短溝道效應(yīng)詳解,dibl效應(yīng)分析-KIA MOS管

mosfet短溝道效應(yīng)

短溝道效應(yīng)（short-channel effects）是當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管的導(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)的一些效應(yīng)。這些效應(yīng)主要包括閾值電壓隨著溝道長度降低而降低、漏致勢壘降低、載流子表面散射、速度飽和、離子化和熱電子效應(yīng)。

在半導(dǎo)體器件設(shè)計中，短溝道效應(yīng)（ShortChannelEffect,SCE）是指當(dāng)MOSFET的溝道長度（L）縮小到與耗盡區(qū)寬度相當(dāng)時，器件的電學(xué)特性（如閾值電壓VT、亞閾值擺幅SS、漏電流leakagecurrent等）顯著偏離長溝道行為的現(xiàn)象。隨著工藝節(jié)點(diǎn)進(jìn)入納米尺度（如5nm、3nm），SCE成為制約器件性能和可靠性的核心挑戰(zhàn)之一。

圖1長溝道(a)和短溝道(b)的MOSFET，虛線表示耗盡區(qū)域

如圖1所示，由源極和漏極擴(kuò)散區(qū)域形成的耗盡區(qū)，會在摻雜最少的結(jié)的一側(cè)延伸，也就是在襯底中延伸。對于長溝道晶體管而言，與柵極總長度相比，這些耗盡區(qū)的延伸可以忽略不計，并且這種影響對晶體管的電學(xué)特性的作用也微乎其微（圖1.a）。

然而，隨著柵極長度的縮小，耗盡區(qū)的延伸長度變得與溝道長度相當(dāng)，柵極會部分失去對溝道的控制（圖1.b）。結(jié)果，在短溝道長度下會出現(xiàn)“閾值電壓滾降（VTHroll-off）”效應(yīng)（圖2.）。

此外，如果在漏極施加偏壓（通常源極接地），漏極擴(kuò)散區(qū)域的耗盡區(qū)會在溝道內(nèi)進(jìn)一步加深，從而減小有效柵極長度——溝道長度調(diào)制效應(yīng)，因此在VDS=VGS-VTH以上，電流不會飽和。當(dāng)VDS值更高時，漏極耗盡區(qū)會進(jìn)一步延伸到襯底，直至與源極耗盡區(qū)重疊。

因此，在短溝道晶體管中，漏極偏壓會進(jìn)一步削弱柵極的控制能力。由于強(qiáng)漏極偏壓導(dǎo)致源極/漏極耗盡區(qū)的這種重疊，會使Source與Bulk結(jié)處的勢壘降低。由此導(dǎo)致的閾值電壓降低就定義了漏致勢壘降低（DIBL）效應(yīng)。

總體結(jié)果是，隨著柵極長度的縮小，閾值電壓降低，當(dāng)晶體管處于飽和區(qū)時，這種現(xiàn)象更為明顯（圖2）。

dibl效應(yīng)

漏致勢壘降低效應(yīng)（Drain-Induced Barrier Lowering，DIBL）是金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)管（MOSFET）中的重要物理效應(yīng)，表現(xiàn)為漏極電壓升高時源極勢壘高度降低，導(dǎo)致器件閾值電壓下降。

當(dāng)溝道長度縮短至納米級時，漏極耗盡層電場會穿透至源端區(qū)域，導(dǎo)致源結(jié)勢壘高度降低，形成柵極無法控制的漏電流通道。該效應(yīng)直接造成閾值電壓下降和亞閾值電流陡增，導(dǎo)致器件關(guān)斷失效。

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