第8章 MOS場效應(yīng)器件性能與設(shè)計(1)

1、半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)Chapter 8. CMOS 器件設(shè)計與性能參數(shù)一、 CMOS 器件設(shè)計1.1 MOSFET的等比例縮小 光刻技術(shù)：短溝道導(dǎo)致密度速度和功率的改進(jìn)離子注入：淺或陡峭的摻雜界面或低摻雜濃度的實現(xiàn)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（1）恒定場的等比例縮小 當(dāng)減小橫向尺寸時，等比例縮小器件的徑向尺寸，并等比例減小外加電壓，增加襯底的摻雜濃度，以使短溝道效應(yīng)得到控制。恒場等比例縮小的基本原則： 將器件工作電壓和器件尺寸包括(橫向和縱向)縮小相同的比例，以保證電場保持不變。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)泊松方程的不變：等比例增加摻雜濃度最大耗盡層寬度：等比例縮小所有電容：等比例

2、縮?。ㄕ扔诿娣e而反比于厚度）反型層電荷：保持不變速度飽和效應(yīng)：保持不變（電場不變）addbisiDqNVW)(2恒場等比例縮小規(guī)則：恒場等比例縮小規(guī)則：SiaSiyxqNyExE半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)漂移電流： 等比例縮小（單位MOSFET寬度漂移電流不變）單位MOSFET寬度擴(kuò)散電流：等比例增加EQvQWIiidrift)(kdxdQdxdQqkTdxdQDWIiinindiffu等比例縮小對電路參數(shù)的影響等比例縮小對電路參數(shù)的影響 電路延遲等比例縮?。ㄕ扔赗C 或CV/I，假設(shè)溝道電阻保持不變，而寄生電阻可以忽略或保持不變）半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)恒場等比例縮小的最重要結(jié)論： 當(dāng)器件尺寸

3、和工作電壓等比例縮小時，電路速度等比例增加，而單個器件的功耗減小k2倍。閾值電壓閾值電壓：一般認(rèn)為閾值電壓應(yīng)等比例縮小（因工作電壓降低）但對硅工藝，材料的相關(guān)參數(shù)并不變化，因此Vt一般并不縮小。可通過襯底正偏或溝道區(qū)非均勻摻雜來調(diào)制閾值電壓。oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(2)常用的等比例縮?。河捎趤嗛撝堤匦缘姆潜壤兓约叭藗儾辉钙x上一代的標(biāo)準(zhǔn)電壓的考慮，工作電壓一般并不等比例的縮小。更通用的是讓電場在橫向與縱向保持相同倍數(shù)的增加以保持原有的電場形狀，因此2D效應(yīng)，如短溝道效應(yīng)在等比例縮小時不致加劇。高場會導(dǎo)致對器件穩(wěn)定性的憂慮。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)

4、通用的等比例縮小規(guī)則：通用的等比例縮小規(guī)則：) 1(;1kSizekSizeEE半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)泊松方程的不變：增加摻雜濃度，避免短溝道效應(yīng)增強(qiáng)aasiaNkNqNkykkk)()/()/()/()/(2222速度飽和效應(yīng)：對長溝道器件，載流子速度遠(yuǎn)離飽和，增加因子 漂移電流正比于Wqiv，增加因子： 2/k對短溝道器件，載流子速度已飽和，不再變化 漂移電流正比于Wqiv，增加因子： /k半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué) 電路延遲等比例縮小，比例因子：k 和k（依賴于飽和度） 單個器件的功耗增加2到3泊松方程：對耗盡層而不變，而對反型層可移動電荷則不成立。它是表面勢的指數(shù)函數(shù)

5、，而表面勢并不隨物理尺寸或電壓線性變化。同時并不是所有的邊界條件相應(yīng)地等比例的變化。（源結(jié)的能帶彎曲由并不隨電壓等比例變化的內(nèi)建勢給出。）半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)特例：恒定電壓的等比例縮小特例：恒定電壓的等比例縮小電場的形狀僅當(dāng)=k才保持恒定電壓的等比例縮小。電場增加k，摻雜濃度增加k2，)()(2kqNVWaddbisiDdmmWLdsbibiteVmV2/)() 1( 8不變oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)反型層電荷密度與電子濃度有關(guān)（k2）：反型層厚度（Qi/qn(0)）與LD= 均減小k倍。功率密度增加k3（k2），導(dǎo)致熱電子和氧化層的可靠性問題。實際

6、的CMOS的技術(shù)演變是恒電壓與恒電場的某種混合。aSiNqKT2)0(2kTnQsii半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)(3) 非等比例縮小效應(yīng)：主要的非等比例因數(shù)：主要的非等比例因數(shù)：熱電壓kT/q和硅的帶隙并不改變。前者導(dǎo)致亞閾值的非等比例變化，使閾值電壓不能如其它參數(shù)一樣等比例縮小。mkTqVoxeffdddsgdsteqkTmLWCVVVI/2)(1(), 0( 因電流與閾值電壓成指數(shù)關(guān)系，這使閾值電壓不可能等比例縮小，否則電流會大幅度增加。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)即使閾值電壓保持不變，其關(guān)斷電流也將隨物理尺寸的縮小而增加k倍（Cox），限制了閾值電壓的變化范圍.電路延遲隨Vt/Vdd快速增加，限制

7、器件工作電壓最低值。kT/q導(dǎo)致反型層厚度，反型層電荷密度以及相應(yīng)電流的非等比例變化。Eg導(dǎo)致內(nèi)建勢, 耗盡層寬度和短溝道效應(yīng)非等比例縮小。 內(nèi)建勢和最大表面勢并不隨器件的縮小而顯著的變化，而耗盡層寬度也不如其它線性尺度變化大。這將加劇短溝道效應(yīng)。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)要補(bǔ)償這一效應(yīng)，摻雜濃度必須大于等比例縮小效應(yīng)的要求值。次要的非等比例因數(shù)：次要的非等比例因數(shù)：（1）遷移率隨等比例縮小而下降（電場增加），使電流和電路延遲的改進(jìn)較預(yù)計的小。 高場或高壓改進(jìn)器件性能（電流增益和延遲）的作用將減弱。（2）穩(wěn)定性與功率：功率密度增加2到3，穩(wěn)定性問題來源于高氧化電場，高溝道效應(yīng)和更高的電流密度。半導(dǎo)

8、體器件原理南京大學(xué)導(dǎo)致電遷移的加劇和柵氧化層更趨于擊穿，影響氧化層的完整性。為克服增加的氧化層電場，氧化層厚度的減小要小于器件尺寸的變化。溝道摻雜濃度必須大于等比例縮小的量，以控制住短溝道效應(yīng)。 最大的耗盡層寬度必須比柵氧化層厚度減小更多。這又會因引起另外一個非等比例效應(yīng)，包括亞閾值斜率 和襯底的靈敏度 dVt/dVbs=m-1。dmoxWt31 半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)其它非等比例因素：其它非等比例因素：（1）柵和源漏的摻雜濃度，如果非適當(dāng)?shù)牡缺壤黾?，將?dǎo)致柵耗盡和源漏串聯(lián)電阻的問題。（2）工藝過程的容許偏差：VLSI技術(shù)的發(fā)展要保證工藝過程的容許偏差在溝道長度，氧化層厚度，閾值電壓等參數(shù)的

9、一定百分比以內(nèi)。)3(2/)(24oxdmtWLdsbibidmoxteVWtV半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)1.2 閾值電壓1) 閾值電壓的要求各種閾值電壓的定義各種閾值電壓的定義： s（inv）=2 B，非常廣泛并易被結(jié)合進(jìn)分析求解中，不能直接從CV測量中獲得。線性外推閾值電壓Von，易測量但由于反型層電容效應(yīng)，使之大于2 B的閾值電壓3kT/q大小。由亞閾值電流決定，對一給定的恒定電流I0（如50nA/）)/()(0LWIVVIsubtgds它能從硬件數(shù)據(jù)中獲得特別適合于大批量器件的自動測量。并且能直接計算出關(guān)斷電流。但在短溝道器件中存在問題，因為難以知道準(zhǔn)確的溝道長度。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)關(guān)

10、斷電流要求和最低閾值電壓關(guān)斷電流要求和最低閾值電壓低的閾值電壓和高的電流器件，開關(guān)速度快。但低的閾值電壓又要受到關(guān)斷電流的限制。必須考慮工藝的容許偏差，工作溫度以及偏壓條件的最差情況：即零偏電壓和最高工作溫度，如1000C。對給定的Ioff/W，Vtmin隨尺寸縮小而增加，與電源電壓的相應(yīng)變化趨勢相反。器件設(shè)計因此需要在關(guān)斷電流與性能之間取得平衡。2maxmaxmin)(1()()(ln(qkTmLWCVVIIVVIqmkTVoxefftgdsofftgdst半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)閾值電壓的容許偏差：閾值電壓的容許偏差：)%10(50)()2/(2 . 0)() 1(8)(7555.)()()

11、(.)()23(min2/22min0minttdmmWLdsbibitttttttVofmVprocessVmWLVeVmSCEVmVtempVprocessVSCEVtempVVCVdm m取1.3 Lmin/mWdm 過小會加劇SCE；過大則增加結(jié)電容或增大氧化層電場。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué) 閾值電壓的優(yōu)化閾值電壓的優(yōu)化閾值電壓和關(guān)斷電流難以取得平衡(Vt/Ids)閾值電壓與電源電壓及器件性能之間的矛盾（Vt/Vdd)閾值電壓與耗盡層厚度及體效應(yīng)系數(shù)之間的矛盾(Vt/Wdm/m)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)2) 非均勻摻雜 閾值電壓和關(guān)斷電流一般難以取得平衡，但非均勻溝道

12、摻雜使器件的設(shè)計增加了一個自由度，從而滿足兩方面要求:高低臺階摻雜高低臺階摻雜22222)(2)(22ssiasssisdsdsiassissNNqqNWorWqNqNmkTqVoxeffdddsgdsteqkTmLWCVVVI/2)(1(), 0(dWsisdxxxNq0)(半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)非均勻的表面摻雜通過高摻雜層的耗盡層電荷，從而減小耗盡層的厚度。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué))2)(2(2)()2)(2(21)()2)(21)(2022ssiasBsisdmoxsassisasBasioxsfbtoxsassisassasioxsfboxsdasssfboxssfbgNNqqNWCxN

13、NqNNqqNCVVCxNNqNNqqNCVCWqNqNVCQVV)()(sdassssissdsiassissWqNqNEQWqNqNE半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)耗盡層電容，亞閾值斜率，體效應(yīng)系數(shù)等與Wdm有關(guān)的表達(dá)式保持不變。1/1)2)(2 (221)2(002/ 12mCWdVdVCWNNqCqNddVmoxdmSibstoxdmSissiasBoxasiBssg半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)oxssiBfbtCEVVdxdE2圖形解釋圖形解釋l均勻摻雜均勻摻雜半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué))2)(2 (2)()2)(2 (21202ssiasBssidmoxsassisasBasioxsfbtNNqqN

14、WCxNNqNNqqNCVVl 非均勻摻雜非均勻摻雜: 如xs趨于表面，同時NS較大，可以增加Vt而幾乎不改變W0dm半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)l高斯分布高斯分布分布：注入劑量DI=（Ns-Na）xs，并以xc=xs/2為中心因為E(X)下的面積以及與Y軸的截距均不變。)22(2)2(212)2)(exp(2)(022sicIBasidmoxIsicIBasioxBfbtcIxqDqNWCqDqDqNCVVxxDxNDI=（Ns-Na）xs高斯分布：半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)對給定劑量的DI，閾值電壓的大小依賴于注入的位置xc。淺表面注入，xc=0，耗盡層寬

15、度沒有變化，閾值電壓的變化為QDI/COX。類似于硅氧化層的一層界面電荷。襯底靈敏度與亞閾值斜率不變。當(dāng)xc增加時，最大耗盡層寬度和閾值電壓的偏移均減小。但通過選擇低的背景摻雜濃度使Wdm恢復(fù)。以上討論對NsNa的情形同樣成立。（即倒退的溝道摻雜）半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)3) 溝道剖面設(shè)計半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（1）CMOS設(shè)計的考慮工藝限制與系統(tǒng)兼容的要求，需要對電路參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化對一給定的技術(shù)水平，并沒有唯一的設(shè)計方法，而是給出器件參數(shù)選擇的總體思路。為控制短溝道效應(yīng)，最大耗盡層寬度Wdm： Lmin/mWdm2亞閾值斜率2.3mkT/q及襯底靈敏度dVt/dVbs=m-1隨m增大而變差，并導(dǎo)

16、致低的飽和電流。m1.5氧化層電場Emax決定最小的氧化層厚度tox半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（2）電源電壓與閾值電壓的趨勢閾值電壓低限由關(guān)斷電流決定： Vt 0.4V，高限由電路延遲或性能決定：VtVdd/4如Vdd較大， 0.4V VtVdd/4，閾值電壓容易選擇當(dāng)短溝道尺寸變小電源電壓減小時，就需要在漏電流和器件速度之間選擇。導(dǎo)致Vdd并不隨L成比例縮小，而Vt也不隨Vdd等比例減小。高的Vdd/L使設(shè)計空間急劇變小。當(dāng)Vdd小于2V時，漏電流與器件延遲之間的平衡就非常必要。半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)LVmmtVEmWtLmmtLtWddoxddoxdmoxoxoxdm181/3815 . 2/3半導(dǎo)體器件原理南京大學(xué)（3）柵功函數(shù)的作用oxdBfbtCQVV2l對閾值電壓有較大的影響，對溝道的分布有主要的作用。l非均勻的高低結(jié)的溝道摻雜可以增加Qd和閾值電壓，而不顯著的改變柵的耗盡層寬度。同時導(dǎo)致表面電場的增加，減低了溝道遷移率。l功函數(shù)處于禁帶中央的柵可用來調(diào)節(jié)閾值電壓。