用非傳統(tǒng)MOSFET方案提高功率CMOS器件的功效

取消溝道摻雜也減少了因隨機(jī)摻雜物波動(dòng)引起的可變性。盡管在薄Si體厚度中有變化，與有摻雜體器件相比，F(xiàn)D-SOI器件顯示非常大地改進(jìn)了器件與器件之間的匹配性能 (圖8)。這對(duì)于存儲(chǔ)容量不斷擴(kuò)大的SRAM和受隨機(jī)變化影響的模擬技術(shù)而言則是非常重要的。

圖8: FD-SOI與其它來(lái)自不同工藝的等效器件之間的失配比較(PDSOI:部分損耗的SOI)。

FD-SOI對(duì)浮體效應(yīng)的免疫性和最小化源/漏(S/D)結(jié)電容(Cj)以及跟金屬門(mén)柵和高K電介質(zhì)的結(jié)合，為低功耗和混合信號(hào)應(yīng)用提供了多種優(yōu)點(diǎn)，這些優(yōu)點(diǎn)包括降低的門(mén)漏電、良好的線性及低噪音[3](圖9)。

圖9：與PDSOI器件相比，F(xiàn)D-SOI 器件顯示出更低的噪音。

應(yīng)變硅與增強(qiáng)傳輸特性

通過(guò)改善短溝道靜電的影響，降低了漏電、可變性及待機(jī)功耗。在某種程度上，它甚至改進(jìn)了傳輸特性。然而， 要充分地降低動(dòng)態(tài)功耗，而不必對(duì)漏電和性能作出折衷，就需要進(jìn)一步增強(qiáng)傳輸特性。

由于動(dòng)態(tài)功耗的二次方程式取決于Vdd (CVdd2F), 調(diào)整電源電壓是降低動(dòng)態(tài)功率的最有效的方法。然而，如果門(mén)限電壓并沒(méi)有降低， 那么，Vdd的減少會(huì)導(dǎo)致晶體管中載流子密度(Qi)的大量損耗。

Qi(max) ~ Cox (Vdd-VT)

由于源/漏漏電呈指數(shù)地依賴于VT(圖2), 要調(diào)整VT就變得十分受到限制。此外，Cox的增加受到Tox的限制, 這一點(diǎn)最終受到門(mén)漏電和電介質(zhì)可靠性的限制。 當(dāng)晶體管被堆疊以減少漏電時(shí)，一個(gè)類似的問(wèn)題又出現(xiàn)了(圖10)。在邏輯模塊中的堆疊器件要減少其最大門(mén)柵過(guò)驅(qū)動(dòng)的虛擬節(jié)點(diǎn)(Vdd'-VT)，因此，它們會(huì)隨著堆疊的增加變得更加弱。

圖10：晶體管堆疊對(duì)于實(shí)現(xiàn)“休眠”晶體管和電源門(mén)控技術(shù)已很常見(jiàn)。

要恢復(fù)相同的電流(I=Qi速率)，載流子速率(或遷移率)必須得到增加以彌補(bǔ)Qi損耗。這正是遷移率隨應(yīng)變硅的優(yōu)越而得到增強(qiáng)之處。

隨著英特爾宣布，把應(yīng)力襯底材料和SiGe源/漏的結(jié)合進(jìn)入90nm 技術(shù)節(jié)點(diǎn)，針對(duì)不同工藝的應(yīng)變硅已應(yīng)用到產(chǎn)品之中，被集成以增強(qiáng)他們的CMOS器件[4]。此外，人們還研究了從雙壓力襯底到襯低應(yīng)變硅的許多其它的方法。推動(dòng)晶體管性能的根本目標(biāo)是相同的：實(shí)質(zhì)性地增強(qiáng)遷移率，我們能在維持電路性能的同時(shí)，為降低動(dòng)態(tài)功耗，而對(duì)驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行折衷(圖11)。

圖11: 振蕩器電路模擬表明：在保持頻率性能的同時(shí)提高遷移率，通過(guò)把Vdd從1.2V 降到1V，可以減低平均功耗。

這就意味著提高遷移率?傳統(tǒng)的高性能晶體管的發(fā)展推動(dòng)力?也開(kāi)始向低功耗管理這個(gè)前沿轉(zhuǎn)移，因此，要研究獲得更高遷移率的縮放路徑。

通過(guò)工藝技術(shù)把現(xiàn)有各種應(yīng)力材料的優(yōu)勢(shì)結(jié)合起來(lái)并加以增強(qiáng)，是進(jìn)一步提高性能的自然方法(圖12, 13) [5]。最終，除了應(yīng)變硅外，可能還需要具有更高遷移率的非硅材料，從而引領(lǐng)工藝及設(shè)計(jì)工程師努力開(kāi)發(fā)新工藝并解決各種設(shè)計(jì)復(fù)雜性問(wèn)題。

圖12：直接制作在在絕緣體上的應(yīng)變硅(襯底應(yīng)變)與嵌入式SiGe源?漏及襯底應(yīng)力材料的結(jié)合，可以實(shí)現(xiàn)混合應(yīng)變PMOSFET。

圖13：由應(yīng)力襯低結(jié)合的絕緣體(襯底應(yīng)變硅)上直接制作的應(yīng)變硅增強(qiáng)了的NMOSFET性能。

提高遷移率終于獲得了成功? Lg和溝道遷移率的提升加速了晶體管溝道阻抗(Rch)的降低，而寄生源/漏和接觸電阻(Rsd)要以更慢的速度降低。由于寄生參數(shù)導(dǎo)致越來(lái)越多的電壓降，增加Rsd/Rch比率會(huì)導(dǎo)致逐漸抵消所增強(qiáng)的晶體管性能，盡管遷移率增加(圖14)[6]。這就意味著，要把寄生電阻急劇降低的新型工藝與提高遷移率同時(shí)開(kāi)發(fā)，以避免相互抵消。

圖14：因遷移率增強(qiáng)，驅(qū)動(dòng)電流增強(qiáng)及作為L(zhǎng)g應(yīng)變硅函數(shù)之一的Rsd/Rch加速了Rsd/Rch的增長(zhǎng)，導(dǎo)致返回的驅(qū)動(dòng)電流逐漸減小。

本文小結(jié)

我們發(fā)現(xiàn)日益改進(jìn)的靜電學(xué)及晶體管傳輸有助于形成一種成熟的方法，這種方法能夠降低有源和待機(jī)功耗。要做到這一點(diǎn)，新型晶體管結(jié)構(gòu)和材料拓展了性能?功耗設(shè)計(jì)空間，使之超躍了傳統(tǒng)的本體硅晶體管。最終，通過(guò)構(gòu)成一個(gè)由多層系統(tǒng)-電路-器件電源管理生態(tài)系統(tǒng)構(gòu)成的底層，晶體管的創(chuàng)新將會(huì)繼續(xù)在定義下一代提高功效的策略時(shí)發(fā)揮關(guān)鍵作用。