半导体器件物理 教学课件 作者 顾晓清 王广发 十.ppt

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1、第10章10.1非均匀掺杂对阈值电压的影响10.2MOSFET的小尺寸效应10.3习题●——本章重点非均匀掺杂对阈值电压的影响MOSFET的小尺寸效应——短沟道效应、窄沟道效应、按比例缩小规则和热电子效应自从半导体集成电路诞生以来，一直按摩尔定律飞速发展。每个芯片集成的半导体器件的数目已从几十个增加到几十万个甚至上兆个。随着半导体工艺技术的发展和集成电路设计工具的强大，集成密度还在不断的提高。在提高集成度的过程中，减小每个器件所占的面积，减小器件尺寸是最为重要的一项措施。在过去的几十年内，MOSFET的沟道长度缩小了3个数量级。目前，半导体集成电路中器件

2、的最小尺寸已缩小到第4个数量级，即纳米级。对于MOSFET来说，随着沟道长度的缩短，出现了一些偏离长沟道器件的性质。MOS器件在尺寸缩小时所出现的一些性能变化会对器件和电路的设计带来重大的影响。因此，有必要搞清楚小尺寸器件的特点，小尺寸器件一些附加效应的产生机理，以及其参数随尺寸变化的规律。10.1非均匀掺杂对阈值电压的影响阶梯函数分布近似高斯分布近似在前面章节中，为了数学处理的方便，通常假定MOS晶体管沟道区的掺杂浓度是均匀的。但是，在实际器件中，对于多数结构，由于扩散掺杂工艺、离子注入工艺以及高温热处理工艺过程中杂质的再分布，导致了杂质分布是不均匀的。因

3、此，我们有必要分析非均匀掺杂对器件所造成的影响。10.2MOSFET的小尺寸效应短沟道效应当MOS晶体管的沟道长度小到可以和漏源结深相比拟时，由于在沟道区出现了二维的电势分布及高电场，导致出现一些不同于长沟道MOS管特性的现象。长沟道器件短沟道器件，上述关系偏离直线，沟道越短，偏离越大，MOSFET是否具有短沟道效应并不完全取决于沟道的绝对长度，还与衬底杂质浓度，氧化层厚度，漏源结深等有关。一般认为，栅氧化层厚度在100Å至1000Å之间，衬底杂质浓度在1014cm-3到1017cm-3之间，漏源结深在0.85m到1.5m之间时，长沟道模型适应的极限沟道

4、长度为：xj为结深，xs和xd分别是源和漏的耗尽层厚度，Xox为氧化层厚度。除Xox的单位是0.1nm外，其余单位是m。窄沟道效应随着沟道宽度的减小，阈值电压VT将增大。W减小时，使VT增加的效应是由场氧化层下面储存的电荷所引起的。当W减小时，栅下面沟道耗尽区的电荷减小。但实际的耗尽层边界延伸进入厚氧化层下面的区域，故厚氧化层下面的额外电荷必须包括在VT的计算之内。热电子效应在强电场作用下，电子在两次碰撞之间会加速到比热运动速度高许多倍的速度，由于动能很大而称为热电子，从而引起“热电子效应”。首先，电子在强电场作用下，漂移速度不再与电场成线性关系。当电场达

5、到约3×104V/cm时，电子速度趋于饱和。当栅极电压高于漏极电压时，由于垂直于沟道方向电场的作用，热电子会向栅氧化层注入，从而导致器件性能变差。热电子注入氧化层的条件是其动能高于硅-二氧化硅的势垒高度。越过二氧化硅-硅界面的热电子，一部分穿过栅介质成为栅极电流，另一部分积累在栅氧化层中，形成受主型的界面态。这些界面态会进一步吸引表面电子，同时消耗表面可动载流子，使电子的表面迁移率下降，造成阈值电压的漂移以及跨导的下降。热电子效应主要有以下几类（1）当沟道电场足够强时，反型层中的一些电子有可能获得足以克服Si-SiO2界面势垒的能量，注入到栅氧化层中。沟道漏

6、端的电场最强，注入主要发生在该区域。（2）在漏区附近的耗尽区内，电场很强，由碰撞电离产生的电子空穴对中，具有克服Si-SiO2界面势垒能量的电子也可能注入栅氧化层。（3）衬底热激发产生的电子，在纵向电场的作用下，也有可能获得足够高的能量，克服Si-SiO2势垒，注入栅氧化层。热电子效应使MOSFET的阈电压增大，跨导降低。练习P157