考虑源漏电场的准二维MOSFET阈值电压模型

摘要

半导体技术的迅速发展，给各行各业带来了巨大的变化，极大地提高了劳动生产力和人们的生活质量。于此同时也给半导体和集成电路本身带来了严峻的挑战，即它的产品飞速的更新换代，种类繁多，因此需要研究者和业界不断的开发新技术，跟上发展的步伐。体硅CMOS技术已经发展成为微电子产品的主导技术。按照器件按比例缩小的理论，随着CMOS技术的发展，一代又一代的新产品不断发展，集成密度和电路性能每三年提高了好几倍。可以说CMOS器件的尺寸已进入到深亚微米乃至纳米时代，其器件物理与工艺也越来越复杂，需要人们不断采用新的器件结构、新的材料和新的工作原理来突破原有的极限。
　　 目前，器件尺寸不断缩小产生了一系列影响器件性能的物理效应，有人认为CMOS技术已经越来越接近基本物理极限，因此有必要考虑CMOS发展的潜在能力，以及进入到纳米范围的CMOS的发展方向，尽管人们依靠常规的按比例缩小规律已经获得了巨大收益，但是花费的成本也越来越昂贵。在这种情况下，改进器件结构设计和使用新型材料会对CMOS技术的进一步发展起到很好的推动作用。阈值电压是描述MOSFET器件的开关特性的重要参数，分析MOS晶体管的阈值电压一个基本要求就是得到表面势。对于长沟道器件来说，源-衬结及漏-衬结沿沟道的耗尽层可以在沟道中忽略。在弱反型和耗尽区，在沟道中不考虑源漏端两个结耗尽层的部分，沟道中表面势可以看做常数，我们仅考虑这部分表面势来计算。对于短沟道器件来说，源和漏端的结电场对于表面势的影响是非常重要的。相对于很小的沟道长度我们不能忽略交界区，它们构成了沟道中重要的一部分。
　　 传统的阈值电压模型没有考虑源和漏端的结电场作用，当尺寸减小时，源和漏端的结电场作用对阈值电压产生的影响不容忽视。本文从高斯定理出发，结合数值模拟，建立一个准二维阈值电压模型。首先对源、漏端的p-n结作突变结近似，求出源、漏端p-n结空间电荷区电场强度，在沟道区中，运用高斯定理，忽略可动载流子，考虑源、漏电场作用，拟合一个与源、漏结电场有关的参数，建立MOSFET阈值电压模型。在经典模型中，根据表面势得到耗尽层厚度，在本文建立的模型中，同样可以得到耗尽层厚度与表面势的关系，假定耗尽层厚度刚好等于经典模型的耗尽层厚度，器件刚好反型，那么此时所加栅压为阈值电压。把求得的表面势代入经典阈值电压公式，可以求得阈值电压值。
　　 针对以上假设，本文在同一模型中通过数值模拟和理论计算验证，首先与源、漏结电场相关的参数可以拟合成一个函数来表示，改变不同的参数运用medici仿真和MATLAB计算，对得到的理论值与仿真值进行比较，从而证明得到的阈值电压表达式是正确的。