EDA技术探索之窄沟道效应与反窄沟道效应

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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

编辑：黄飞