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1、栅和体电流模型栅和体电流模型第1页，共47页，编辑于2022年，星期六课程安排课程安排q一、概述一、概述q二、二、MOSMOS电容电容q三、长沟三、长沟MOSFETMOSFET的理论与直流特性的理论与直流特性q四、实际四、实际MOSMOS晶体管的直流模型晶体管的直流模型q五、体电流模型和栅电流模型五、体电流模型和栅电流模型q六、六、MOSFET MOSFET中的噪声中的噪声q七、先进七、先进MOSFETMOSFET模型模型q八、八、MOSFET MOSFET模型参数提取模型参数提取2第2页，共47页，编辑于2022年，星期六体和栅电流模型体和栅电流模型池雅庆池雅庆国防科技大学计算机学院国防科技
2、大学计算机学院微电子与微处理器研究所微电子与微处理器研究所 201 2014 4年年4 4月月IbIGSGDn+n+p-Si第3页，共47页，编辑于2022年，星期六参考文献参考文献q用于用于VLSIVLSI模拟的小尺寸模拟的小尺寸MOSMOS器件模器件模型型理论与实践第八章理论与实践第八章qS.Tam,P.K.Ko,C.Hu.Lucky-S.Tam,P.K.Ko,C.Hu.Lucky-electron model of channel hot electron model of channel hot electron injection in MOSFETs.IEEE electron i
3、njection in MOSFETs.IEEE Trans.Electron Devices,1984,31,1116-Trans.Electron Devices,1984,31,1116-112511254第4页，共47页，编辑于2022年，星期六提纲提纲1235第5页，共47页，编辑于2022年，星期六热载流子效应热载流子效应635nm35nmGate LengthGate Length35 nm processp器件尺寸等比例缩小器件尺寸等比例缩小栅氧化层厚度持续减小栅氧化层厚度持续减小氧化层中垂直电场迅速增加氧化层中垂直电场迅速增加u u栅氧电场超过栅氧电场超过1MV/cm1MV/
4、cm沟道电场迅速增加u u沟道电场超过沟道电场超过0.1MV/cm0.1MV/cm强电场使载流子速度升高强电场使载流子速度升高u u高能载流子产生的可靠性问题高能载流子产生的可靠性问题即热载流子效应即热载流子效应第6页，共47页，编辑于2022年，星期六7体电流和漏电流来源体电流和漏电流来源p热载流子效应热载流子效应现象u u漏端高电场 热电子u u热电子碰撞电离 形成体电流 Ibu u热电子注入栅SiO2层 形成IGu u引起界面陷阱 u u器件性能退化与IG有关.IbIGSGDn+n+p-SiSi/SiO2界面势垒Eb:3.15eV(电子);3.8eV(空穴).第7页，共47页，编辑于20
5、22年，星期六8体电流和漏电流来源体电流和漏电流来源p热载流子效应热载流子效应影响u u Ib 流过衬底而形成“源-衬底-漏”(n-p-n)的寄生晶体管使短沟器件易发生漏源击穿和I-V曲线回滞；在CMOS电路中将导致闩锁效应u u热电子注入栅极将严重影响 MOS的可靠性 热电子退化IbIGSGDn+n+p-SiSi/SiO2界面势垒Eb:3.15eV(电子);3.8eV(空穴).第8页，共47页，编辑于2022年，星期六9体电流（衬底电流）模型体电流（衬底电流）模型p体电流产生体电流产生碰撞电离碰撞电离对n沟MOS，热电子从源到漏漂移的过程中发生碰撞电离而产生空穴，这些空穴被衬底收集便形成了体
6、电流Ib可将Ib表示为 （1）其中Id是漏极电流，M是碰撞电离雪崩倍增因子：（2）n是电子的碰撞电离系数，强烈依赖于沟道电场E第9页，共47页，编辑于2022年，星期六10体电流模型（体电流模型（2）p碰撞电离模型碰撞电离模型由于IbId（小3-5个数量级），因此可以将Ib看成很低水平的雪崩电流，化简（1）（2）可得 （3）y=0为碰撞电离起点，y为距起点距离，Li为漏端附近碰撞电离终点。一种n模型为 （4）第10页，共47页，编辑于2022年，星期六11体电流模型（体电流模型（3）p碰撞电离模型碰撞电离模型代入（3）得 （5）nAi（cm-1）Bi（V/cm)表面2.451061.92106
7、体区0.7031061.23106第11页，共47页，编辑于2022年，星期六12体电流模型（体电流模型（4）p碰撞电离模型碰撞电离模型碰撞电离可以发生在表面也可以发生在体内，且在低电场下也有体电流，该过程同样重要。所以一般把Ai和Bi作为体电流模型中的可调参数。n与电场呈指数关系，因此最大电场处的碰撞电离起主导作用。MOS中最大电场位于漏端，则可认为碰撞电离积分（3）主要由漏端的最大电场Em决定。第12页，共47页，编辑于2022年，星期六13体电流模型（体电流模型（5）p碰撞电离模型碰撞电离模型为求解为求解I Ib b，须知道电场分布。，须知道电场分布。根据第四章沟道电场模型根据第四章沟道
8、电场模型（或见（或见用于用于VLSIVLSI模拟的小尺寸模拟的小尺寸MOSMOS器件模型理论与实践器件模型理论与实践6.7.36.7.3节）节）在速度饱和区域中的沟道电场分布在速度饱和区域中的沟道电场分布（回忆直流模型）（回忆直流模型）为为 （6 6）其中其中 （7 7），），t toxox为栅氧厚度，为栅氧厚度，X Xi i为结深为结深 E EC C=410=4104 4V/cmV/cm则速度饱和区域中最大电场则速度饱和区域中最大电场 （8 8）第13页，共47页，编辑于2022年，星期六14体电流模型（体电流模型（6）p碰撞电离模型碰撞电离模型变换积分变量变换积分变量dydy为为(dy/d
9、E)dE(dy/dE)dE，则，则 （9 9）（1010）（1111）A.Erdelyi.Asymptotic Expansions.Dover Publications Inc,New York,1956第14页，共47页，编辑于2022年，星期六15体电流模型（体电流模型（7）p碰撞电离模型碰撞电离模型代入代入 ，则，则 （1212）实际应用中，实际应用中，可拟合成可拟合成 的形式，由的形式，由EEEEmm,则则（1010）式可变为）式可变为 (13)(14)(13)(14)第15页，共47页，编辑于2022年，星期六16体电流模型（体电流模型（8）p体电流分析体电流分析对长沟厚栅器件对对
10、toxox15nm，LVVdsds时，线性区，时，线性区，Vdsds，则，则Id d，Ig g；当固定Vds、V VgsVdsds时，时，V Vgsgs ，I Id d ，最终，最终Ig g；当固定Vdsds、VgsgsVVdsds时，时，V Vgsgs ，E Em ，最终，最终I Ig g 。0 014141010-9-9V Vdsds（V V）I Ig g（uAuA）1010-14-140 05 51010-12-12V Vgsgs（V V）I Ig g（uAuA）1010-14-14栅电流模型（栅电流模型（7）第30页，共47页，编辑于2022年，星期六31pPMOS的栅电流的栅电流当当
11、V Vgsgs较小时，较小时，PMOSPMOS的栅电流由雪崩热电子（空穴的碰撞的栅电流由雪崩热电子（空穴的碰撞电离产生）形成，而不是沟道热空穴形成的。电离产生）形成，而不是沟道热空穴形成的。当当 V Vgsgs 较高时，栅电流则由热空穴组成。较高时，栅电流则由热空穴组成。当当V Vgsgs较小时，虽然较小时，虽然PMOSPMOS中雪崩热电子的数量比中雪崩热电子的数量比NMOSNMOS小小几个数量级，但是几个数量级，但是PMOSPMOS的栅电流却大于相应尺寸的的栅电流却大于相应尺寸的NMOSNMOS。这是因为在这是因为在PMOSPMOS中，中，V Vgsgs V Vdsds 时，时，E Eoxo
12、x太小。太小。栅电流模型（栅电流模型（8）第31页，共47页，编辑于2022年，星期六32pPMOS的的Ig计算计算由于PMOS的栅电流是由空穴碰撞电离产生的雪崩热电子形成的，所以可以把NMOS栅电流公式中的Id替换为Ib来作为PMOS的栅电流公式。（7 7）栅电流模型（栅电流模型（9）第32页，共47页，编辑于2022年，星期六提纲提纲12333第33页，共47页，编辑于2022年，星期六34p pSOI MOSSOI MOSpFIN FETp pHigh-kHigh-k先进先进MOS结构结构第34页，共47页，编辑于2022年，星期六35p p厚膜厚膜厚膜厚膜SOI-MOSSOI-MOS
13、有源硅膜层较厚有源硅膜层较厚,在正面耗在正面耗尽层和背面耗尽层之间存在有尽层和背面耗尽层之间存在有导电的中性区。导电的中性区。p p薄膜薄膜薄膜薄膜SOI-MOSSOI-MOS背面可有耗尽、积累和反型背面可有耗尽、积累和反型3 3 类类 (在在VLSIVLSI中多用中多用 耗尽类耗尽类)。p中等膜厚中等膜厚SOI-MOS可以是厚膜可以是厚膜FET,FET,也可是薄膜也可是薄膜FET(FET(决定于背栅电压决定于背栅电压)。SOI MOS35背栅(衬底)pn+n+VGbVGfVDSSDGfGb隐埋氧化层第35页，共47页，编辑于2022年，星期六36 薄膜SOI-MOSFET的阈值电压:*背面积
14、累状态 VT(积累)=VFBf +(1+Cs /Cif)2B-QB/(2 Cif).VFBf=ms-Qf/Cif B=(kT/q)ln(NA/ni)Cs=0/ts QB=-qNAts *背面耗尽状态 该状态因短沟特性和亚阈特性优良而在VLSI中多用.VT(耗尽)=VT(积累)(VGb VGb积累).CS CibCif (CS+Cib)第36页，共47页，编辑于2022年，星期六37 SOI-MOSFET的电流特性:*饱和电流 IDsat=(VGf-VT)2 ;对厚膜(体硅)SOI-MOSFET:1=CD/Cif.对背面全耗尽的薄膜SOI-MOSFET:2=CS Cib /Cif(CS+Cib)
15、.对背面全积累的薄膜SOI-MOSFET:3=CS/Cif.一般有:2 1 3.*背面全耗尽的薄膜器件的饱和电流最大背面全耗尽的薄膜器件的饱和电流最大,背面全积累的薄膜背面全积累的薄膜 器件的电流最小器件的电流最小.所以背面全耗尽的薄膜SOI-MOSFET具有较大的 电流驱动能力,相应的IC具有较好的速度特性.Z n Cif2 L(1+)第37页，共47页，编辑于2022年，星期六38 SOI-MOSFET的亚阈区摆幅:*亚阈值斜率的表示 S (kT/q)(ln 10)(1+),2 1.5XjL1.5Xj通过以上等效后，通过以上等效后，FIN FETFIN FET可等效于薄膜可等效于薄膜SOI
16、 MOSSOI MOSFIN FET模型模型第41页，共47页，编辑于2022年，星期六42pFIN FET的开关特性的开关特性的开关特性的开关特性阈值电压：阈值电压：0.196V0.196V亚阈斜率：亚阈斜率：72mV/decade72mV/decade关态电流：关态电流：70nA/um70nA/umDIBLDIBL：64.67 mV/V64.67 mV/VFIN FET特性特性Lg=15nmLg=30nm第42页，共47页，编辑于2022年，星期六43p pFIN FETFIN FET的电流模型的电流模型的电流模型的电流模型改进最简单的平方律模型改进最简单的平方律模型FIN FET电流模型
17、电流模型第43页，共47页，编辑于2022年，星期六44p pFIN FETFIN FET的载流子迁移率的载流子迁移率更短的沟长引起速度过冲，迁移率提高更短的沟长引起速度过冲，迁移率提高阈值电压降低减小了垂直电场，表面迁移率提高阈值电压降低减小了垂直电场，表面迁移率提高p pFIN FETFIN FET的隧穿效应的隧穿效应栅氧隧穿栅氧隧穿PNPN结隧穿结隧穿FIN FET特性特性第44页，共47页，编辑于2022年，星期六45p pSOI MOSSOI MOSp pFIN FETFIN FETp pHigh-kHigh-k先进先进MOS结构结构第45页，共47页，编辑于2022年，星期六46p
18、 p使用介电常数更高的绝缘材料来作为栅氧化层，可使用介电常数更高的绝缘材料来作为栅氧化层，可使用介电常数更高的绝缘材料来作为栅氧化层，可使用介电常数更高的绝缘材料来作为栅氧化层，可以在更厚的情况下控制同样多的电子以在更厚的情况下控制同样多的电子以在更厚的情况下控制同样多的电子以在更厚的情况下控制同样多的电子High-k栅氧结构栅氧结构ElectrodeSi substrateToxSiO2TKHigh-k MaterialElectrodeSi substrate第46页，共47页，编辑于2022年，星期六47High-k栅氧模型栅氧模型ElectrodeSi substrateToxSiO2TKHigh-k MaterialElectrodeSi substratep pFIN High-k MOSFIN High-k MOS模型模型模型模型等效栅氧厚度等效栅氧厚度EOT=TEOT=Tox ox=T=TK K(3.9/K)(3.9/K)等效等效Cox=eox/ToxHfO2(K15-30)HfSiOx(K12-16)第47页，共47页，编辑于2022年，星期六