場(chǎng)效應(yīng)器件物理2_MOSFET進(jìn)階2012copy

1、2022-5-9第第2 2章章 MOSFETMOSFET進(jìn)階進(jìn)階場(chǎng)效應(yīng)器件物理場(chǎng)效應(yīng)器件物理2022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容nMOSFET亞閾特性亞閾特性n溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)n遷移率變化遷移率變化n速度飽和速度飽和n彈道運(yùn)輸彈道運(yùn)輸2022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 亞閾值電流亞閾值電流: 定義定義亞閾值電流亞閾值電流TGVV 區(qū)半導(dǎo)體表面處于弱反型fpsfp22022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 亞閾值電流亞閾值電流: 比較比較n溝道溝道MOSFET堆積狀態(tài)：勢(shì)壘很高堆積狀態(tài)：勢(shì)壘很高電子無(wú)法電子無(wú)法躍過(guò)躍過(guò)無(wú)法形成表面電流無(wú)法形

2、成表面電流弱反型狀態(tài)：勢(shì)壘較低弱反型狀態(tài)：勢(shì)壘較低電子有一電子有一定的幾率越過(guò)勢(shì)壘定的幾率越過(guò)勢(shì)壘形成亞閾值電形成亞閾值電流流強(qiáng)反型狀態(tài)：勢(shì)壘極低強(qiáng)反型狀態(tài)：勢(shì)壘極低大量大量電子電子越過(guò)勢(shì)壘越過(guò)勢(shì)壘形成溝道電流形成溝道電流2022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 亞閾值電流亞閾值電流: 電壓特性電壓特性無(wú)關(guān)即與，略大時(shí)，如漏源電壓DS（sub)DDSDSVITkTeVVK300,V104.0/4改變一個(gè)數(shù)量級(jí)），改變（當(dāng)與柵源電壓成指數(shù)關(guān)系（sub)DS（sub)DIVImV60G，處于線性區(qū)若TGSDSDSDSTGSoxnDVVVVVVVLCWI)(，處于飽和區(qū)若無(wú)關(guān)與TGSDSDSTG

3、SoxnsatDVVVVVVLCWI2)()(22022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 亞閾值電流亞閾值電流: 電壓特性電壓特性n亞閾值擺幅亞閾值擺幅S：漏電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需的柵壓變化量，漏電流減小一個(gè)數(shù)量級(jí)所需的柵壓變化量，半對(duì)數(shù)亞閾特性曲線斜率的倒數(shù)。半對(duì)數(shù)亞閾特性曲線斜率的倒數(shù)。n S=dVGS/d(lgIDsub)n量化量化MOS管如何隨柵壓快速關(guān)斷的參數(shù)。管如何隨柵壓快速關(guān)斷的參數(shù)。n小好？大好？小好？大好？n 越小越好，越小越好， 說(shuō)明說(shuō)明VGS降低能快速關(guān)斷器件。降低能快速關(guān)斷器件。 2022-5-92.1 非理想效應(yīng)非理想效應(yīng) 亞閾值電流亞閾值電流:對(duì)器件的影響對(duì)器件

4、的影響n開(kāi)關(guān)特性變差開(kāi)關(guān)特性變差： 由于存在亞閾電流，由于存在亞閾電流，VGS略低于略低于VT時(shí)，器件無(wú)法正常關(guān)閉。時(shí)，器件無(wú)法正常關(guān)閉。n靜態(tài)功耗增加：靜態(tài)功耗增加： CMOS電路，總有電路，總有MOS管處于截止態(tài)，若管處于截止態(tài)，若VGS只是稍低于只是稍低于VT，理論器件截止，靜態(tài)功耗為，理論器件截止，靜態(tài)功耗為0.但亞閾電流存在，靜態(tài)但亞閾電流存在，靜態(tài)功耗增加大。功耗增加大。 想使器件很好關(guān)斷，靜態(tài)功耗小，想使器件很好關(guān)斷，靜態(tài)功耗小，VGS0.1m，大于散射平均自由程，大于散射平均自由程n載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需經(jīng)過(guò)多次散射載流子從源到漏運(yùn)動(dòng)需經(jīng)過(guò)多次散射n載流子運(yùn)動(dòng)速度用平均漂移速度表

5、征載流子運(yùn)動(dòng)速度用平均漂移速度表征n彈道輸運(yùn)彈道輸運(yùn)MOSFETn溝道長(zhǎng)度溝道長(zhǎng)度L臨界電場(chǎng)強(qiáng)度臨界電場(chǎng)強(qiáng)度EB(0.51)x107V/cm時(shí)，氧化層發(fā)生介電擊穿時(shí)，氧化層發(fā)生介電擊穿n若若EB6x106V/cm，當(dāng)氧化層厚度當(dāng)氧化層厚度50nm時(shí)，時(shí)，BVGS=30V，（安全，（安全余量為余量為3,）則要求工作電壓）則要求工作電壓VGS10Vn擊穿過(guò)程擊穿過(guò)程n針孔針孔凹坑凹坑空洞空洞崩塌崩塌n電流電流I溫度溫度T電流電流I，形成熱電正反饋，形成熱電正反饋n擊穿場(chǎng)強(qiáng)的來(lái)源擊穿場(chǎng)強(qiáng)的來(lái)源n柵壓柵壓VGS：EoxVGS/toxn柵感應(yīng)電荷柵感應(yīng)電荷QI：EoxQI/toxCox2022-5-92

6、.4 擊穿特性擊穿特性 柵柵- -源介質(zhì)擊穿源介質(zhì)擊穿( (靜靜電電) )ESD（Electrostatic Discharge）靜電放電：）靜電放電：靜電經(jīng)過(guò)器件引線泄放到地，使器件受到損傷。靜電經(jīng)過(guò)器件引線泄放到地，使器件受到損傷。靜電（靜電（Electrostatic）產(chǎn)生：）產(chǎn)生：MOSFET柵氧化層阻抗高，感應(yīng)在柵極上的靜電電荷無(wú)泄放通路。柵氧化層阻抗高，感應(yīng)在柵極上的靜電電荷無(wú)泄放通路。積累之后，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，造成柵的擊穿，形成靜電泄放通路。積累之后，產(chǎn)生強(qiáng)電場(chǎng)，造成柵的擊穿，形成靜電泄放通路。MOSFET為靜電敏感器件為靜電敏感器件:IC輸入管腳，多連接器件柵極。輸入管腳，多連接器

7、件柵極。器件的設(shè)計(jì)和使用需做好器件的設(shè)計(jì)和使用需做好ESD防護(hù)，避免器件擊穿。防護(hù)，避免器件擊穿。2022-5-92.4 擊穿特性擊穿特性 漏漏pn結(jié)擊穿結(jié)擊穿VGS=0：對(duì)漏：對(duì)漏pn結(jié)空間電荷區(qū)的形結(jié)空間電荷區(qū)的形狀基本無(wú)影響狀基本無(wú)影響VGS0時(shí)，器件導(dǎo)通，軟擊穿，來(lái)源于溝道區(qū)載流子的雪崩時(shí)，器件導(dǎo)通，軟擊穿，來(lái)源于溝道區(qū)載流子的雪崩倍增，倍增產(chǎn)生的電子被倍增，倍增產(chǎn)生的電子被D收集，空穴注入襯底。收集，空穴注入襯底。 VGS-VTEDG=BVDS。2022-5-92.4 擊穿特性擊穿特性 寄生晶體管效應(yīng)寄生晶體管效應(yīng)溝道）道，）溝道雪崩倍增（短溝（；）（形成條件：n201subR雪崩倍

8、增注入溝道的電子數(shù)從結(jié)的正向電壓）管發(fā)射加在寄生雪崩倍增DsubsubsubsubISRIVInpn(所致）不是因（這種出現(xiàn)負(fù)阻效應(yīng)所需的維持大電流DSDSVIVIDD2022-5-92.4 擊穿特性擊穿特性 源漏穿通效應(yīng)源漏穿通效應(yīng)n定義：漏襯和源襯空間電荷區(qū)交接，定義：漏襯和源襯空間電荷區(qū)交接，源襯源襯勢(shì)壘降低了，漏電流增大，勢(shì)壘降低了，漏電流增大，稱為稱為源漏穿通源漏穿通。n物理過(guò)程：物理過(guò)程：n特點(diǎn)：特點(diǎn)： VDS增，穿通效應(yīng)增強(qiáng)；短溝器件更容易發(fā)生。增，穿通效應(yīng)增強(qiáng)；短溝器件更容易發(fā)生。 器件柵控能力降低，無(wú)法關(guān)斷，器件柵控能力降低，無(wú)法關(guān)斷，VGSVT，溝道存在，同時(shí)溝道下方，溝道

9、存在，同時(shí)溝道下方的耗盡層也可發(fā)生穿通的耗盡層也可發(fā)生穿通2022-5-9n短溝道器件穿通特性曲線短溝道器件穿通特性曲線DSAPTVLNV2qV相連耗盡 層漏2DS時(shí)的和源襯耗盡層襯穿通電壓：2.4 擊穿特性擊穿特性 源漏穿通效應(yīng)源漏穿通效應(yīng)2022-5-9n各種擊穿的物理過(guò)程和相關(guān)影響因素各種擊穿的物理過(guò)程和相關(guān)影響因素n避免或延緩各種擊穿發(fā)生的有效措施避免或延緩各種擊穿發(fā)生的有效措施n雪崩倍增效應(yīng)與漏襯雪崩倍增效應(yīng)與漏襯pn結(jié)擊穿、溝道雪崩擊穿和結(jié)擊穿、溝道雪崩擊穿和寄生晶體管擊穿的關(guān)系寄生晶體管擊穿的關(guān)系n源漏穿通效應(yīng)對(duì)源漏穿通效應(yīng)對(duì)I-V特性和亞閾特性的影響特性和亞閾特性的影響2.4

10、擊穿特性擊穿特性 需掌握內(nèi)容需掌握內(nèi)容2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容 運(yùn)行在空間的各類人造衛(wèi)星、航天器會(huì)受到地球帶電粒運(yùn)行在空間的各類人造衛(wèi)星、航天器會(huì)受到地球帶電粒子、太陽(yáng)宇宙射線等各種輻射子、太陽(yáng)宇宙射線等各種輻射, 并造成不同程度的損傷。另并造成不同程度的損傷。另外外, 除天然輻射環(huán)境外除天然輻射環(huán)境外, 核武器爆炸也會(huì)對(duì)各種電子系統(tǒng)及核武器爆炸也會(huì)對(duì)各種電子系統(tǒng)及元器件構(gòu)成嚴(yán)重威脅。元器件構(gòu)成嚴(yán)重威脅。n輻射環(huán)境：空間輻射；核輻射輻射環(huán)境：空間輻射；核輻射n輻射效應(yīng)：位移效應(yīng)；電離效應(yīng)輻射效應(yīng)：位移效應(yīng)；電離效應(yīng)nMOSFET的電離輻射效應(yīng)：的電離輻

11、射效應(yīng)： 輻照產(chǎn)生的氧化層電荷輻照產(chǎn)生的氧化層電荷 輻照產(chǎn)生的界面態(tài)輻照產(chǎn)生的界面態(tài)氧化層正電荷。氧化層正電荷。2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射環(huán)境輻射環(huán)境: :空間輻射空間輻射 宇宙射線，來(lái)自銀河系和宇宙射線，來(lái)自銀河系和太陽(yáng)系的某些星球太陽(yáng)系的某些星球n內(nèi)輻射帶內(nèi)輻射帶：距地面：距地面6006000km，高能質(zhì)子（，高能質(zhì)子（100MeV，影響中低軌道，影響中低軌道衛(wèi)星）衛(wèi)星）n外輻射帶外輻射帶：距地心：距地心2.萬(wàn)萬(wàn)km，高能電子，高能電子（20keV1.6MeV)，影，影響高軌道衛(wèi)星響高軌道衛(wèi)星n累計(jì)效應(yīng)為主累計(jì)效應(yīng)為主：總劑量，：總劑量，rad(Si)2022-

12、5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射環(huán)境輻射環(huán)境: :核輻射核輻射 核爆炸環(huán)境和核動(dòng)力環(huán)境核爆炸環(huán)境和核動(dòng)力環(huán)境n快中子流快中子流：能量：能量0.5MeV,輻射有效半徑輻射有效半徑1km幾十幾十kmn射線射線：能量：能量1MeV,輻射輻射有效半徑有效半徑3km幾百幾百kmn熱電磁脈沖熱電磁脈沖：電場(chǎng)：電場(chǎng)105V/m，磁場(chǎng)磁場(chǎng)102A/m，f=10kHz100MHz，脈沖，脈沖間隔間隔1030nsn瞬態(tài)效應(yīng)為主瞬態(tài)效應(yīng)為主：劑量率，：劑量率，rad(Si)/s2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射物理效應(yīng)輻射物理效應(yīng): :位移效應(yīng)位移效應(yīng)n輻射使晶格原子位移輻射使晶格原

13、子位移空位、間隙原子空位、間隙原子n中子輻射顯著：不帶電，能量大，穿透能力強(qiáng)中子輻射顯著：不帶電，能量大，穿透能力強(qiáng)n位移效應(yīng)破壞了晶體材料的晶格結(jié)構(gòu)和周期性位移效應(yīng)破壞了晶體材料的晶格結(jié)構(gòu)和周期性的勢(shì)場(chǎng)，在禁帶中引入新的電子能級(jí)的勢(shì)場(chǎng)，在禁帶中引入新的電子能級(jí)n復(fù)合中心復(fù)合中心少子壽命少子壽命n雜質(zhì)補(bǔ)償中心雜質(zhì)補(bǔ)償中心多子濃度多子濃度 電阻率電阻率n散射中心散射中心載流子遷移率載流子遷移率n永久性損傷：不可恢復(fù)永久性損傷：不可恢復(fù) 輻射輻射晶格晶格原子原子空位空位間隙間隙原子原子位移位移2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射物理效應(yīng)輻射物理效應(yīng): :電離效應(yīng)電離效應(yīng)n輻射使晶

14、格原子電離輻射使晶格原子電離自由電子、帶電離子自由電子、帶電離子n射線顯著：光電效應(yīng)射線顯著：光電效應(yīng)n對(duì)硅器件影響對(duì)硅器件影響n氧化層正電荷氧化層正電荷nSi-SiOSi-SiO2 2界面陷阱界面陷阱n半永久性損傷和瞬時(shí)損傷半永久性損傷和瞬時(shí)損傷 輻射輻射晶格晶格原子原子離子離子自由自由電子電子電離電離2022-5-92.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) MOSFET的輻射效應(yīng)的輻射效應(yīng) x射線、射線、射線等離化輻射將射線等離化輻射將SiOSiO2 2中的電子中的電子- -空穴對(duì)打開(kāi)，同時(shí)產(chǎn)生空穴對(duì)打開(kāi)，同時(shí)產(chǎn)生自由電子和自由空穴自由電子和自由空穴輻射產(chǎn)生的電子在輻射產(chǎn)生的電子在SiO2中很快移中很快移

15、出柵極（遷移率出柵極（遷移率20cm2/Vs）輻射產(chǎn)生的空穴通過(guò)輻射產(chǎn)生的空穴通過(guò)SiO2定域態(tài)的定域態(tài)的隨機(jī)躍遷緩慢地向隨機(jī)躍遷緩慢地向Si-SiO2界面移動(dòng)界面移動(dòng)（遷移率（遷移率10-410-11cm2/Vs）到達(dá)到達(dá)Si-SiO2界面的空穴一部分注入界面的空穴一部分注入Si中，另一部分被界面附近的空穴中，另一部分被界面附近的空穴陷阱所俘獲，帶正電，使陷阱所俘獲，帶正電，使VT向負(fù)方向負(fù)方向移動(dòng)向移動(dòng)離化輻射打開(kāi)離化輻射打開(kāi)Si-SiO2界面的飽和鍵，界面的飽和鍵，產(chǎn)生界面陷阱。在禁帶下部為施主態(tài)，產(chǎn)生界面陷阱。在禁帶下部為施主態(tài)，上部為受主態(tài)，可部分補(bǔ)償輻射引入上部為受主態(tài)，可部分補(bǔ)償

16、輻射引入的正氧化層電荷對(duì)的正氧化層電荷對(duì)VT的影響的影響x射線、射線、射線射線等離化輻射等離化輻射輻射產(chǎn)生氧化輻射產(chǎn)生氧化層電荷層電荷輻射產(chǎn)生輻射產(chǎn)生界面態(tài)界面態(tài)這里以這里以p型襯底型襯底n溝道正柵壓溝道正柵壓MOSFET為例為例2022-5-92.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射產(chǎn)生氧化層電荷輻射產(chǎn)生氧化層電荷: :特性特性1 1正柵壓下，輻射引入的空穴向硅一側(cè)移動(dòng)，且柵壓正柵壓下，輻射引入的空穴向硅一側(cè)移動(dòng)，且柵壓VG中途未被復(fù)合而最終到達(dá)中途未被復(fù)合而最終到達(dá)Si-SiOSi-SiO2 2界面附近且被陷阱俘獲的空穴數(shù)界面附近且被陷阱俘獲的空穴數(shù)引入的附加正電荷量引入的附加正電荷量平帶電壓漂移量

17、平帶電壓漂移量| |V Vfbfb|當(dāng)當(dāng)Si-SiOSi-SiO2 2界面附近的空界面附近的空穴陷阱全被占據(jù)時(shí)，平帶穴陷阱全被占據(jù)時(shí)，平帶電壓漂移量趨于飽和電壓漂移量趨于飽和負(fù)柵壓下，輻射引入的空穴向柵極一側(cè)移動(dòng)負(fù)柵壓下，輻射引入的空穴向柵極一側(cè)移動(dòng)引入附引入附加正電荷的作用較弱，且基本不隨加正電荷的作用較弱，且基本不隨V VG G的變化而變化的變化而變化2022-5-9n溝道溝道MOSFET：導(dǎo)通電壓：導(dǎo)通電壓為正柵壓，故輻射產(chǎn)生氧化為正柵壓，故輻射產(chǎn)生氧化層電荷的效果強(qiáng)層電荷的效果強(qiáng)2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射產(chǎn)生氧化層電荷輻射產(chǎn)生氧化層電荷: :特性特性2 2離化輻射劑量離化輻射劑量r

18、ad(Si)p溝道溝道MOSFET：導(dǎo)通電壓：導(dǎo)通電壓為負(fù)柵壓，故輻射產(chǎn)生氧化為負(fù)柵壓，故輻射產(chǎn)生氧化層電荷的效果弱層電荷的效果弱2022-5-92.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射產(chǎn)生界面態(tài)輻射產(chǎn)生界面態(tài): :特性特性1 1亞閾值電流（亞閾值電流（A）在亞閾區(qū)，在亞閾區(qū)，ID-VGS曲線的曲線的斜率是界面態(tài)密度的函數(shù)斜率是界面態(tài)密度的函數(shù)輻射總劑量越大，則引入的界面態(tài)密度越大輻射總劑量越大，則引入的界面態(tài)密度越大2022-5-92.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射產(chǎn)生界面態(tài)輻射產(chǎn)生界面態(tài): :特性特性2 2離化輻照后，界面態(tài)密度逐漸上升，并在離化輻照后，界面態(tài)密度逐漸上升，并在1001000s后才能達(dá)到

19、其穩(wěn)定值后才能達(dá)到其穩(wěn)定值2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射加固設(shè)計(jì)輻射加固設(shè)計(jì)1nMOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電離輻照劑量電離輻照劑量1x104Gyn晶向：采用晶向：采用而非而非作為作為MOS器件的襯器件的襯底晶向底晶向n氧化后退火：氧化后退火：900N2氣氣氛下的氧化后退火，在較氛下的氧化后退火，在較低柵壓下有效低柵壓下有效n犧牲氧化：即先在硅片上犧牲氧化：即先在硅片上生長(zhǎng)一層很厚的氧化層，生長(zhǎng)一層很厚的氧化層，然后刻蝕掉并進(jìn)行然后刻蝕掉并進(jìn)行HCl蒸蒸汽化學(xué)處理后，再做標(biāo)準(zhǔn)汽化學(xué)處理后，再做標(biāo)準(zhǔn)的柵氧化層工藝的柵氧化層工藝2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻

20、射加固設(shè)計(jì)輻射加固設(shè)計(jì)2 2n氧化方法：在干氧氧化、濕氧氧化、氧化方法：在干氧氧化、濕氧氧化、水汽氧化中，水汽氧化中，1000 的干氧氧化的干氧氧化最佳。干氧氧化時(shí)盡量避免摻氯最佳。干氧氧化時(shí)盡量避免摻氯n氧化后退火氣氛：氧化后退火氣氛：N2、Ar退火有利退火有利于抗輻照，于抗輻照，H2退火不利于抗輻照退火不利于抗輻照n最佳退火溫度與時(shí)間：因氧化層而最佳退火溫度與時(shí)間：因氧化層而異，干氧氧化的最佳條件是不高于異，干氧氧化的最佳條件是不高于850 ，90min；水汽氧化的最佳；水汽氧化的最佳條件是條件是900 ，30min900 950 1000 850 nMOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電離輻照劑量電離

21、輻照劑量1x104GypMOS電容結(jié)構(gòu)電容結(jié)構(gòu)電離輻照劑量電離輻照劑量1x104Gy900 950 1000 1050 1100 2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射加固設(shè)計(jì)輻射加固設(shè)計(jì)3n減少柵氧化層厚度有利于減少柵氧化層厚度有利于抗輻照，因?yàn)檩椛湟鸬目馆椪?，因?yàn)檩椛湟鸬拈撝惦妷浩婆c柵氧化層閾值電壓漂移與柵氧化層的厚度成正比的厚度成正比nMOS器件尺寸的按比例縮器件尺寸的按比例縮小有利于抗輻照小有利于抗輻照2022-5-92.5 2.5 輻射效應(yīng)輻射效應(yīng) 輻射加固設(shè)計(jì)輻射加固設(shè)計(jì)4n采用絕緣材料（如采用絕緣材料（如CMOS/SOI、CMOS/SOS）等取代硅材料作為襯

22、底）等取代硅材料作為襯底,可實(shí)現(xiàn)可實(shí)現(xiàn)完全的介質(zhì)隔離，完全的介質(zhì)隔離，pn結(jié)面積小，不存在任何寄生晶體管，產(chǎn)生的光電流可比結(jié)面積小，不存在任何寄生晶體管，產(chǎn)生的光電流可比硅襯底小三個(gè)數(shù)量級(jí)硅襯底小三個(gè)數(shù)量級(jí)2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 本節(jié)內(nèi)容本節(jié)內(nèi)容 MOSFET的縮小是非理想的按比例縮小，內(nèi)部的縮小是非理想的按比例縮小，內(nèi)部E隨隨L、tox減小增加，易誘發(fā)熱載流子效應(yīng)減小增加，易誘發(fā)熱載流子效應(yīng)n熱載流子定義熱載流子定義n熱載流子類型熱載流子類型n抗熱載流子措施：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)抗熱載流子措施：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 什么是熱載流子？什

23、么是熱載流子？ n熱載流子熱載流子n平均能量（平均能量（kTe）大于晶格能量（）大于晶格能量（kT）的載流子）的載流子n熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng)n熱載流子越過(guò)熱載流子越過(guò)Si-SiO2界面勢(shì)壘注入到界面勢(shì)壘注入到SiO2層中，被氧化層陷阱俘獲，層中，被氧化層陷阱俘獲，氧化層電荷變化；氧化層電荷變化；n或者被柵極收集，形成柵電流；或者被柵極收集，形成柵電流；n產(chǎn)生界面態(tài)，使界面陷阱電荷變化。產(chǎn)生界面態(tài)，使界面陷阱電荷變化。n熱載流子效應(yīng)特點(diǎn)：熱載流子效應(yīng)特點(diǎn)：n是一連續(xù)過(guò)程，器件經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)衰退；是一連續(xù)過(guò)程，器件經(jīng)過(guò)一段時(shí)間會(huì)衰退；n短溝器件更容易發(fā)生此效應(yīng)。短溝器件更容易發(fā)生此效應(yīng)。n+n

24、+p-substrateDSGBVGS+-DepletionRegionn-channel2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 溝道熱載流子效應(yīng)（溝道熱載流子效應(yīng)（CHE） 橫向溝道電場(chǎng)加速溝道電子橫向溝道電場(chǎng)加速溝道電子在漏結(jié)附近達(dá)到臨界能量成為熱電子在漏結(jié)附近達(dá)到臨界能量成為熱電子熱電子注入熱電子注入SiOSiO2 2（形成柵電流（形成柵電流I Ig g）CHE：Channel Hot Electron2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 溝道熱載流子效應(yīng)溝道熱載流子效應(yīng)AHC 橫向溝道電場(chǎng)加速溝道電子橫向溝道電場(chǎng)加速溝道電子在漏結(jié)附近達(dá)到臨界能量成為熱電子在漏結(jié)附

25、近達(dá)到臨界能量成為熱電子碰撞電離（雪崩倍增）碰撞電離（雪崩倍增）熱電子注入熱電子注入SiOSiO2 2（形成柵電流（形成柵電流I Ig g),),熱空穴注熱空穴注入襯底（形成襯底電流入襯底（形成襯底電流I Isubsub）AHC：Avalanche Hot Carrier2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 襯底熱載流子效應(yīng)襯底熱載流子效應(yīng):起源起源 縱向耗盡層電場(chǎng)縱向耗盡層電場(chǎng)耗盡層內(nèi)產(chǎn)生熱電子，并注入耗盡層內(nèi)產(chǎn)生熱電子，并注入SiOSiO2 2SHE: Substrate Hot Electron2022-5-9n結(jié)構(gòu)：在溝道的漏端及源端增加低摻雜區(qū)，降低了溝道端口處的結(jié)構(gòu)：在

26、溝道的漏端及源端增加低摻雜區(qū)，降低了溝道端口處的摻雜濃度及摻雜濃度的分布梯度摻雜濃度及摻雜濃度的分布梯度n作用：降低溝道中漏附近的電場(chǎng)，提高作用：降低溝道中漏附近的電場(chǎng)，提高FET抗熱載流子能力抗熱載流子能力2.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) LDDLDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :作用作用2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) LDDLDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu): :摻雜分布摻雜分布傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)漏區(qū)摻雜濃度較高漏區(qū)摻雜濃度較高且分布梯度較陡且分布梯度較陡漏區(qū)摻雜濃度較低且漏區(qū)摻雜濃度較低且分布梯度較緩分布梯度較緩2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) LDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):電場(chǎng)分布電場(chǎng)分布

27、傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)LDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)降低了電場(chǎng)峰值降低了電場(chǎng)峰值及分布梯度及分布梯度2022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) LDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):工藝工藝12022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) LDD結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu):工藝工藝22022-5-92.6 熱載流子效應(yīng)熱載流子效應(yīng) 需掌握內(nèi)容需掌握內(nèi)容 n熱載流子定義和類型熱載流子定義和類型n熱載流子效應(yīng)對(duì)熱載流子效應(yīng)對(duì)MOSFET器件特性的影響器件特性的影響n抗熱載流子措施：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及抗熱載流子效抗熱載流子措施：輕摻雜漏結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及抗熱載流子效應(yīng)的原因應(yīng)的原因n輕摻雜漏形成的簡(jiǎn)單工藝流程輕摻雜漏形成的簡(jiǎn)單工藝流程2022-5-92.7

28、 小結(jié)小結(jié)n摩爾定律和利潤(rùn)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則要求器件尺寸不斷縮小。摩爾定律和利潤(rùn)競(jìng)爭(zhēng)規(guī)則要求器件尺寸不斷縮小。恒定電壓按比例縮小恒定電壓按比例縮小恒定電場(chǎng)按比例縮小恒定電場(chǎng)按比例縮小恒定電場(chǎng)按比例縮小后器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性的變化恒定電場(chǎng)按比例縮小后器件結(jié)構(gòu)參數(shù)和特性的變化實(shí)際中參數(shù)按照不同比例縮小實(shí)際中參數(shù)按照不同比例縮小n器件尺寸縮小后不得不面對(duì)短溝效應(yīng)。器件尺寸縮小后不得不面對(duì)短溝效應(yīng)。溝道變短造成長(zhǎng)溝時(shí)可以忽略（因?yàn)樗急戎剌^?。┑男?yīng)發(fā)生溝道變短造成長(zhǎng)溝時(shí)可以忽略（因?yàn)樗急戎剌^?。┑男?yīng)發(fā)生短溝道造成的強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)的短溝效應(yīng)短溝道造成的強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)的短溝效應(yīng)亞閾特性的變化亞閾特性的變化2022-5-

29、92.6小結(jié)小結(jié) 溝道變短造成長(zhǎng)溝時(shí)可以忽略的效應(yīng)發(fā)生溝道變短造成長(zhǎng)溝時(shí)可以忽略的效應(yīng)發(fā)生n閾值電壓的短溝效應(yīng)閾值電壓的短溝效應(yīng)（源漏耗盡區(qū)對(duì)柵控電荷的影響不可忽略）（源漏耗盡區(qū)對(duì)柵控電荷的影響不可忽略）n閾值電壓的窄溝效應(yīng)閾值電壓的窄溝效應(yīng)（溝道寬度方向的附加空間電荷區(qū)不可忽略）（溝道寬度方向的附加空間電荷區(qū)不可忽略）n溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)（有效溝道長(zhǎng)度的降低不可忽略）（有效溝道長(zhǎng)度的降低不可忽略）n源漏穿通造成夾不斷，亞閾特性變差源漏穿通造成夾不斷，亞閾特性變差n注意襯底摻雜濃度的影響注意襯底摻雜濃度的影響2022-5-92.6小結(jié)小結(jié) 短溝道造成的強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)的短溝效應(yīng)短溝道造

30、成的強(qiáng)電場(chǎng)引發(fā)的短溝效應(yīng)n強(qiáng)場(chǎng)引起速度飽和強(qiáng)場(chǎng)引起速度飽和（速度飽和后的（速度飽和后的IV、gm、fT表達(dá)式）表達(dá)式）n彈道效應(yīng)彈道效應(yīng)（載流子速度大于飽和速度，（載流子速度大于飽和速度，IV 關(guān)系）關(guān)系）n強(qiáng)場(chǎng)造成碰撞電離引發(fā)溝道雪崩擊穿強(qiáng)場(chǎng)造成碰撞電離引發(fā)溝道雪崩擊穿 （雪崩效應(yīng)與其他擊穿機(jī)理的聯(lián)系）（雪崩效應(yīng)與其他擊穿機(jī)理的聯(lián)系）n強(qiáng)場(chǎng)引起熱載流子效應(yīng)強(qiáng)場(chǎng)引起熱載流子效應(yīng)（熱載流子注入柵氧化層造成氧化層電荷和界面態(tài)）（熱載流子注入柵氧化層造成氧化層電荷和界面態(tài)）2022-5-92.6小結(jié)小結(jié) 表面遷移率和亞閾電流表面遷移率和亞閾電流n氧化層變薄，氧化層變薄， 氧化層擊穿電壓下降氧化層擊穿

31、電壓下降 柵電壓造成的表面遷移率的下降更明顯柵電壓造成的表面遷移率的下降更明顯n亞閾電流的特點(diǎn)：亞閾電流的特點(diǎn)： 長(zhǎng)溝時(shí)：擴(kuò)散電流是電流主要組成，與柵電壓呈指數(shù)長(zhǎng)溝時(shí)：擴(kuò)散電流是電流主要組成，與柵電壓呈指數(shù) 關(guān)系，在漏壓大于關(guān)系，在漏壓大于3kT/q后與漏壓無(wú)關(guān)。后與漏壓無(wú)關(guān)。 短溝時(shí)：源漏穿通效應(yīng)的影響，亞閾電流與漏壓相關(guān)，短溝時(shí)：源漏穿通效應(yīng)的影響，亞閾電流與漏壓相關(guān)，亞閾電流增大。亞閾電流增大。2022-5-92.7小結(jié)小結(jié) 0 0nMOSFET的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式：的幾個(gè)簡(jiǎn)單公式：2)()(2TGSoxnsatDVVLCWI）（DSTGSoxnsatDVVVLCWI1)(22)()(222D

32、SDSTGSoxnDVVVVLCWI2022-5-92.7 小結(jié)小結(jié) 1 1nMOSFET功能：開(kāi)關(guān)放大。功能：開(kāi)關(guān)放大。n性能指標(biāo)：評(píng)價(jià)器件功能的好壞性能指標(biāo)：評(píng)價(jià)器件功能的好壞 跨導(dǎo)，截止頻率，擊穿電壓，飽和漏電流?？鐚?dǎo)，截止頻率，擊穿電壓，飽和漏電流。n可靠性：可靠性： 器件的壽命。器件的壽命。 器件的環(huán)境適應(yīng)性，（輻射、高溫、高濕、振動(dòng)、溫變）器件的環(huán)境適應(yīng)性，（輻射、高溫、高濕、振動(dòng)、溫變）nMOSFET在弱反型區(qū)存在所謂在弱反型區(qū)存在所謂“亞閾值電流亞閾值電流”。該電流與柵源電壓。該電流與柵源電壓呈指數(shù)關(guān)系。呈指數(shù)關(guān)系。nMOSFET在飽和區(qū)的有效溝道長(zhǎng)度隨漏源電壓的增加而增加，導(dǎo)

33、致在飽和區(qū)的有效溝道長(zhǎng)度隨漏源電壓的增加而增加，導(dǎo)致漏源電流略微增加，形成所謂漏源電流略微增加，形成所謂“溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)”。此效應(yīng)在短。此效應(yīng)在短溝道和低摻雜襯底中才顯著。溝道和低摻雜襯底中才顯著。n溝道遷移率隨溝道橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)的增加而下降。在強(qiáng)的橫向溝道遷移率隨溝道橫向電場(chǎng)和縱向電場(chǎng)的增加而下降。在強(qiáng)的橫向電場(chǎng)下，載流子在溝道中的漂移速度將會(huì)達(dá)到飽和，此時(shí)漏源電流電場(chǎng)下，載流子在溝道中的漂移速度將會(huì)達(dá)到飽和，此時(shí)漏源電流與柵源電壓呈線性關(guān)系與柵源電壓呈線性關(guān)系2022-5-9n縮小縮小MOSFET尺寸可以提高集成度和工作速度。器件尺寸與工作電尺寸可以提高集成度和工作速度。器件尺寸與工作電壓按同樣比例縮小較為理想，但難以實(shí)現(xiàn)。壓按同樣比例縮小較為理想，但難以實(shí)現(xiàn)。n在短溝道和窄溝道條件下，閾值電壓會(huì)隨溝道長(zhǎng)度和溝道寬度的變?cè)诙虦系篮驼瓬系罈l件下，閾值電壓會(huì)隨溝道長(zhǎng)度和溝道寬度的變化而變化。在實(shí)際工藝中常采用離子注入來(lái)調(diào)整閾值電壓?；兓?。在實(shí)際工藝中常采用離子注入來(lái)調(diào)整閾值電壓。n柵源介質(zhì)擊穿和漏體柵源介質(zhì)擊穿和漏體pn結(jié)擊穿是結(jié)擊穿是MOSFET主要擊穿機(jī)構(gòu)。短溝道器主要擊穿機(jī)構(gòu)。短溝道器件可能會(huì)出現(xiàn)溝道雪崩倍增，引發(fā)寄生晶體管效應(yīng)或熱電子效應(yīng)。件可能會(huì)出現(xiàn)溝道雪崩倍增，引發(fā)寄生晶體管效應(yīng)或熱電子效應(yīng)。n離化