详解短沟道效应和窄沟道效应,形成原因-KIA MOS管

短沟道效应和窄沟道效应

窄宽度效应

在CMOS器件工艺中，器件的阈值电压Vth随着沟道宽度的变窄而增大，即窄宽度效应；目前，由于浅沟道隔离工艺的应用，器件的阈值Q电压 Vth 随着沟道宽度的变窄而降低，称为反窄宽度效应。

短沟道效应

在CMOS器件工艺中，当导电沟道长度降低到十几纳米，甚至几纳米量级时，晶体管出现一些效应。这些效应主要包括阈值电压Vth随着沟道长度降低而降低，载流子表面散射，速度饱和，离子化和热电子效应。

MOSFET短沟道效应和窄沟道效应

短沟道效应

器件沟道长度与源/漏结耗尽层宽度可比，沟道内自由载流子漂移速度达到饱和，偏离长沟道器件特性的现象即为短沟道效应。

具体而言，短沟道效应主要指：

（1）阈值电压随沟道长度的下降而下降（如图所示）；

（2）沟道长度缩短后，源漏间高电场使载流子迁移率下降，跨导下降；

（3）弱反型漏电流将随沟道长度缩小而增加，并出现无法夹断的情况。

短沟道效应,窄沟道效应

如下图所示，长沟道MOSFET和短沟道MOSFET的关键区别在于前者的等电位线是一维的，而后者的是二维的。这是因为长沟道MOSFET的源、漏相距较远，源漏耗尽层彼此分离，不影响栅极下面的电场。而短沟道MOSFET的源、漏之间的距离与耗尽层垂直方向的宽度可比，因此，对能带弯曲有影响，对栅极下面的电场也有影响。

短沟道效应,窄沟道效应

电荷分享模型（Poon-Yau）：

短沟道效应,窄沟道效应

窄沟道效应

研究发现，当MOSFET的沟道宽度Wdm很小时，阈值电压随沟道宽度的减小而增大，这个现象称为阈值电压的窄沟道效应。

窄沟道效应起源于沟道宽度方向边缘处表面耗尽区的侧向扩展，这种侧向扩展与栅电极在沟道区以外场氧化膜上的覆盖有直接关系。下图所示为一种典型的铝栅MOSFET情况，为将栅电极引出，沟道两侧覆盖区的长度不均等。由于场氧化膜的厚度远大于栅氧化膜的厚度，栅极电压使沟道区强反型时，栅电极下场区一般处于耗尽或弱反型，其耗尽层厚度小于强反型区，由此形成如下图所示的表面耗尽区分布（红色虚线）。

短沟道效应,窄沟道效应