单栅和双栅SOI MOSFETs器件介绍

图1.1显示了SOI MOSFET系列的“族谱”，并显示了从部分耗尽、单栅极器件到多栅极、完全耗尽结构的演变过程。部分耗尽型mosfet是早期SOS（蓝宝石上的硅）器件的继承者。PDSOI MOSFET最早在小范围应用，如抗辐射加固或高温电子器件。在世纪之交，随着主要半导体制造商开始使用它来制造高性能微处理器，PDSOI技术成为主流。PDSOI器件的低压性能可以通过在栅极电极和器件的浮动体之间建立一个接触来提高。这种接触改善了亚阈值斜率、体因子和电流驱动，但将器件的工作限制在低于1V的电源电压范围内。完全耗尽SOI器件在栅极和沟道之间具有更好的静电耦合。这样可以得到更好的线性度、阈下斜率、体系数和电流驱动。从低电压集成电路到低电压集成电路，都采用了FDSOI技术。有一系列关于SOI器件和技术的教科书，以及SOI电路设计

图1.1。SOI和多门MOSFET的“家谱”。

双栅SOI MOSFETs

关于双栅MOS（DGMOS）晶体管的第一篇文章由T.Sekigawa和Y.Hayashi于1984年发表。这篇论文表明，通过在连接在一起的两个栅极电极之间夹一个完全耗尽的SOI器件，可以显著降低短沟道效应。这个装置被称为XMOS，因为它的横截面看起来像希腊字母Ξ（Xi）。使用这种结构，可以获得比“常规”SOI MOSFET更好的沟道耗尽区控制，尤其是，沟道上的漏电场的影响减小，从而减少了短沟道效应。弗兰克发表了一个更完整的模型，包括蒙特卡罗模拟，Laux和Fischetti在1992年的一篇论文中探讨了硅MOSFET的最终规模。而后续的研究者的研究发现，最终的硅器件是一个双栅SOI MOSFET，栅极长度为30nm，氧化层厚度为3nm，硅膜厚度为5到20nm。这种（模拟的）器件对于大于70nm的栅极长度没有显示出短沟道效应，并且提供了高达2300ms/mm的跨导值。第一个制造的双栅SOI MOSFET是“完全耗尽窄沟道晶体管（DELTA，1989）”，其中的器件是在一个又高又窄的硅岛上制成的，叫做“手指”、“腿”或“鳍”（图1.2）。FinFET的结构类似于DELTA，只是在硅鳍的顶部有一层称为“硬掩膜”的介质层。硬掩模用于防止在器件上角形成寄生反转通道。

图1.2。双栅MOS结构的例子：A:DELTA MOSFET；B:FinFET。

值得注意的是，最初的GAA器件是一个双栅极器件，尽管栅极被包裹在通道区域的四周，因为硅岛的宽度远大于厚度。现在，大多数人使用GAA的缩写来表示四重栅极或环绕型栅极器件，其宽高比更接近统一。MIGFET（Multiple Independent gate FET）是一种双栅极器件，其中两个栅极电极没有连接在一起，因此可以用不同的电位进行偏压。MIGFET的主要特点是其中一个栅极的阈值电压可以通过施加在另一个栅极上的偏压进行调制。这种效应类似于fdsoi mosfet中的体效应。使用MIGFET的应用是信号调制。一个简单的平方律混频器可以使用一个单一的MIGFET，通过对一个栅极施加一个小的射频信号而对另一个栅极施加一个大的低频信号。这种单器件调制是可能的，因为沟道是完全耗尽的，并且栅极是完全对称和对齐的。这种信号调制电路减少了晶体管数量和轨对轨晶体管堆栈，使得设计紧凑型低功耗混频器成为可能。