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CMOS——短溝道效應詳細分析-KIA MOS管

信息來源:本站 日期:2021-10-08 

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CMOS——短溝道效應詳細分析-KIA MOS管


什么是短溝道效應?

在半導體的制造中,始終遵循著摩爾定律,于是集成電路的尺寸持續減小,于是MOSFET的溝道長度也相應地縮短,這就導致了MOSFET管中的S和D(源和漏)的距離越來越短;


因此柵極對溝道的控制能力變差,這就意味著柵極電壓夾斷(pinch off)溝道的難度變大,于是使得亞閾值漏電(subthreshold leakage)現象,即短溝道效應(short-channel effect)更加容易發生。


胡正明教授對此給了個非常容易理解的例子:當一條水管很長的時候,那么用一塊石頭就可以很容易將其堵住(或者踩一腳),但是,當它很短的時候,這塊石頭就可能堵不住水管了,因為它可能放不下了,這就對應上段說的,溝道越短越難堵住電流(防止漏電)


短溝道效應影響因素

有下列五種,簡單講就是溝道短了容易漏電

(1)由于電源電壓沒能按比例縮小而引起的電場增大;

(2)內建電勢既不能按比例縮小又不能忽略;

(3)源漏結深不能也不容易按比例減小;

(4)襯底摻雜濃度的增加引起載流子遷移率的降低;

(5)亞閾值斜率不能按比例縮小


為了減小短溝道效應的影響,提出了應變硅技術、高K電介質氧化層、金屬柵、SOI等新方法以改善器件性能。


然而,在28 nm以下工藝節點,平面MOSFET器件結構中,柵極對溝道的有效控制面臨嚴峻挑戰,而革新的三維立體器件結構,如Fin FET結構具有更有效的柵極控制,可獲得更優異的器件性能。


為什么增加溝道接觸面可以緩解短溝道的發生? 也就是下面FinFET工藝原文中實驗部分的證明。


FinFET工藝

鰭式場效應晶體管FinFET的概念最初源于雙柵MOS晶體管的構想,通過增加柵極與溝道的接觸面積來增強對導電溝道的控制。


下面是FinFET的立體模型(三鰭):

MOS 短溝道效應


由于溝道接觸面的增長,可以從一定程度上緩解短溝道效應,從而將芯片制程繼續下探;


三星有個改良版——GAA(gate all around),它大概長這樣,可以清楚看到,思路大體上還是不變的,溝道面積計算由之前的3面變成4面而已。


MOS 短溝道效應


總結

溝道短了——短溝道效應——新材料、FinFET工藝等緩解(k值(介電常數)與面積)




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