一、短溝道效應(yīng)概覽
在半導(dǎo)體器件持續(xù)微型化的進(jìn)程中，當(dāng)金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)管（MOSFET）的導(dǎo)電溝道長(zhǎng)度縮至十幾納米，乃至幾納米量級(jí)時(shí)，晶體管會(huì)呈現(xiàn)出一系列獨(dú)特的物理效應(yīng)，即短溝道效應(yīng)。這些效應(yīng)囊括了閾值電壓隨溝道長(zhǎng)度縮減而降低、漏致勢(shì)壘降低、載流子表面散射、速度飽和、離子化以及熱電子效應(yīng)等多個(gè)方面，對(duì)MOSFET的性能產(chǎn)生深遠(yuǎn)且復(fù)雜的影響。
二、基于能帶圖的深入解析
以NMOS為例，當(dāng)僅在柵極施加電壓Vgs時(shí)，Vgs會(huì)使柵極表面的能帶下移（如典型圖例所示），這有助于電子穿越溝道。然而，由于此時(shí)漏極未施加電壓，源極和漏極間的能帶位置保持不變，因此并無(wú)電流流過(guò)。而當(dāng)漏極電壓施加后，漏極處的能帶被下拉，進(jìn)而在源極-溝道-漏極之間構(gòu)建起能級(jí)差，電子得以沿著此路徑流動(dòng)，形成電流。
從能帶圖角度對(duì)短溝道效應(yīng)深入剖析可得：
（一）漏電流增大
對(duì)于短溝道MOS管，源極和漏極間距極小，致使溝道的能帶被下拉，這使得器件在截止?fàn)顟B(tài)下漏電流顯著增加。歸根結(jié)底是溝道勢(shì)壘降低，常溫下熱激發(fā)的電子更容易跨越勢(shì)壘，從源極遷移至漏極，對(duì)亞閾值漏電流影響頗為顯著。
（二）漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）
一旦增大漏源電壓（Vds），鑒于源極和漏極間距過(guò)近，漏極勢(shì)壘的下降會(huì)引發(fā)溝道勢(shì)壘同步下降，進(jìn)而導(dǎo)致溝道電流Id對(duì)Vds的敏感性大幅提升，這便是業(yè)內(nèi)所熟知的漏致勢(shì)壘降低效應(yīng)（DIBL）。這一效應(yīng)在短溝道器件中極為突出，嚴(yán)重時(shí)可致使源漏穿通，使器件徹底失效。
三、短溝道效應(yīng)對(duì)MOSFET器件性能的多維度影響
（一）閾值電壓下降
在短溝道MOSFET中，當(dāng)漏極電壓處于較高水平時(shí)，源極和漏極電壓會(huì)對(duì)溝道內(nèi)的電荷分布產(chǎn)生顯著影響，導(dǎo)致閾值電壓與柵極長(zhǎng)度密切相關(guān)且急劇下降。這種閾值電壓的不穩(wěn)定直接降低了器件的成品率，給半導(dǎo)體制造工藝帶來(lái)巨大挑戰(zhàn)。
（二）漏致勢(shì)壘降低（DIBL）
隨著漏源電壓的升高，漏襯反偏PN結(jié)空間電荷區(qū)擴(kuò)展，致使溝道的有效長(zhǎng)度縮短。這一現(xiàn)象在短溝道器件中尤為凸顯，嚴(yán)重時(shí)會(huì)引發(fā)源漏穿通，使器件徹底失效，對(duì)器件的可靠性構(gòu)成嚴(yán)重威脅。
（三）亞閾值系數(shù)（S）惡化
短溝道效應(yīng)致使亞閾值電流攀升，進(jìn)而使亞閾值系數(shù)惡化。這會(huì)顯著影響器件的開關(guān)速度和功耗，降低電路的能效比，阻礙高性能集成電路的發(fā)展。
（四）電流非飽和
在短溝道器件中，漏極電流并不會(huì)隨著漏極電壓的持續(xù)增加而無(wú)限制地增大，而是會(huì)在達(dá)到一定值后趨于飽和。這主要?dú)w因于溝道縮短使得載流子速度飽和效應(yīng)變得顯著，這一特性改變了器件的傳統(tǒng)電流-電壓特性曲線，對(duì)電路設(shè)計(jì)提出新的要求。
（五）熱載流子效應(yīng)
隨著器件尺寸的不斷縮小，器件內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度急劇增強(qiáng)，尤其是在漏結(jié)附近形成強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域。這使得載流子獲得足夠能量成為熱載流子，并有可能注入到氧化層中，進(jìn)而導(dǎo)致器件性能退化，如carriermobility降低、thresholdvoltageshift等，嚴(yán)重影響器件的長(zhǎng)期穩(wěn)定性和可靠性。
（六）電流密度增加和電壓波動(dòng)加劇
短溝道效應(yīng)引發(fā)電流密度顯著增加以及電壓波動(dòng)更加劇烈。短溝道意味著單位體積內(nèi)積聚的電子數(shù)量增多，致使電壓波動(dòng)幅度增大，進(jìn)而干擾電路的正常工作，增加電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和不確定性。
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