【正文】 。 ? 對上述二階效應(yīng)的研究一方面用來指導(dǎo)工藝的改進(jìn) ， 另一方面用來指導(dǎo)器件模型的修正 。 ? 這些新產(chǎn)生的電子，其中一部分能量較大者流入到 SiO2層，它引起一種柵極電流；或者被 SiO2層俘獲，成為固定電荷，改變門限電壓 VT， 造成一種可靠性問題。 由于 Scalingdown的原因 ， 溝道中的電場增強(qiáng)了 ， 在這種強(qiáng)電場作用下 ， 碰撞電離使電子 —空穴對增殖 ， 且其能量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過正常溝道中的電子能量 . 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 82 電離化（續(xù)） ? 這些新產(chǎn)生的空穴流入襯底。 但對于 4?以下的 MOS器件 ， 5V電源一般不發(fā)生雪崩擊穿 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 81 電離化 ? 另一個漏電流的來源是碰撞電離 ， 如圖所示 。如果把以上兩種穿透效應(yīng)結(jié)合在一起，可以相信，穿透電壓將正比于 L2。 漏極發(fā)出的電力線，直接通到源極，如下圖所示。 那么 ，這種由于 Vds引起的第二柵效應(yīng) ， 從背面形成反型層的可能性就會降低 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 79 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ?在 MOS器件中 ， 為了克服這種缺點 ， 采取以下辦法： ?L不要取太短 。 為了區(qū)分是短溝道原因 ， 還是狹溝道原因 ， W取100。通常，穿透電壓是溝道長度的線性函數(shù)，如圖所示。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 78 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） ? 當(dāng)柵極電壓較低時，穿透更嚴(yán)重。 這是一種從背面來形成反型層的溝道 ， 使得器件對穿透更為敏感 。 穿透是指 ， 在漏源之間 ， 不受柵極控制的 、 一種局部表面電流 ， 是一種漏電流 。 ? 這種由漏極感應(yīng)使電位勢壘降低，從而減小門限電壓的效應(yīng)，對于短溝道器件，在門限值附近是很嚴(yán)重的。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 76 第二柵現(xiàn)象（續(xù)） 有人證明，考慮第二柵效應(yīng)的門限電壓為 VT39。 ? 如圖 ， 假定 VdsVgs ， 漏極發(fā)出的電力線就會落到溝道與 SiO2的界面上 ， 改變了 Si表面的電位分布 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 75 第二柵現(xiàn)象 ? 在分析短溝道 、 狹溝道對門限電壓的影響時 ， 是假定了源極 、 漏極同電位的 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 74 狹溝道引起的門限電壓 VT的變化 ? 如果溝道太窄 ， 即 W太小 ， 那么柵極的邊緣電場會引起 Si襯底中的電離化 ， 產(chǎn)生了附加的耗盡區(qū) ， 因而 ，增加了門限電壓 ， 如圖所示 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 73 短溝道效應(yīng)引起門限電壓變化 (續(xù) ) ? 對于長溝道 MOS管 ， 影響不大 。 QB39。 差不多一半由感應(yīng)產(chǎn)生 ， 另一半由擴(kuò)散形成 。顯然 ， 有部分區(qū)域是重疊的 。 若再增加?xùn)艠O電壓 ， 就形成反型層 。 當(dāng)這個電位低到 P型襯底的費米能級時 ， 半導(dǎo)體出現(xiàn)中性 。 （ 最重要的短溝道效應(yīng)是 VT的減小 。 然而 ， 這種假定在溝道區(qū)的邊沿上是不成立的 。 無論是垂直方向 ， 還是水平方向 ， 都是一維計算的 。 如果襯底摻雜高 ， 那么這種調(diào)制效應(yīng)就減小了 。 故器件的有效溝道長度為 ， L39。 事實上 ， 飽和區(qū)中 ， 當(dāng) Vds增加時 ， Ids仍然增加的 。 它與摻雜幾乎無關(guān) 。 ? ???????cvvvccvv VVVVVVf對對 /1 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 69 遷移率的退化（續(xù)） 經(jīng)過長期研究 ， 已經(jīng)確定 ， 在電場不強(qiáng)時 ， N溝道的 ?確實比 P溝道的 ?大得多 ， 約 。 這時 ， P溝道管子的性能與 N溝道管子差不多相等 。 然而 ， 這兩種載流子的飽和速度是相同的 。 當(dāng)載流子速度被加速到一個大的數(shù)值 ， 水平速度會飽和 。 水平電場對 ?的影響 ， 比垂直電場大得多 。 ? ?? ?MTTTT ??????????121020??東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 68 遷移率的退化（續(xù)） 通常 ， fv采用如下公式 ， 式中 ， Vc是臨界電壓 ， Vc =?ctox， ?c是臨界電場 ， ?c=2?105 V/cm 。?0的典型值為 ， N溝道 MOS管 ， ?0=600cm2/V?S； P溝道 MOS管 ，?0=250cm2/V?S。 通常 ， ?可以表示為 ， ? = ?0(T)fv(Vg,Vs,Vd)fh(Vg,Vs,Vd) 其中 ， ?0(T)是溫度的函數(shù) ， ?0(T) = kT ?M 于是 ， 在半導(dǎo)體 Si內(nèi) ， M=， 這是 Spice中所用的參數(shù) 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 67 遷移率的退化（續(xù)） 2） 遷移率 ?的退化與電場強(qiáng)度 通常 ， 電場強(qiáng)度 E增加時 ， ?是減小的 。 如果從 25℃ 增加到 100℃ ， ?0將下降一半 。 它取決于表面電荷密度 ， 襯底摻雜和晶片趨向 。 從器件的外特性來看 ， 至少有三個因素影響 ?值 ， 它們是：溫度 T， 垂直電場 Ev， 水平電場 Eh。 在設(shè)計器件或者計算 MOS管參數(shù)時 ， 常常假定 ?是常數(shù) 。 ?Cgs = W?LdiffCox ?Cgd = W?LdiffCox 式中 Cox是單位面積電容 。 Lfinal = Ldrawn?2?Lpoly 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 65 L和 W的變化 (續(xù) ) ? 尺寸縮小的原因是在蝕刻（ etching） 過程中，多晶硅（ Ploy） 被腐蝕掉了。 Ldrawn是圖上繪制的柵極長度。 同時 ， 擴(kuò)散電容也增大了 ， N+區(qū)與 P+區(qū)的擊穿電壓降低 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 64 L和 W的變化 (續(xù) ) 另一方面 ， 那個注入?yún)^(qū)也有影響 。 器件的寬度不再是版圖上所畫的 Wdrawn， 而是 W， W = Wdrawn?2?W 式中 ?W就是 bird beak侵入部分 ， 其大小差不多等于氧化區(qū)厚度的數(shù)量級 。 然而 ， 在氧化過程中 ， 氧氣會從斑區(qū)的邊沿處滲入 ， 造成了氧化區(qū)具有鳥嘴形 （ bird beak） 。 然后 ， 再以這個斑區(qū)作為 implant mask， 注入 P+區(qū) 。 結(jié)論 : 所以 ， 在實際情況中 ， 需要一個很厚的氧化區(qū)和一個注入?yún)^(qū) ，給工藝帶來了新的問題 。 如果沒有這個 P+注入?yún)^(qū) ， 那么 ， 兩個 MOS管的耗盡區(qū)很靠近 ，漏電增大 。 這樣 ， 在氧化區(qū)下面襯底的 Na值 較大 ， 也提高了寄生 MOS 管的開啟電壓 。 這里寄生的 MOS管永遠(yuǎn)不會打開 ， 不能形成 MOS管 。因為 MOS管的開啟電壓為 ， 對于 IC中的 MOS管 ， SiO2層很薄 ， Cox較大 ， VT較小 。 場是由一層很厚的 SiO2形成的 。 圖 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 61 L和 W的變化 (續(xù) ) 通常 ， 在 IC中各晶體管之間是由場氧化區(qū) （ field oxide）來隔離的 。 事實并非如此 ，真正器件中的 L、 W并不是原先版圖上所定義的 L、W。 下面具體討論二階效應(yīng)在各方面的表現(xiàn) 。 二階效應(yīng)出于兩種原因： 1) 當(dāng)器件尺寸縮小時 ， 電源電壓還得保持為 5V， 于是 ，平均電場強(qiáng)度增加了 ， 引起了許多二次效應(yīng) 。 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 59 MOS器件的二階效應(yīng) 隨著 MOS工藝向著亞微米 、 深亞微米的方向發(fā)展 ，采用簡化的 、 只考慮一階效應(yīng)的 MOS器件模型來進(jìn)行電路模擬 ， 已經(jīng)不能滿足精度要求 。 ??????? ?????????oxgdgsgox ) , ,( tLWCCCtWL ?MOSFET的動態(tài)特性和尺寸縮小的影響 } 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 56 MOSFET尺寸 按比例 縮小的 三種方案 1) 恒電場 (constant electrical field) 2) 恒電壓 (constant voltage) 3) 準(zhǔn)恒電壓 (Quasiconstant voltage) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 57 Scalingdown的三種方案 (續(xù) ) 采用恒電場 CE縮減方案 , 縮減因子為 ?時 , 各電路指標(biāo)變化 。 MOSFET的動態(tài)特性和尺寸縮小的影響 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 55 MOSFET 的速度可以用單級非門 (反相器 )的時延 ?D來表征。 (兩項措施都是工藝方面的問題 ) 東 ?南 ?大 ?學(xué) 射 ?頻 ?與 ?光 ?電 ?集 ?成 ?電 ?路 ?研 ?究 ?所 ? 2022/8/20 52 MOSFET的跨導(dǎo) gm和輸出電導(dǎo) gds 根據(jù) MOSFET的跨導(dǎo) gm的定義為： MOSFET IV