改善短溝道效應(yīng)的方法分享-KIA MOS管

短溝道效應(yīng)的影響

當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）的溝道長(zhǎng)度（L）縮減至與耗盡區(qū)寬度相近時(shí)，器件的電學(xué)特性，諸如閾值電壓VT、亞閾值擺幅SS以及漏電流leakage current等，會(huì)顯著偏離長(zhǎng)溝道時(shí)的行為。

如圖所示，在MOSFET中，由源極和漏極擴(kuò)散區(qū)域所形成的耗盡區(qū)，會(huì)向摻雜濃度較低的結(jié)處，即襯底方向延伸。對(duì)于長(zhǎng)溝道晶體管，其耗盡區(qū)的延伸與柵極總長(zhǎng)度相比可忽略不計(jì)，因此對(duì)晶體管電學(xué)特性的影響也極小。

然而，隨著柵極長(zhǎng)度的縮減，耗盡區(qū)的延伸長(zhǎng)度與溝道長(zhǎng)度相當(dāng)，導(dǎo)致柵極對(duì)溝道的控制能力部分喪失。這一變化進(jìn)而引發(fā)了短溝道效應(yīng)中的“閾值電壓滾降（VTH roll-off）”現(xiàn)象。

漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)

此外，當(dāng)在漏極施加偏壓（通常源極接地）時(shí)，漏極擴(kuò)散區(qū)域的耗盡區(qū)會(huì)在溝道內(nèi)進(jìn)一步加深，這會(huì)導(dǎo)致有效柵極長(zhǎng)度減小，即溝道長(zhǎng)度調(diào)制效應(yīng)。因此，在VDS等于VGS減去閾值電壓以上時(shí)，電流不會(huì)達(dá)到飽和狀態(tài)。隨著VDS值的進(jìn)一步增大，漏極耗盡區(qū)會(huì)向襯底方向進(jìn)一步延伸，直至與源極耗盡區(qū)發(fā)生重疊。

這一系列變化在短溝道晶體管中會(huì)導(dǎo)致柵極對(duì)溝道的控制能力進(jìn)一步削弱。由于強(qiáng)漏極偏壓引發(fā)的源極/漏極耗盡區(qū)重疊，會(huì)使Source與Bulk結(jié)處的勢(shì)壘降低，從而引發(fā)閾值電壓的降低，這種閾值電壓的降低現(xiàn)象被稱為漏致勢(shì)壘降低（DIBL）效應(yīng)。

閾值電壓降低與漏電流增加

Vth降低的原因：隨著溝道長(zhǎng)度的減小，柵極電場(chǎng)對(duì)溝道的控制能力逐漸減弱，而漏極電場(chǎng)對(duì)溝道電勢(shì)分布的影響則逐漸增強(qiáng)。

Vth降低的影響：可能導(dǎo)致器件在關(guān)態(tài)時(shí)的漏電流增加，進(jìn)而影響電路的靜態(tài)功耗和噪聲容限。

漏電流增加的原因：Vth的降低會(huì)導(dǎo)致亞閾值區(qū)域的漏電流顯著上升，同時(shí)，源漏電阻的降低也會(huì)進(jìn)一步加劇漏電流的問(wèn)題。

漏電流增加的影響：直接導(dǎo)致靜態(tài)功耗的上升，從而影響移動(dòng)設(shè)備的電池壽命。

驅(qū)動(dòng)電流的變化

在溝道長(zhǎng)度減小的初期，驅(qū)動(dòng)電流會(huì)因溝道電阻的降低而有所增加。然而，隨著溝道長(zhǎng)度的進(jìn)一步減小，遷移率的下降和漏電流的增加可能會(huì)抵消這種驅(qū)動(dòng)電流的增加，甚至導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)電流的下降。驅(qū)動(dòng)電流的變化將直接影響器件的開(kāi)關(guān)速度和整體電路的性能。

改善短溝道效應(yīng)的方法

優(yōu)化摻雜工藝

調(diào)整溝道區(qū)摻雜濃度和分布：通過(guò)精確控制溝道區(qū)的摻雜濃度和分布，可以有效調(diào)節(jié)晶體管的電學(xué)特性，從而減小短溝道效應(yīng)的影響。例如，采用漸變摻雜技術(shù)可以使得溝道區(qū)的摻雜濃度從源極到漏極逐漸變化，有助于抑制漏電流的增大。

使用高-k介質(zhì)和低功函數(shù)金屬柵極：高-k介質(zhì)可以提高柵氧化層的電容密度，而低功函數(shù)金屬柵極可以降低柵極的開(kāi)啟電壓，從而在一定程度上補(bǔ)償由于溝道長(zhǎng)度縮短而導(dǎo)致的閾值電壓下降。

改進(jìn)晶體管結(jié)構(gòu)

三維晶體管（如FinFET）：通過(guò)引入三維結(jié)構(gòu)，可以增加晶體管的導(dǎo)電通道面積，從而在保持較小溝道長(zhǎng)度的同時(shí)提高器件的性能。FinFET等三維晶體管結(jié)構(gòu)能夠有效抑制短溝道效應(yīng)，提高電路的集成度和穩(wěn)定性。

多柵極晶體管：通過(guò)在晶體管中引入多個(gè)柵極來(lái)控制溝道中的電荷分布，可以進(jìn)一步減小短溝道效應(yīng)的影響。這種結(jié)構(gòu)能夠更精確地調(diào)控溝道中的電場(chǎng)分布，從而提高晶體管的開(kāi)關(guān)速度和穩(wěn)定性。

應(yīng)用先進(jìn)的制造工藝

原子層沉積（ALD）：利用ALD技術(shù)可以精確控制薄膜的厚度和均勻性，從而制備出高質(zhì)量的柵氧化層和界面層。這有助于減小柵極泄漏電流和界面態(tài)密度，進(jìn)而改善短溝道效應(yīng)。

電子束光刻（EBL）：EBL技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)高精度的圖案轉(zhuǎn)移，用于制造具有更小尺寸的晶體管。通過(guò)減小晶體管的物理尺寸，可以在一定程度上緩解短溝道效應(yīng)帶來(lái)的問(wèn)題。但需要注意的是，過(guò)小的尺寸也可能導(dǎo)致其他新的問(wèn)題出現(xiàn)，因此需要綜合考慮各種因素進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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