DIBL效应对小尺寸MOS晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响.doc

------------------------------------------------------------------------------------------------ —————————————————————————————————————— DIBL 效应对小尺寸 MOS 晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响 DIBL 效应对小尺寸 MOS 晶体管阈值电压和亚阈值特性的影响 1. MOS 晶体管阈值电压阈值电压定义为沟道源端的半导体表面开始强反型所需要的栅压。根据定义, 它由以下三部分组成:(1) 抵消功函数差和有效界面电荷的影响所需的栅压,即平带电压 Vfb ;(2 )产生强反型所需的表面势,即 2Φf;(3 )强反型时栅下表面层电荷 Qs 在氧化层上产生的附加电压,通常近似为-Qb(2 Φ f)/Cox 。对于 MOSFET ,阈值电压表示式为: VT= Vfb +2Φf- Qb(2 Φ f)/Cox 需要注意, 对于 NMOS ,Φf=( KBT/q ) ln(NA/Ni) , 相应的, Qb =-γ Cox2?f ,γ=2?sqNA/Cox ;对 PMOS ,Φf=-( KBT/q ) ln(ND/Ni) , Qb= γ Cox(?2?f) ,γ p=2?sqND/Cox 。 NA , ND 是半导体衬底的掺杂浓度。在 MOS 集成电路的设计和生产中,阈值电压的控制十分重要。大多数应用中需要的是增强型器件,这时对 NMOS 要求 VT〉0,对 PMOS 要求 VT <0 。上述要求对 PMOS 容易达到,对 NMOS 却很困难。原因是 Vfb= Φ ms-Q0/Cox 中的 Q0 总是正的,即-Q0/Cox 总是负的, 结果使 P 沟和 N 沟器件的 Vfb 一般都是负的。对 PMOS 而言,VT ------------------------------------------------------------------------------------------------ ——————————————————————————————————————表示式中的另外两项也都是负的因此产生增强型没有困难;对 NMO S 而言,另外两项之和必须大于 Vfb ,从而要求衬底掺杂浓度较高,这会导致大的衬底电容和低的击穿电压,是十分不理想的。我们可以通过离子浅注入的方法将杂质注入到沟道表面的薄层内, 其作用相当于有效界面电荷, 所以阈值电压的改变可以从下面公式估算: Δ VT=± qNI / Cox NI 是注入剂量( 离子个数/cm2 )。注入杂质为 P 型时, 上式取正号;注入杂质为 N 型时,上式取负号。 Qb 表示式中γ=2?sqNA/Cox 反映衬底偏压对阈值电压影响的强弱程度, 故称衬偏系数。对于 P 沟器件, 衬底偏压引起的阈值电压改变为Δ VT=- γ p[2?f?Vbs-2?f] γ p=2?sqND/Cox 是P 沟器件( N 型衬底)的衬偏系数。氧化层厚度对阈值电压也有影响。氧化层厚度增加时, 栅压对半导体表面的控制作用减弱, 为了使表面形成导电沟道, 需要加更大的栅压,即阈值电压增加。这一点对制作场区十分重要。 2. MOS 晶体管亚阈值电流方程与亚阈值摆幅栅偏压低于阈值以至沟道表面是