两次，并考虑到边界条件，可以得到以硅膜中深度x 的函数形式()x ϕ表达的电势：2()()22sf sb A siA sf si si siqN t qN x x x t ϕϕϕϕεε-=+-+（3） 其中sf ϕ和sb ϕ分别是正背面Si-SiO 2界面处的表面势，如图1所示。
对于(2)式积分一次，可得到硅膜中的电场分布为()()2sb sfA siAsisisiqN t qN E x x t ϕϕεε--=--(4) 由上式可以得到0x =处的正表面势sf E 为：2sf sbA sisf sisiqN t E t ϕϕε-=+（5） 在正界面处用高斯定理可得正面栅氧化层上的电压降oxf V 为：si sf oxf invfoxf oxE Q Q V C ε--=（6）式中oxf Q 是正面Si-SiO 2界面的固定电荷密度，invf Q 是正面沟道反型电荷。