微电子器件49.ppt

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1、 4.9.1 4.9.1 按比例缩小的按比例缩小的按比例缩小的按比例缩小的 MOSFET MOSFET 1 1、恒场按比例缩小法则恒场按比例缩小法则恒场按比例缩小法则恒场按比例缩小法则 为了为了消除或削弱短沟道效应，消除或削弱短沟道效应，除了采用一些特殊的结构外，除了采用一些特殊的结构外，在在 VLSI 中，主要采用按比例缩小法则。中，主要采用按比例缩小法则。设设 K 为缩小因子，为缩小因子，K 1。恒场按比例缩小法则要求。恒场按比例缩小法则要求这时器件及集成电路的性能发生如下改变：这时器件及集成电路的性能发生如下改变：2 2、恒场按比例缩小法则的局限性恒场按比例缩小法则的局限性恒场按比例缩小

2、法则的局限性恒场按比例缩小法则的局限性 (1)亚阈区摆幅亚阈区摆幅 S 不变会使亚阈电流相对增大，对动态存储不变会使亚阈电流相对增大，对动态存储器特别不利。器特别不利。(2)某些电压参数不能按比例缩小，例如某些电压参数不能按比例缩小，例如 Vbi 和和 2 FB 等。等。(3)表面反型层厚度表面反型层厚度 b 不能按比例缩小。可以将反型层看作不能按比例缩小。可以将反型层看作一个极板间距为一个极板间距为 b 且与且与 COX 相串联的电容相串联的电容 ，使总的有效栅电容，使总的有效栅电容偏离反比于偏离反比于 TOX 的关系而逐渐饱和。的关系而逐渐饱和。(5)电源电压不能完全按比例缩小。电源电压不

3、能完全按比例缩小。(4)寄生电阻的限制寄生电阻的限制。3 3、其它按比例缩小法则其它按比例缩小法则其它按比例缩小法则其它按比例缩小法则 (1)修正的修正的恒场按比例缩小法则恒场按比例缩小法则 (2)(3)恒亚阈电流缩小法则恒亚阈电流缩小法则 (4)恒压按比例缩小法则恒压按比例缩小法则 4.9.2 4.9.2 双扩散双扩散双扩散双扩散 MOSFET MOSFET (1)沟道长度由两次反型扩散的结深之差决定。可以使沟道沟道长度由两次反型扩散的结深之差决定。可以使沟道长度制作得又短又精确。长度制作得又短又精确。特点：特点：特点：特点：(2)在沟道和漏区之间插入一个在沟道和漏区之间插入一个 N 漂移区

4、，可以减小寄生漂移区，可以减小寄生电容电容 C gd，提高漏源击穿电压，减小沟道长度调制效应，防止，提高漏源击穿电压，减小沟道长度调制效应，防止漏源穿通，抑制衬底电流和热电子效应等。漏源穿通，抑制衬底电流和热电子效应等。4.9.3 SOS4.9.3 SOS -MOSFET MOSFET 特点：特点：特点：特点：由于兰宝石的优良绝缘性而大大减小了源、漏区与由于兰宝石的优良绝缘性而大大减小了源、漏区与衬底之间的寄生电容，故具有较高的速度。此外，在衬底之间的寄生电容，故具有较高的速度。此外，在 SOS 结构结构中可以腐蚀掉不需要的部分，只剩下中可以腐蚀掉不需要的部分，只剩下 MOSFET 的有源部分

5、，可的有源部分，可在集成电路中实现各在集成电路中实现各 MOSFET 之间的完全电隔离。之间的完全电隔离。在兰宝石在兰宝石(-Al2O3)衬底上外延生长单晶硅薄膜，在此薄膜衬底上外延生长单晶硅薄膜，在此薄膜上制作的上制作的 MOSFET，称为，称为 SOS-MOSFET。4.9.4 4.9.4 深亚微米深亚微米深亚微米深亚微米 MOSFET MOSFET 1 1、量子效量子效量子效量子效应应应应的影响的影响的影响的影响 对对于深于深亚亚微米微米 MOSFET，根据按比例缩小法则，根据按比例缩小法则，必必须须采用采用重重掺杂衬掺杂衬底和薄底和薄栅栅技技术术。这样这样能能带带在表面的弯曲将形成足在

6、表面的弯曲将形成足够够窄窄的的势势阱，使反型阱，使反型层层中的中的载载流子在界面流子在界面处处 量子化量子化量子化量子化。计算表明，。计算表明，量量量量子子子子效应使效应使效应使效应使反型反型反型反型层电层电层电层电子子子子浓浓浓浓度的峰度的峰度的峰度的峰值值值值离开界面。离开界面。离开界面。离开界面。可以将可以将该现该现象等效象等效为栅为栅氧化氧化层层厚度的增加厚度的增加，从而从而导导致漏极致漏极电电流的衰退。流的衰退。2 2、栅耦合、栅耦合、栅耦合、栅耦合 按比例缩小法则要求按比例缩小法则要求 MOSFET 的栅的栅氧化氧化层层厚度随沟道厚度随沟道长长度度的的缩缩短而减薄短而减薄，以保持，

7、以保持 栅电栅电极极 与与 沟道沟道电电荷荷 之之间间有足有足够够的的耦合耦合。每一代新的。每一代新的 MOSFET 都采用了更薄的栅都采用了更薄的栅氧化氧化层层。但是。但是栅栅氧化氧化层层厚度的减薄将受到下面几个因素的限制。厚度的减薄将受到下面几个因素的限制。首先，当栅首先，当栅氧化氧化层层非常薄非常薄时时，栅栅极与沟道之极与沟道之间间的的 电电电电子隧子隧子隧子隧道道道道效应效应效应效应电电电电流流流流 将将显显著增大，著增大，导导致致栅电栅电流的增大和流的增大和输输入阻抗的下降。入阻抗的下降。其次，以下三个因素使其次，以下三个因素使 有效有效有效有效 栅栅氧化氧化层层厚度不能随厚度不能随

8、 实际实际实际实际 栅栅氧氧化化层层厚度的减薄而下降。厚度的减薄而下降。(1)有一定厚度的表面反型层可等效为一个与有一定厚度的表面反型层可等效为一个与栅栅氧化氧化层电层电容容COX串串连连的的反型层反型层电电容，削弱了容，削弱了栅电栅电极极对对沟道沟道电电荷的荷的耦合作用，耦合作用，相当于增加了相当于增加了有效有效栅栅氧化氧化层层厚度。厚度。(2)量子效量子效应应使反型使反型层电层电子子浓浓度的峰度的峰值值不在表面，而在表面不在表面，而在表面以下以下约约 1 nm 处处，这这也也相当于增加了相当于增加了有效有效栅栅氧化氧化层层厚度。厚度。(3)MOS 集成电路中都采用硅栅技术。当硅栅中靠集成电

9、路中都采用硅栅技术。当硅栅中靠氧化氧化层层一一侧侧的部分多晶硅的部分多晶硅发发生耗尽生耗尽时时，这层这层耗尽耗尽层层就起到了就起到了绝缘层绝缘层的的作用，再次作用，再次增加了增加了有效有效栅栅氧化氧化层层厚度。厚度。为了避免隧道穿透效应，可以通过为了避免隧道穿透效应，可以通过 提高栅介质的介电常数提高栅介质的介电常数提高栅介质的介电常数提高栅介质的介电常数而不是降低栅介质的厚度而不是降低栅介质的厚度而不是降低栅介质的厚度而不是降低栅介质的厚度 的方法来提高栅电容。为了避免的方法来提高栅电容。为了避免多晶多晶硅出硅出现现耗尽耗尽层层的影响，可以采用的影响，可以采用 难难难难熔金属熔金属熔金属熔金

10、属 或或 难难难难熔金属硅化物熔金属硅化物熔金属硅化物熔金属硅化物 作作为栅电为栅电极材料。极材料。3 3、速度速度速度速度过过过过冲效冲效冲效冲效应应应应 在在电电子的子的输输运运过过程中程中，如果，如果不能不能发发生足生足够够的散射，的散射，就会就会导导致致电电子被加速到超子被加速到超过饱过饱和和漂移漂移速度速度的速度的速度，这这种种现现象称象称为为 速度速度速度速度过过过过冲效冲效冲效冲效应应应应。速度。速度过过冲效冲效应应将使将使电电子的平均速度超子的平均速度超过饱过饱和和漂移漂移速速度，从而使度，从而使 MOSFET 的的漏极漏极电电流流和和跨跨导导增大。增大。理论计算表明，随着理论计算表明，随着 MOSFET 尺寸的缩小，尺寸的缩小，速度速度过过冲效冲效应应将将会会变变得很重要。得很重要。4.10 SPICE 中的中的 MOFET 模型模型 （自学）（自学）