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2022年,集成电路半导体行业最热的头条是“EDA被全面封锁”。如何突破EDA封锁,成为行业发展的关键词,也是群体焦虑。在全球市场,有人比喻EDA是“芯片之母”,如果没有了芯片,工业发展和社会进步将处处受制,EDA的重要性也上升到了战略性高度。尽管国际封锁形势严峻,但睿智的中国科技人擅于把危机化为机会,从《加快自主研发应用,让工业软件不再卡脖子》,到《破解科技卡脖子要打好三张牌》,即一要打好“基础牌”,提升基础创新能力;二要打好“应用牌”,加强对高精尖国货的应用;三是要打好“人才牌”,让人才留得住、用得上、有发展……,各种政策、举措和实际行动,处处彰显了我们中国科技的发展韧性。

我们EDA探索频道,今天迎来了第10期的特别内容——窄沟道效应与反窄沟道效应,下面就跟着小编一起来开启今天的探索之旅吧~

一般我们看到的MOSFET大多是这样的。

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Intel 90nm-32nm 器件照片:来自Xiao, H. 3D IC Devices. In Technologies, and Manufacturing; Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE): Bellingham, WA, USA, 2016

从这个方向上包括了尽可能多的、我们感兴趣的信息,比如栅极(多晶硅,金属)、侧墙、源漏和沟道等等。但是实际上,集成电路和器件是一个非常复杂的系统。从更大视角俯视的角度来看,是这样子的。

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集成电路俯视照片:来自R.S. Rai, S. Subramanian / Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 55 (2009) 63e97

其中栅极方向与有源区方向呈垂直交错,中间白色的区域就是隔离区,或称为场区。我们最常见的照片是沿着有源区方向做截面的,如果沿着栅极方向做截面,则可以看到完整的沟道和场氧化层的截面。

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MOS器件剖面图:来自R.S. Rai, S. Subramanian / Progress in Crystal Growth and Characterization of Materials 55 (2009) 63e97

从上图a中,我们可以读到“沟道长度”,而从b中我们可以读到“沟道宽度”。实际上的沟道宽度往往要大于沟道长度,有些时候甚至是远远大于。这与我们平时把矩形的长边长度叫“长度”,短边长度叫“宽度”的习惯不同。

当MOSFET微缩时,更复杂的物理效应往往会凸显出来。对于沟道长度的减小,我们称为“短沟道效应“,包括DIBL,源漏穿通等等。同样的情况在沟道宽度上也有对应,一般称为NWE(Narrow Width Effect),中文称为”窄沟道效应“或”窄宽度效应“。

在沟道宽度很大的时候,沟道边缘对于整体性能的影响较小,可以忽略不计。当沟道长度进入亚微米时代后,沟道宽度也相应地缩短了很多,NWE变得显著起来。NWE对于器件的影响主要体现在阈值电压上。基于历史发展脉络,早期基于LOCOS隔离工艺的器件上,NWE会引起阈值电压的上升。而器件隔离方式进入STI时代之后,NWE反而会引起阈值电压的下降,由于与之前表现的方向相反,所以又被称为反向窄沟道效应,INWE(Inverse Narrow Width Effect)。

无论是NWE,还是INWE。其本质都是沟道边缘,场氧化层和栅极共同作用的寄生效应。其与场氧化层的形态,沟道的掺杂和应力都有关系。因此会表现出比较复杂的行为。

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NWE和RNWE示意图:来自Lecture Notes, Advanced Topics in Semiconductor Technology – Three-Dimensional Transistor Technologies, UC Berkeley

基于对NEW的研究,可以有一系列的方式对其进行调控,从而尽量减小其实际的影响。

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三星20nm CMOS工艺NWE:来自“Bulk Planar 20nm High-K/Metal Gate CMOS Technology Platform for Low Power and High Performance Applications,” IEEE International Electron Devices Meeting Technical Digest, pp. 350-353, 2011.

而在另一方面,鲁迅先生说过,如果不能改变它,就可以尝试利用它。在已经NEW效应的情况下,从器件设计的角度也可以利用这一特性对物理设计进行一定的修改,从而在一定程度上优化电路的性能。

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根据INWE对与非门版图的修改:来自郑凯磊等 40nm工艺下反向窄沟道效应对VLSI电路设计的影响

(文章来源:鸿之微)

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