第8章 MOS场效应器件性能与设计(1)

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1、半导体器件原理南京大学Chapter 8. CMOS 器件设计与性能参数一、 CMOS 器件设计1.1 MOSFET的等比例缩小 光刻技术：短沟道导致密度速度和功率的改进离子注入：浅或陡峭的掺杂界面或低掺杂浓度的实现半导体器件原理南京大学（1）恒定场的等比例缩小 当减小横向尺寸时，等比例缩小器件的径向尺寸，并等比例减小外加电压，增加衬底的掺杂浓度，以使短沟道效应得到控制。恒场等比例缩小的基本原则： 将器件工作电压和器件尺寸包括(横向和纵向)缩小相同的比例，以保证电场保持不变。半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学泊松方程的不变：等比例增加掺杂浓度最大耗尽层宽度：等比例缩小所有电容：等比例

2、缩小（正比于面积而反比于厚度）反型层电荷：保持不变速度饱和效应：保持不变（电场不变）addbisiDqNVW)(2恒场等比例缩小规则：恒场等比例缩小规则：SiaSiyxqNyExE半导体器件原理南京大学漂移电流： 等比例缩小（单位MOSFET宽度漂移电流不变）单位MOSFET宽度扩散电流：等比例增加EQvQWIiidrift)(kdxdQdxdQqkTdxdQDWIiinindiffu等比例缩小对电路参数的影响等比例缩小对电路参数的影响 电路延迟等比例缩小（正比于RC 或CV/I，假设沟道电阻保持不变，而寄生电阻可以忽略或保持不变）半导体器件原理南京大学恒场等比例缩小的最重要结论： 当器件尺寸

3、和工作电压等比例缩小时，电路速度等比例增加，而单个器件的功耗减小k2倍。阈值电压阈值电压：一般认为阈值电压应等比例缩小（因工作电压降低）但对硅工艺，材料的相关参数并不变化，因此Vt一般并不缩小。可通过衬底正偏或沟道区非均匀掺杂来调制阈值电压。oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半导体器件原理南京大学(2)常用的等比例缩小：由于亚阈值特性的非比例变化以及人们不愿偏离上一代的标准电压的考虑，工作电压一般并不等比例的缩小。更通用的是让电场在横向与纵向保持相同倍数的增加以保持原有的电场形状，因此2D效应，如短沟道效应在等比例缩小时不致加剧。高场会导致对器件稳定性的忧虑。半导体器件原理南京大学

4、通用的等比例缩小规则：通用的等比例缩小规则：) 1(;1kSizekSizeEE半导体器件原理南京大学半导体器件原理南京大学泊松方程的不变：增加掺杂浓度，避免短沟道效应增强aasiaNkNqNkykkk)()/()/()/()/(2222速度饱和效应：对长沟道器件，载流子速度远离饱和，增加因子 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： 2/k对短沟道器件，载流子速度已饱和，不再变化 漂移电流正比于Wqiv，增加因子： /k半导体器件原理南京大学 电路延迟等比例缩小，比例因子：k 和k（依赖于饱和度） 单个器件的功耗增加2到3泊松方程：对耗尽层而不变，而对反型层可移动电荷则不成立。它是表面势的指数函数

5、，而表面势并不随物理尺寸或电压线性变化。同时并不是所有的边界条件相应地等比例的变化。（源结的能带弯曲由并不随电压等比例变化的内建势给出。）半导体器件原理南京大学特例：恒定电压的等比例缩小特例：恒定电压的等比例缩小电场的形状仅当=k才保持恒定电压的等比例缩小。电场增加k，掺杂浓度增加k2，)()(2kqNVWaddbisiDdmmWLdsbibiteVmV2/)() 1( 8不变oxbsBasiBfbtCVqNVV)2(22半导体器件原理南京大学反型层电荷密度与电子浓度有关（k2）：反型层厚度（Qi/qn(0)）与LD= 均减小k倍。功率密度增加k3（k2），导致热电子和氧化层的可靠性问题。实际

6、的CMOS的技术演变是恒电压与恒电场的某种混合。aSiNqKT2)0(2kTnQsii半导体器件原理南京大学(3) 非等比例缩小效应：主要的非等比例因数：主要的非等比例因数：热电压kT/q和硅的带隙并不改变。前者导致亚阈值的非等比例变化，使阈值电压不能如其它参数一样等比例缩小。mkTqVoxeffdddsgdsteqkTmLWCVVVI/2)(1(), 0( 因电流与阈值电压成指数关系，这使阈值电压不可能等比例缩小，否则电流会大幅度增加。半导体器件原理南京大学即使阈值电压保持不变，其关断电流也将随物理尺寸的缩小而增加k倍（Cox），限制了阈值电压的变化范围.电路延迟随Vt/Vdd快速增加，限制

7、器件工作电压最低值。kT/q导致反型层厚度，反型层电荷密度以及相应电流的非等比例变化。Eg导致内建势, 耗尽层宽度和短沟道效应非等比例缩小。 内建势和最大表面势并不随器件的缩小而显著的变化，而耗尽层宽度也不如其它线性尺度变化大。这将加剧短沟道效应。半导体器件原理南京大学要补偿这一效应，掺杂浓度必须大于等比例缩小效应的要求值。次要的非等比例因数：次要的非等比例因数：（1）迁移率随等比例缩小而下降（电场增加），使电流和电路延迟的改进较预计的小。 高场或高压改进器件性能（电流增益和延迟）的作用将减弱。（2）稳定性与功率：功率密度增加2到3，稳定性问题来源于高氧化电场，高沟道效应和更高的电流密度。半导

8、体器件原理南京大学导致电迁移的加剧和栅氧化层更趋于击穿，影响氧化层的完整性。为克服增加的氧化层电场，氧化层厚度的减小要小于器件尺寸的变化。沟道掺杂浓度必须大于等比例缩小的量，以控制住短沟道效应。 最大的耗尽层宽度必须比栅氧化层厚度减小更多。这又会因引起另外一个非等比例效应，包括亚阈值斜率 和衬底的灵敏度 dVt/dVbs=m-1。dmoxWt31 半导体器件原理南京大学其它非等比例因素：其它非等比例因素：（1）栅和源漏的掺杂浓度，如果非适当的等比例增加，将导致栅耗尽和源漏串联电阻的问题。（2）工艺过程的容许偏差：VLSI技术的发展要保证工艺过程的容许偏差在沟道长度，氧化层厚度，阈值电压等参数的