MOSFET性能综述

MOSFET 性能定标——第一部分：历史选择

Ali Khakifirooz ，IEEE 会员；Dimitri A. Antoniadis ，IEEE 院士

摘要：描述MOSFET 在饱和状态下从亚阈到强反型的一个简单的分析模型用来推导出一个新的关

于晶体管内在转换延迟的公式。上述模型服从测量趋势：在环振荡器上数据比传统的CV/I 标准更好。MOSFET 性能衡量的历史趋势被检验，并且现在表明沟道中载流子速度的持续增加是提高晶体管测量性能的主要动力。近来应变工程器件中速度和迁移率依赖性研究是基于出版的实验数据和一个提出来以验证这种依赖性的理论。事实表

明：虚拟源速度和曾经人们相信的尽管事实是国家最先进的MOSFETs 工作在它们极限60%–65%相比依赖于低场迁移率更强烈一些。这些观察将

在本文的第二部分用来探索按参数排序的关键器件之间的交换因为尺寸测量的器件性能相称的比例来继续未来高性能CMOS 系列。 关键词：延迟，迁移率，MOSFET 定标，性能，前景，迁移速度。 Ⅰ.引言 为了继续其历史测量趋势，晶体管性能切合实际的基准是量化技术要求中必不可少的。不同于当前和过去的技术，品质因素(FOMs)的不同数字的直接测量是可能的或者它们很容易从拥有好的校准模型的电路仿真中获取，对未来技术评估电路级性能的措施并不简单。有预测模型[1], [2]的电路仿真或使用计算机辅助设计的模型校准以及器件仿真是一个选择。然而如果对于所需的FOMs 的解析表达式是易得到的，那么将更容易并且更加有洞察力。

历史上，晶体管延迟已经由sat

/D D D C V I 来简

单近似，其中VDD 是电源电压、sat

D I 是

G S D S D D V V V ==时的漏极电流。C 代表总的负载

电容，为获取由晶体管为主的电路中固有晶体管

延时通常被用来等同于反型中栅极电容inv C 。尽管事实上开关电荷in v D D C V 并不包含栅极和其他

晶体管固有的寄生电容，以及在CMOS 结构[3], [4]中开关期间漏极电流从未达到sat

D I ，因为这个度

量同时也高估了反转电荷，对于早期的技术节点它提供了一个可供人们接受的结果。然而，随着晶体管进一步缩小，寄生电容的相对重要性也相应增加，这使得忽略它们变得不切实际。 最近，研究表明,如果在分母的电流被代表平均开关电流[3]–[5]的有效电流e ff I 取代，CV/I 度量

更好地跟随实验逆变器延迟。 通常，一个显著的观察是sa t

eff D I I 比例减小

随着晶体管按比例减小，主要是由于增加的漏感应势垒降低（DIBL ）。因此未来期间设计应该旨在通过在维持一个可接受的电流[5]的同时控制短沟道效应来最大化有效电流。 在本文中，我们提出一个对MOSFET 本证延

迟的解析表达式，它是基于对有效电流和总栅极开关电荷的物理模型，更加的精确。本表达式适用于已发表的器件数据，以及MOSFET 性能定标的历史趋势已被验证。用定标结果表明在沟道中载流子迁移速度对改进的晶体管性能起主要驱动作用。迁移速度和迁移率的依赖性在最近的应变工程期间中是基于实验数据和一个被提出用于检验此依赖型的理论被研究的。本文的第二部分将讨论这些观测可以被用来探索关键器件参数之间的权衡为了用尺寸定标器件性能相称的标定来继续历史的趋势。

Ⅱ.简单的MOSFET 解析模型

在饱和状态下标准宽度晶体管电流表示为

()D inv

G S T I W C V V v '=- （1） 其中T V 是在D I -G S V 曲线中用线性外推法得

到的包和阈值电压，inv

C '是每单位面积的栅极电容，v 代表有效载流子迁移速度。有效速度v 和源

极附近势垒处的载流子平均迁移速度有关，这就

是所谓的虚拟源速度0x v ，若源极串联电阻两端的电压降做出更正1S R [7]

()0112x in

v S v

v C R v δ=

'-+ （2）

其中δ是V V 的DIBL 系数，即：

=T D S V V δ∂∂，以及DIBL 依赖性表示一个事实：由于源极和漏极（S D ）串联电阻之间的电压降存在，阈值电压升高。

图1

在国家最先进的MOSFETs 中，方程（1）已被观测数据验证：饱和漏极电流和栅极电压是线性关系，对应一个几乎恒定的跨导，如图1所示。在我们的分析中，我们假设有效速度和栅极电压是无关的以及（在文献中描述短沟道器件在没有电容-电压（C-V ）的测量时）反转电荷仅仅是

()inv

inv G S T Q C V V ''=-。请注意即使是一个精心确

定的反转电荷的估计都包含着某种程度的不确定

性。结合在长沟道器件测量的C-V 曲线，由于阈值电压的转降的适当移位、DIBL 以及源极串联电阻[6]两端的电压降是一个例子。此方法忽略了聚耗尽[8]栅极长度依赖性以及在弱反型下由于短沟道效应C-V 曲线的扩散。用合适的测试结构在短沟道器件中C-V 曲线拆分的直接测量是一种替代[9]。然而根据MOSFETs 的散射理论[10]，在饱和

条件下电流计算的相关电荷是源极附近势垒处反

型电荷，此处载流子注入进沟道中（虚拟源）。因此即使对短沟道器件的实验C-V 数据易得到，但计算在虚拟源处的实际反型电荷也不是没有不确定性的。

Monte Carlo 模拟表明起初当栅极电压增加时有效速度增加，然而当栅极电压接近D D V 时它是

几乎恒定的[11]。上述独立于栅极电压的反型电容和有效速度的假设允许我们使用从电流-电压特性中获得的阈值电压来进行电荷估计。值得注意的是这里定义的阈值电压比通常文献中提到的高出200mV ，它是在亚阈值一个给定的电流条件下定义的。不能区分这两个量是半导体国际技术路线图计划中缺点之一，并且当量化技术要求时有严重的后果。

宽度标准的晶体管截止电流由下给出

*

o ff 10

T

V S

ref I W I -= (3)

其中*

S 是每十年在伏量纲上的有效亚阈值摆幅，

ref I 是当阈值电压G S T V V =时每单位宽度的电流

值，从经验上可以得出。可以观测出在不同的技

术代，00ref x I Q v '=，其中8

2

0810/Q C cm -'≈⨯。

这与我们的薛定谔-泊松模拟一致，由in v G S Q V -特性外推定义的阈值刚开始时，反转电荷接近

7

2

10

/C cm -。

Ⅲ.性能指标和历史趋势

我们定义晶体管本征延迟为：

/G eff Q I τ=∆[7],其中e ff I 是有效漏极电流，G Q ∆是两种不同状态下栅极电荷差，其中包含沟道和边沿场电荷。如

附录所示，公式如下：

()()

()*in v 1/3/4D D

T f D D G

G D D

T

V V C V C L L V V v

δτδ--+=

-- （4）