非傳統MOSFET方案提高功率CMOS器件功效的方法

圖3：具有匹配的電流，但具有不同的亞門(mén)限斜率的兩個(gè)器件之間的亞門(mén)限行為。

摻雜的另一個(gè)高代價(jià)是損傷傳輸速度。具有高溝道摻雜的器件被迫在更高門(mén)柵電場(chǎng)進(jìn)行工作。這增加了具有門(mén)柵電介質(zhì)界面溝道載流子的散射，導致載流遷移率(圖4)和折衷的驅動(dòng)性能的大幅下降。

圖4：對于不同溝道摻雜水平(NA)和溫度[2]， MOSFET的電子遷移率是有效電場(chǎng)的函數。

超薄體器件

絕緣上硅(SOI)的異質(zhì)結構為建造具有超薄硅體(硅厚度Tsi《10nm)(圖5)的器件創(chuàng )造了機會(huì )。通過(guò)由硅電介質(zhì)界面建立的天然靜電屏障，超薄SOI提供一種控制短溝道效應的可選手段。由于受到超薄硅溝道的限制，源/漏結點(diǎn)深度現在就自然的變淺了。

圖5所示為一個(gè)具有金屬門(mén)柵和高K門(mén)柵電介質(zhì)的40nm-Lg全耗盡超薄(UT)SOI器件的透射電子顯微鏡(TEM)圖像。與體晶體管不同，超薄SOI通過(guò)它們的體結構來(lái)改進(jìn)短溝道靜電效應，這一結構減少了它們對溝道摻雜的依賴(lài)(圖6)。要采用溝道摻雜工藝來(lái)控制最小體晶體 管中的漏電，防止其增長(cháng)到不可控制的水平，這可通過(guò)采用薄Si來(lái)計算。由于損耗電容Cdm保持為最小值，通過(guò)減少S，可使得開(kāi)/關(guān)電流的比率最大化 。

圖6 所示為體MOSFET與超薄(UT)SOI所需的溝道摻雜之間的比較，以為給定Lg實(shí)現相同的短溝道控制(SG：?jiǎn)我婚T(mén)柵，;DG： 雙門(mén)柵;PD-SOI： 部分損耗的SOI)。

由于具有低溝道摻雜或不具溝道摻雜，這樣一個(gè)器件的門(mén)限電壓可主要通過(guò)門(mén)柵和電介質(zhì)材料來(lái)確定。由于等效的溝道損耗寬度?Wdm?比Tsi更大，因此， 溝道是完全損耗的。通過(guò)放棄使用溝道摻雜物來(lái)控制短溝道效應，完全損耗的SOI器件能在減少的有效電場(chǎng)進(jìn)行操作，在此，載流子遷移率更高(圖7)。

圖7與等效的體晶體管相比，在具有更高遷移率的情況下，FD-SOI器件能以更低的有效電場(chǎng)工作。

取消溝道摻雜也減少了因隨機摻雜物波動(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，FD-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)。這對于存儲容量不斷擴大的SRAM和受隨機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對浮體效應的免疫性和最小化源/漏(S/D)結電容(Cj)以及跟金屬