L04小尺寸MOSFET的特性课件.ppt

1、半导体器件原理半导体器件原理主讲人：蒋玉龙主讲人：蒋玉龙本部微电子学楼312室，65643768Email:yljiangfudan.edu10.14.3.121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14.1.1 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 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应24.1.2 阈值电压“卷曲

2、”（VT roll-off）1.现象短沟道效应窄沟道效应4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应34.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）2.原因长沟道 MOSFET短沟道 MOSFETsyxxyx),(),(22syxyyxxyx),(),(),(2222GCA：0),(22yyxp-Sip-Si0),(22yyx4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）2.原因2222),(),(),(yyxyxxyxsseffyx),(p-SiAeffANN VT 3.电荷分享模型(Poon-Yau)oxBBFBTCQVVV2B

3、SBBFBVVVV22NMOSoxBBFBTCQVVV2BSBBBBFBVVQQVV224.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应44.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)计算 QB/QB（电荷分享因子 F）LLLdLdQQBB1221maxmaxjjxddx2/12max2maxjxdrL2/12max221212/1maxjjxdx12112/1maxjjBBxdLxQQ1211222/1maxjjBSBBFBTxdLxVVVVVVDS=0NMOS4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应54.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-

4、off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论 QB/QB（电荷分享因子 F）dmax/xj 较小时dmax/xj 较大时LdQQFBBmax1LdxdLxQQFjjBBmax2/1max11211经验参数（1）12122/1maxjjBSBTTTxdLxVVVVVBSBoxoxsVVLt22BSBVVLd2max1o L F VT 2o tox VT 3o NA dmax F VT 4o xj VT 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应64.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll-off）3.电荷分享模型(Poon-Yau)讨论 QB/QB（电荷分享因子 F）当 VDS 0 时o

5、xBSBAsDSTLCVVNqyyV5.0211DSBByyLQQFVDS F VT 抑制 VT roll-off 的措施：1o xj 2o NA 3o tox 4o VBS 5o VDS 4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应74.1.3 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84.1.3 反常短沟道效应（RSCE/VT roll-up）2.原因MOS“重新氧化”（RE-OX）工艺OED：氧化增强扩散4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应94.1.3 反常短沟道效应（RSCE/VT roll-up）3.分析00exp)

6、(GyQyQfsfs单位：C/cm2横向分布的特征长度源（漏）端杂质电荷面密度单位：C0002exp12GLLCGQoxfsLWCQVoxFST0002/02exp12)(2GLWGQdyyQWQfsLfsFS4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应104.1.4 窄沟道效应（NEW）1.现象W VT 短沟道效应窄沟道效应4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应114.1.4 窄沟道效应（NEW）2.边缘耗尽效应BSBBFBTVVVVV22,宽沟oxBCQoxWBSBBFBTCQVVVVV22,窄沟WddWdQQBWmaxmax2max221WQBQWSiO2dmaxxzy 圆弧：一般

7、地，引入经验参数 GWWdGQQWBWmax4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应124.1.4 窄沟道效应（NEW）3.三种氧化物隔离结构的 NWERaised field-oxide isolation：W VT LOCOS：W VT STI：W VT 反窄沟道效应（inverse NWE）4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应134.1.4 窄沟道效应（NEW）4.杂质横向扩散的影响杂质浓度边缘高，中间低 边缘不易开启 随着 W VT 窄沟道效应4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应144.1.5 漏感应势垒降低1.现象L 很小时，VDS VT DSTDSTVVVV)0

8、()(DIBL 因子4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应154.1.5 漏感应势垒降低2.原因(1)电荷分享12122/1jDjxyLx121212/1jSjBBxyLxQQF211DSyyLBSbiAsSVVqNy2BSDSbiAsDVVVqNy2VDS F VT oxBSBAsDSTLCVVNqyyV5.04.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应164.1.5 漏感应势垒降低2.原因(2)电势的二维分布导带边 Ec表面势lLlyLVVlLlyVVVVyVsLbisLDSbisLssinhsinhsinhsinh)(特征长度oxoxstdlmaxVT=lLlLVVVDSBbiex

9、p22exp22VDS 很小lLVVVVlLVVVBbiBbiDSBbi2exp222exp23VDS 大4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应174.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性1.现象 长沟道 短沟道 IDSst 1/LIDSst 1/L IDSst 与 VDS 无关VDS IDSst S 与 L 无关L S 长沟道 MOSFET短沟道 MOSFET4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性1.现象短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应184.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性2

10、.原因PTDSstDSstIII)(,扩散短沟(1)亚表面穿通（sub-surface punchthrough）均匀掺杂衬底VT adjust implant4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应194.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surface punchthrough）Vbi+7 V电子浓度分布4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应204.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性2.原因(1)亚表面穿通（sub-surface punchthrough）3.抑制 sub-surface punchthrough 的措施1o 选择合

11、适的 NB：10chBNN2o 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214.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性2o PTI10lnqkTnS x3.抑制 sub-surface punchthrough 的措施4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应224.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性3.抑制 sub-surface punchthrough 的措施3o Halo implantHalo implan

12、t 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234.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构1.最大漏电场 Eymax饱和时3/13/1max22.0joxDSsatDSyxtVVEtox 和 xj 均以 cm 为单位降低 Eymax 措施 tox xj VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction2.双扩散漏(DDD)P 比 As 扩散系数大4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应244.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构2.双扩散漏(DDD)双扩散漏结构(DDD)DDD 应用范围：Lmin 1.5 m（对于 VDD=5 V）4.1 MOSFE

13、T的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应254.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构3.轻掺杂漏结构(LDD)LDD 结构的电场分布普通：3/13/1max22.0joxDSsatDSyxtVVELDD：3/13/1maxmax22.0joxnyDSsatDSyxtLEVVEnjoxDSsatDSyLxtVVE3/13/1max22.0LDD 应用范围：L 1.25 m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4.2 小尺寸MOSFET的直流特性4.3 MOSF

14、ET的按比例缩小规律4.2 小尺寸MOSFET的直流特性14.2.1 载流子速度饱和效应v 不饱和区v 饱和区v(Ey)=Ey EsatsatyyeffEEE12sateffsatEvEy Esat4.2 小尺寸MOSFET的直流特性24.2.1 载流子速度饱和效应长沟道、短沟道直流特性对比221 DSDSTGSDSVVVVI长沟道短沟道线性区221 DSDSTGSDSVVVVIIDS 饱和条件LWCoxnLEVLWCsatDSoxeff10)(LQnTGSDSsatVVVsatnvv TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV饱和区222121DSsatTGSDSsatVVVITG

15、SsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI24.2 小尺寸MOSFET的直流特性34.2.1 载流子速度饱和效应短沟道 MOSFET 饱和区特性计算沟道中 P 点（速度达到 vsat，电场达到 Esat）的电流区 I：2211DSsatDSsatTGSoxsatDSsateffDSVVVVLWCLEVI)(DSsatTGSoxsatsatnDSVVVCWvWvPQI区 II：=DSsatITGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEVTGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI24.2 小尺寸MOSFET的直流特性44.2.1 载流子速度饱和效应短沟道 MOSF

16、ET 的直流特性TGSsatTGSsatDSsatVVLEVVLEV线性区2211DSDSTGSoxsatDSeffDSVVVVLWCLEVI饱和区TGSsatTGSoxsatDSsatVVLEVVWCvI2饱和条件：当 Esat L Esat 时lVVEDSsatDSymax4.2 小尺寸MOSFET的直流特性134.2.2 短沟道器件沟道中的电场3.准二维模型实际 l 需用经验公式修正l=3/13/122.0joxxt3/18/12107.1joxxttox 15 nmtox 15 nm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4.2 小尺寸MOSFET的

17、直流特性4.3 MOSFET的按比例缩小规律4.3 MOSFET的按比例缩小规律14.3.1 按比例缩小规律概述Moores Law ContinuesTransistors doubling every 18 months towards the billion-transistor microprocessor4.3 MOSFET的按比例缩小规律24.3.1 按比例缩小规律概述Transistor Gate Length Scaling4.3 MOSFET的按比例缩小规律34.3.1 按比例缩小规律概述International Technology Roadmap of Semicond

18、uctors4.3 MOSFET的按比例缩小规律44.3.1 按比例缩小规律概述(1)Why miniaturization?速度 功耗 集成度 功能 价格/功能(2)How miniaturization?Scaling according to some rules.4.3 MOSFET的按比例缩小规律54.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scaling尺寸缩小到 1/电压缩小到 1/电场不变！4.3 MOSFET的按比例缩小规律64.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scalingConstant Electrical-Fie

19、ld Scalingxx yy),(),(yxyx),(),(),(),(),(yxExyxxyxxyxyxExx同理),(),(yxEyxEyy 验证泊松方程syxyyxxyx),(),(),(2222syxyyxxyx),(),(),(2222),(),(yxyxAANN4.3 MOSFET的按比例缩小规律74.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scaling2/12ADSbisDqNVVW2/12ADSbisDqNVVW一般地，bibiVV 但当 时，则DSbiVV DDWW oxoxttoxoxCCoxGWLCC oxGCLWC GGCC DSDSIIDS

20、satTGSoxnTGSoxnDSsatIVVLWCVVLWCI222121 电流密度 I/AAIAIAI2假设 VT 也可以按 1/scaling4.3 MOSFET的按比例缩小规律84.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scaling 沟道电阻IVR RIVIVIVR同理mmggDDgg RC 延迟时间GRCGGCRCR 功耗IVP 22PIVVIVIP 功耗密度 P/AAPAPAP2211电路密度ACD1CDAACD22114.3 MOSFET的按比例缩小规律94.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scalingConstant

21、 Electrical-Field Scaling RuleRequirementsDevice dimensionsL=L/Channel lengthW=W/Channel widthtox=tox/Oxide thicknessxj=xj/S/D depthDevice dopingNA=NAApplied voltageVA=VA/Results(device parameters)Electrical fieldE(x,y)=E(x,y)Electric potential(x,y)=(x,y)/Drain depletion widthWD=WD/Gate capacitanceC

22、G=CG/4.3 MOSFET的按比例缩小规律104.3.2 MOSFET 的 scaling 规则1.恒电场(CE)scalingConstant Electrical-Field Scaling Rule (cont.)Drain currentI=I/Not valid for subthreshold regionCurrent density(I/A)=(I/A)Channel resistanceR=RResults(circuit performance)Circuit delay time(RC)=/Power IVP=P/2Power density P/AP/A=P/ACi

23、rcuit density CDCD=2CDAssumptionThreshold voltageVT=VT/Not validBuild-in voltageVbi VDDNot valid4.3 MOSFET的按比例缩小规律114.3.2 MOSFET 的 scaling 规则2.恒电压(CV)scaling1o 为了应用和标准化，VDD 不能连续 scaling，VDD=5.0 V 0.8 m2o VT 和 Vbi scaling 困难目的尺寸缩小到 1/电压不变 电场增大到 倍做法问题：高场造成迁移率下降、热载流子效应 4.3 MOSFET的按比例缩小规律124.3.2 MOSFET

24、的 scaling 规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalized scaling做法：尺寸缩小到 1/电场增加到 倍（通常 1 ）恒电场：=1恒电压：=AANN),(),(yxyx 功耗密度 P/A223APAPAP34.3 MOSFET的按比例缩小规律124.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalized scalingGeneralized Scaling Rule(1 )RequirementsDevice dimensionsL=L/Channel lengthW=W/Channel widthtox=to

25、x/Oxide thicknessxj=xj/S/D depthDevice dopingNA=NAApplied voltageVA=(/)VAResults(device parameters)Electrical fieldE(x,y)=E(x,y)Electric potential(x,y)=(/)(x,y)Drain depletion widthWD=WD/Gate capacitanceCG=CG/4.3 MOSFET的按比例缩小规律134.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalized scalingGenerali

26、zed Scaling Rule(1 )(cont.)Drain currentI=(2/)INot valid for subthreshold regionCurrent density(I/A)=2(I/A)Channel resistanceR=R/Results(circuit performance)Circuit delay time(RC)=/()Power IVP=(3/2)PPower density P/A(P/A)=3(P/A)Heavy burdenCircuit density CDCD=2CDAssumptionThreshold voltageVT=(/)VTM

27、ore valid than in CEBuild-in voltageVbi VDDNot valid4.3 MOSFET的按比例缩小规律144.3.2 MOSFET 的 scaling 规则3.准恒电压(QCV)scaling-Generalized scalingPower Dissipation Problem4.3 MOSFET的按比例缩小规律154.3.2 MOSFET 的 scaling 规则4.亚阈值 scaling (Subthreshold scaling)强反型（ON 态）IDS 可以 scaling：DSDSII(CE scaling)DSDSII2(Generaliz

28、ed scaling)弱反型（OFF 态）IDSst 不能 scaling.4.3 MOSFET的按比例缩小规律164.3.2 MOSFET 的 scaling 规则4.亚阈值 scaling (Subthreshold scaling)Subthreshold Scaling 用亚阈特性（不变坏）作为准则来 scaling 器件长沟道 MOSFET：IDSst 基本上与 VDS 无关；短沟道 MOSFET：IDSst 与 VDS 有关.经验准则 当 VDS 增加 0.5 V，IDSst 的增加 10%：短沟道经验公式：3/1 2minDSoxjWWtxALmm0.4 1/3m长沟道短沟道4.

29、3 MOSFET的按比例缩小规律174.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）1.xjxj RS,RD gD(线性),gm(饱和)对策：自对准金属硅化物技术 Salicide（Self-aligned silicide）4.3 MOSFET的按比例缩小规律184.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）2.toxFowler-Nordheim 隧穿电流：oxoxEBAEJexp2要求：Jg Jpn例如，Jgmax=1010 A/cm2，则 Eoxmax=5.8 MV/cmmaxmin2oxBFBGSoxEVVVt 几十 4.3 MOSFET的按比例缩小规律194.3.3 Scal

30、ing 的限制及对策（新结构）2.toxHigh-k Gate DielectricHigh-k dielectrics provide higher capacitance and reduced leakageEOT(Effective Oxide Thickness)k-highk-highSiO2tEOT4.3 MOSFET的按比例缩小规律204.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）3.WS,WD(1)Nch 和 VT 的 scalingWS,WD NA oxBBFBTCQVVV2VT 或至少不上升 NA VT Scaling 困难解决方法 Non-uniform dopin

31、g(Retrograded well doping)NAxNchNsubdchxNchdchExdmaxoxBsFBTCQVVV强反型定义：Vs=2VB,ch2/1ln221ln2subichssuboxichFBTqNnNqkTqNCnNqkTVV4.3 MOSFET的按比例缩小规律214.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）3.WS,WD(2)Eymax漏结击穿 0.6 MV/cm漏端热载流子效应要求 Eymax 0.2 MV/cmScaling 措施：LDD4.3 MOSFET的按比例缩小规律224.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）4.现状和未来45 nm HK+

32、MGSiGe S/D(Strained Si)High-K layerMetal gateCopper/Low-KM8 810nmM7 560nmM6 360nm M5 280nmM4 240nmM3 160nmM2 160nmM1 160nmLow-kCuLayer Pitch4.3 MOSFET的按比例缩小规律234.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）4.现状和未来Planar CMOS Transistor ScalingDST(Depleted Substrate Transistor)4.3 MOSFET的按比例缩小规律244.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构

33、）4.现状和未来SOI MOSFETDST(Depleted Substrate Transistor)Fully Depleted(FD-)SOI MOSFETLg=65 nm75 mV/dec95 mV/dec4.3 MOSFET的按比例缩小规律254.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）4.现状和未来Non-Planar CMOS TransistorsDouble Gate FinFETTri-Gate Transistor4.3 MOSFET的按比例缩小规律264.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）4.现状和未来The Ideal MOS Transistor4.3 MOSFET的按比例缩小规律224.3.3 Scaling 的限制及对策（新结构）4.现状和未来晶体管尺寸持续快速缩小ItIts the end of this s the end of this course,course,butbut not the end of not the end of semiconductor devices.semiconductor devices.