詳解短溝道效應和窄溝道效應,形成原因-KIA MOS管

短溝道效應和窄溝道效應

窄寬度效應

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；目前，由于淺溝道隔離工藝的應用，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。

短溝道效應

在CMOS器件工藝中，當導電溝道長度降低到十幾納米，甚至幾納米量級時，晶體管出現一些效應。這些效應主要包括閾值電壓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。

MOSFET短溝道效應和窄溝道效應

短溝道效應

器件溝道長度與源/漏結耗盡層寬度可比，溝道內自由載流子漂移速度達到飽和，偏離長溝道器件特性的現象即為短溝道效應。

具體而言，短溝道效應主要指：

（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，跨導下降；

（3）弱反型漏電流將隨溝道長度縮小而增加，并出現無法夾斷的情況。

短溝道效應,窄溝道效應

如下圖所示，長溝道MOSFET和短溝道MOSFET的關鍵區別在于前者的等電位線是一維的，而后者的是二維的。這是因為長溝道MOSFET的源、漏相距較遠，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,窄溝道效應

電荷分享模型（Poon-Yau）：

短溝道效應,窄溝道效應

窄溝道效應

研究發現，當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，這個現象稱為閾值電壓的窄溝道效應。

窄溝道效應起源于溝道寬度方向邊緣處表面耗盡區的側向擴展，這種側向擴展與柵電極在溝道區以外場氧化膜上的覆蓋有直接關系。下圖所示為一種典型的鋁柵MOSFET情況，為將柵電極引出，溝道兩側覆蓋區的長度不均等。由于場氧化膜的厚度遠大于柵氧化膜的厚度，柵極電壓使溝道區強反型時，柵電極下場區一般處于耗盡或弱反型，其耗盡層厚度小于強反型區，由此形成如下圖所示的表面耗盡區分布（紅色虛線）。

短溝道效應,窄溝道效應