詳解短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng),形成原因-KIA MOS管

短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)

窄寬度效應(yīng)

在CMOS器件工藝中，器件的閾值電壓Vth隨著溝道寬度的變窄而增大，即窄寬度效應(yīng)；目前，由于淺溝道隔離工藝的應(yīng)用，器件的閾值Q電壓 Vth 隨著溝道寬度的變窄而降低，稱為反窄寬度效應(yīng)。

短溝道效應(yīng)

在CMOS器件工藝中，當(dāng)導(dǎo)電溝道長度降低到十幾納米，甚至幾納米量級時，晶體管出現(xiàn)一些效應(yīng)。這些效應(yīng)主要包括閾值電壓Vth隨著溝道長度降低而降低，載流子表面散射，速度飽和，離子化和熱電子效應(yīng)。

MOSFET短溝道效應(yīng)和窄溝道效應(yīng)

短溝道效應(yīng)

器件溝道長度與源/漏結(jié)耗盡層寬度可比，溝道內(nèi)自由載流子漂移速度達(dá)到飽和，偏離長溝道器件特性的現(xiàn)象即為短溝道效應(yīng)。

具體而言，短溝道效應(yīng)主要指：

（1）閾值電壓隨溝道長度的下降而下降（如圖所示）；

（2）溝道長度縮短后，源漏間高電場使載流子遷移率下降，跨導(dǎo)下降；

（3）弱反型漏電流將隨溝道長度縮小而增加，并出現(xiàn)無法夾斷的情況。

短溝道效應(yīng),窄溝道效應(yīng)

如下圖所示，長溝道MOSFET和短溝道MOSFET的關(guān)鍵區(qū)別在于前者的等電位線是一維的，而后者的是二維的。這是因?yàn)殚L溝道MOSFET的源、漏相距較遠(yuǎn)，源漏耗盡層彼此分離，不影響柵極下面的電場。而短溝道MOSFET的源、漏之間的距離與耗盡層垂直方向的寬度可比，因此，對能帶彎曲有影響，對柵極下面的電場也有影響。

短溝道效應(yīng),窄溝道效應(yīng)

電荷分享模型（Poon-Yau）：

短溝道效應(yīng),窄溝道效應(yīng)

窄溝道效應(yīng)

研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MOSFET的溝道寬度Wdm很小時，閾值電壓隨溝道寬度的減小而增大，這個現(xiàn)象稱為閾值電壓的窄溝道效應(yīng)。

窄溝道效應(yīng)起源于溝道寬度方向邊緣處表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴(kuò)展，這種側(cè)向擴(kuò)展與柵電極在溝道區(qū)以外場氧化膜上的覆蓋有直接關(guān)系。下圖所示為一種典型的鋁柵MOSFET情況，為將柵電極引出，溝道兩側(cè)覆蓋區(qū)的長度不均等。由于場氧化膜的厚度遠(yuǎn)大于柵氧化膜的厚度，柵極電壓使溝道區(qū)強(qiáng)反型時，柵電極下場區(qū)一般處于耗盡或弱反型，其耗盡層厚度小于強(qiáng)反型區(qū)，由此形成如下圖所示的表面耗盡區(qū)分布（紅色虛線）。

短溝道效應(yīng),窄溝道效應(yīng)

若考慮表面耗盡區(qū)的側(cè)向擴(kuò)展，柵電極上正電荷發(fā)出的場強(qiáng)線除大部分終止于柵氧化層下耗盡區(qū)電離受主以外，還有一部分場強(qiáng)線終止于側(cè)向擴(kuò)展區(qū)電離受主，結(jié)果是使終止于反型層的場強(qiáng)線數(shù)目減少，溝道電荷減少，電阻增大，從而使有效閾值電壓上升。

短溝道效應(yīng),窄溝道效應(yīng)