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窄沟道效应

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  当场效应晶体管的沟道宽度约等于源和漏结的耗尽层宽度时,即为所谓“窄沟道”器件。在器件结构的尺寸缩小时,不仅沟道长度变短,宽度也将按同比例在缩小,于是就会出现窄沟道器件。器件的阈值电压等性能因为沟道变窄而发生变化的现象即称为窄沟道效应——晶体管的阈值电压升高。

  当场效应晶体管的沟道宽度约等于源和漏结的耗尽层宽度时,即为所谓“窄沟道”器件。在器件结构的尺寸缩小时,不仅沟道长度变短,宽度也将按同比例在缩小,于是就会出现窄沟道器件。器件的阈值电压等性能因为沟道变窄而发生变化的现象即称为窄沟道效应——晶体管的阈值电压升高。

  沟道变窄使阈值电压发生变化的物理本质是:栅电极的“边缘场”使得场氧化层下的表面耗尽区的空间电荷有所增加(即产生了额外电荷ΔQ),则使阈值电压增大。当沟道宽度较大时,耗尽层向两侧的扩展部分可以忽略;但是沟道变窄时,边缘场造成的耗尽层扩展变得不可忽略,这样,耗尽层电荷量比原来计算的要大,这就产生了窄沟道效应——使阈值电压会有一个增量。栅极宽度越小,ΔQ所占总空间电荷的比例也就越大,则NWE的影响就越大。基于这种边缘场的概念来计算NWE的阈值电压,有Jeppson简单模型和Akers模型等。因此,为了减小NWE,应该减薄栅SiO2层的厚度,以使边缘场减小。

  对于VLSI中的实际小尺寸MOSFET而言,发生NWE的机理往往不是“边缘场”的关系,而是工艺问题所致:因为这里总有高剂量的场区离子注入,在退火时离子会产生侧向扩散,使得沟道区的有效杂质浓度升高,从而导致阈值电压增高。因此,在减弱窄沟道效应所采取的措施上,就需要从工艺技术方面来考虑。

  由于短沟道效应(SCE)将引起阈值电压下降,这正好与窄沟道效应的影响相反。因此在特殊尺寸条件下,二者可以相互补偿,从而可使得小尺寸器件的阈值电压与大尺寸器件的一样。

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