4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT rolloff）
1. 现象
4/75
窄沟道效应
短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应3
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
5/75
p-Si
p-Si
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
2 ( x, y ) 0 GCA： 2 y


4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应5
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
讨论 QB’/QB（电荷分享因子 F ） dmax/xj 较小时
1/ 2 x j 2d max Q d 1 1 max F 1 1 QB L x L j ' B
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 3o Halo implant
26/75
Halo implant 剂量上限 漏结雪崩击穿
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应23
4.1.7 热载流子效应抑制-新型漏结构
1. 最大漏电场 Eymax 饱和时
1/ 3 1/ 3 E y max VDS VDSsat 0.22tox x j tox 和 xj 均以 cm 为单位
' QB 2VB Cox
V VFB
' T
VFB
' QB 2VB 2VB VBS QB
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
计算 QB’/QB（电荷分享因子 F ）
表面势
VsL VGS VT
VT =
3Vbi 2VB VDS exp L l 2 Vbi 2VB Vbi 2VB exp L 2l
VDS 大
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应17
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2 s Vbi VBS yS qN A
1/ 2 Q 2 yS xj 1 F 1 1 QB 2 L x j 1/ 2 x j 2 yD 1 1 2 L xj 1 yS yD 1 L 2 ' B
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应21
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施 2o PTI
25/75
kT S n ln 10 q
x
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应22
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
eff ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) 2 ( x, y ) 2 2 s x s y
6/75
N Aeff N A VT
3. 电荷分享模型 (Poon-Yau) NMOS
p-Si
VT VFB 2VB
QB Cox VFB 2VB 2VB VBS
1/ 2 x j 2d max 1 1 L xj
经验参数（ >1）

3o NA dmax F VT
4o xj VT
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应6
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 3. off 电荷分享模型 (Poon-Yau)
4.3 MOSFET的按比例缩小规律
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应1
4.1.1 MOSFET 的短沟道效应（SCE）
1. 阈值电压“卷曲”（VT roll-off） 2. 漏感应势垒降低（DIBL）
3/75
3. 速度饱和效应
4. 亚阈特性退化
5. 热载流子效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应2
¼ 圆弧：
1 2 QW 2 d max d max QB W d max 2 W
一般地，引入经验参数 GW
QW d max GW QB W
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应12
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
3. 三种氧化物隔离结构的 NWE
15/75
Raised field-oxide isolation： W VT
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
24/75
3. 抑制 sub-surface punchthrough 的措施
1o 选择合适的 NB ：
N B N ch 10
2o 做 anti-punchthrough implant punchthrough stopper implant punchthrough implant （PTI）
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应14
4.1.5 漏感应势垒降低
1. 现象
17/75
L 很小时， VDS
VT
VT (VDS ) VT (0) VDS
DIBL 因子
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应15
4.1.5 漏感应势垒降低
2. 原因
18/75
(1) 电荷分享
QFS 2 W
L/2
0
Q fs ( y )dy 2Q fs 0G0W 1 exp L 2G0 单位：[C]

VT
QFS Cox LW
2Q fs 0G0 1 exp L 2G0 Cox L
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应10
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
27/75
tox
降低 Eymax 措施
xj
VDS VDD 新型漏结构 Graded pn junction
2. 双扩散漏 (DDD)
2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 s
2 ( x, y ) 2 ( x, y ) ( x, y ) x 2 y 2 s 2 ( x, y )
y
2
0
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应4
4.1.2 阈值电压“卷曲”（VT roll） 2. off 原因
抑制 VT roll-off 的措施：
4o VBS 5o VDS
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应7
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象
10/75
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应8
4.1.3 反常短沟道效应（RSCE / VT roll-up）
1. 现象 长沟道 短沟道
20/75
IDSst 1/L
IDSst 与 VDS 无关 S 与 L 无关
IDSst > 1/L
VDS IDSst L S
长沟道 MOSFET
短沟道 MOSFET
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
1. 现象
21/75
短沟道 MOSFET 的亚阈摆幅
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应18
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因
22/75
I DSst ,短沟 I DSst ( 扩散 ) I PT
(1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
均匀掺杂衬底
1. 现象 W VT
13/75
窄沟道效应 短沟道效应
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应11
4.1.4 窄沟道效应（NEW）
2. 边缘耗尽效应
W
14/75
VT ,宽沟 VFB 2VB 2VB VBS
dmax
SiO2
y

x
z
QB Cox QW Cox
QB QW
VT ,窄沟 VFB 2VB 2VB VBS
8/75
dmax/xj 较大时
' QB d F 1 max QB L
VT VT' VT 2VB VBS
d max s tox 2VB VBS 2 2VB VBS L ox L
1o L F VT 2o tox VT
VT adjust implant
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应19
4.1.6 短沟道 MOSFET 的亚阈特性
2. 原因 (1) 亚表面穿通（sub-surface punchthrough）
Vbi + 7 V
23/75
电子浓度分布
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应20
1/75
半导体器件原理
主讲人：仇志军
本部遗传楼309室 55664269 Email: zjqiu@ 助教：王晨禹14110720017@
第四章 小尺寸MOSFET的特性
4.1 MOSFET的短沟道效应和窄沟道效应
2/75
4.2 小尺寸MOSFET的直流特性

VT
y S y D q s N A VB 0.5VBS
LCox
F VT

2 s Vbi VDS VBS yD qN A
VDS