非傳統(tǒng)MOSFET方案提高功率CMOS器件功效的方法

衷于從縮小晶體管來提高密度和性能。在相同的成本上具有更快的速度、更大的內(nèi)存，是一件多么美妙的事情!越來越多的在工藝上的進步目前已能使完好的特征尺寸升級到90nm技術節(jié)點。然而，在深層納米尺寸滿足對漏電和性能的需要卻迅速地把傳統(tǒng)的晶體管逼入困境。要使性能得到繼續(xù)的升級，人們正在采用新型材料和結構來改善傳統(tǒng)的CMOS工藝。在超過32nm及以上的技術上，面對著功率性能前所未有的挑戰(zhàn)，晶體管可能通過一系列的跳躍式創(chuàng)新得到發(fā)展嗎?盡管答案仍在探索之中，從金屬/高K柵堆疊、新型應變硅到多柵器件等等新型材料和器件結構競相發(fā)起這場革命。

當晶體管忙于開關時，微小的晶體管會消耗能量，因此依靠封裝更多的晶體管來提高密度并不湊效。不同工藝的能耗可通過動態(tài)功率來測得：

動態(tài)功率=CVdd2F

C=器件電容

Vdd=電源電壓

F=開關頻率

此外，作為一種并不完全的開關，即使當它們關閉時也會漏電，這一點對待機功耗起到作用。

待機功耗=I漏電xVdd

I漏電=漏電電流

當你把10億只晶體管集成到一個100mm2面積的裸片上時，功耗就會迅速增加，且情況正變得更糟。對功耗進行管理是當前從系統(tǒng)、設計到工藝的所有人員的壓倒一切的活動。降低功耗并不難，難在你要跟性能進行平衡。

短溝道靜電學

由于工藝和材料的限制，在我們急于壓縮門柵和溝道尺寸之時，源/漏結點和門柵電介質(zhì)的升級卻不沒能跟上不能步伐。這導致短溝道靜電更加不足，當器件關閉時，門柵對源-漏的漏電影響更弱(也就是亞門限模式)。隨著在門柵與超出正常界線的源/漏之間的溝道電荷分配的增加(如圖1)，會導致亞門限漏電增加，這 點可從門限電壓出乎我們意料的降低中反映出來(圖2)。

圖1：器件電荷分配的影響有以下三種情況：(a)統(tǒng)一的溝道滲雜;(b)超淺結;(c)高的容器植入摻雜。

圖2：以門柵極長度(Lg)為函數(shù)的器件閥值電壓(VT)及源/漏漏電的曲線。對于更小的Lg，短溝道效應的開始造成VT減少。這一點同時伴隨著源?漏漏電的指數(shù)增長。要緩減這一狀況，我們可使源和漏結點(xj)更淺且更陡(圖1b)，或者通過增加結點周圍的溝道摻雜，來屏蔽靜電對源/漏的影響(降低耗盡寬度) (1c)。由于低阻抗超淺結點特別具有挑戰(zhàn)性，我們在進行伸縮時，大量的增加溝道摻雜來抑制漏電。增加摻雜會帶來兩種不良的副作用，會導致開關電流 (Ion/Ioff)比急劇降低，該比值對于好的開關應被最大化。通過實現(xiàn)低亞門限擺幅(S)，靜電的開關比可(圖3)以最大化。一個簡單的一維MOS電 容器的S描述忽略了由[1]給出的源/漏的電荷分配的影響：

S = 1/(亞門限斜率) = 2.3 kT/q (1 + Cdm/Cox) ~ 2.3 kTq (1 + 3Tox/Wdm)

T = 溫度

Cdm = 損耗電容

Cox =門柵電容

Tox =門柵電介質(zhì)厚度。

Wdm = 溝道損耗寬度

取決于柵極與溝道之間的電容耦合(Cdm/Cox)，S測量門柵在關閉與打開溝道之間擺動的良好程度。增加溝道摻雜，而不使門柵電介質(zhì)厚度(Tox)相應地減少，會導致S的增加。對于短溝道MOSFET，S也可通過門柵與短溝道之間的電荷分配得到增加，這也會受到終接電壓的影響。顯然，在維持良好短溝道控制時，如