随着集成电路工艺特征尺寸进入28nm以下节点，传统的平面MOSFET结构已不再适用，新型的三维晶体管（FinFET）结构逐渐成为摩尔定律得以延续的重要保证。本书从三维结构的原理、物理效应入手，详细讨论了FinFET紧凑模型（BSIM-CMG）产生的背景、原理、参数以及实现方法；同时讨论了在模拟和射频集成电路设计中所采用的仿真模型。本书避开了繁杂的公式推导，而进行了更为直接的机理分析，力求使得读者从工艺、器件层面理解BSIM-CMG的特点和使用方法。

本书可以作为微电子学与固体电子学、电子信息工程等专业高年级本科生、研究生的专业教材和教师参考用书，也可以作为工程师进行集成电路仿真的FinFET模型手册。

译者序

原书前言

第1章FinFET——从器件概念到

标准的紧凑模型1

1121世纪MOSFET短沟道效应产生

的原因1

12薄体MOSFET理论3

13FinFET和一条新的MOSFET缩放

路径3

14超薄体场效应晶体管4

15FinFET紧凑模型——FinFET工艺

与集成电路设计的桥梁5

16第一个标准紧凑模型BSIM

简史6

17核心模型和实际器件模型7

18符合工业界标准的FinFET

紧凑模型9

参考文献10

第2章基于模拟和射频应用的

紧凑模型11

21概述11

22重要的紧凑模型指标12

23模拟电路指标12

231静态工作点12

232几何尺寸缩放16

233变量模型17

234本征电压增益19

235速度：单位增益频率24

236噪声27

237线性度和对称性28

238对称性35

24射频电路指标36

241二端口参数36

242速度需求38

243非准静态模型46

244噪声47

245线性度53

25总结57

参考文献57

第3章FinFET核心模型59

31双栅FinFET的核心模型60

32统一的FinFET紧凑模型67

第3章附录详细的表面电动势

模型72

3A1连续启动函数73

3A2四次修正迭代：实现和

评估75

参考文献80

第4章沟道电流和实际器件

效应83

41概述83

42阈值电压滚降83

43亚阈值斜率退化89

44量子力学中的Vth校正90

45垂直场迁移率退化91

46漏极饱和电压Vdsat92

461非本征示例（RDSMOD=

1和2）92

462本征示例（RDSMOD=0）94

47速度饱和模型97

48量子效应98

481有效宽度模型99

482有效氧化层厚度/有效

电容101

483电荷质心累积计算101

49横向非均匀掺杂模型102

410体FinFET的体效应模型

（BULKMOD=1）102

411输出电阻模型102

4111沟道长度调制103

4112漏致势垒降低105

412沟道电流106

参考文献106

第5章泄漏电流108

51弱反型电流109

52栅致源极泄漏及栅致漏极

泄漏110

521BSIM-CMG中的栅致漏极泄

漏/栅致源极泄漏公式112

53栅极氧化层隧穿113

531BSIM-CMG中的栅极氧

化层隧穿公式113

532在耗尽区和反型区中的

栅极-体隧穿电流114

533积累中的栅极-体隧

穿电流115

534反型中的栅极-沟道隧

穿电流117

535栅极-源/漏极隧穿电流118

54碰撞电离119

参考文献120

第6章电荷、电容和非准静态

效应121

61终 端 电荷121

611栅极电荷121

612漏极电荷123

613源极电荷124

62跨容124

63非准静态效应模型126

631弛豫时间近似模型126

632沟道诱导栅极电阻

模型128

633电荷分段模型128

参考文献132

第7章寄生电阻和电容133

71FinFET器件结构和符号

定义134

72FinFET中与几何尺寸有关

的源/漏极电阻建模137

721接触电阻137

722扩散电阻139

723扩展电阻142

73寄生电阻模型验证143

731TCAD仿真设置144

732器件优化145

733源/漏极电阻提取146

734讨论150

74寄生电阻模型的应用考虑151

741物理参数152

742电阻分量152

75栅极电阻模型153

76FinFET 寄生电容模型153

761寄生电容分量之间的

联系153

762二维边缘电容的推导154

77三维结构中FinFET边缘电容

建模：CGEOMOD=2160

78寄生电容模型验证161

79总结165

参考文献166

第8章噪声168

81概述168

82热噪声168

83闪 烁 噪 声170

84其他噪声分量173

85总结174

参考文献174

第9章结二极管I-V和C-V

模型175

91结二极管电流模型176

911反偏附加泄漏模型179

92结二极管电荷/电容模型181

921反偏模型182

922正偏模型183

参考文献186

第10章紧凑模型的基

当打开这本书时，读者可能知道，由于其在功耗和速度方面的优势，第一个三维（3D）晶体管——FinFET已经被工业界所采用，这是近年来半导体领域最大的新闻。FinFET被称为40多年来半导体技术最剧烈的变革。

本书所有合著者都是或曾经是BSIM研究小组的成员，该研究小组创建了基于FinFET集成电路仿真和设计的符合行业标准的FinFET模型。自从1997年以来，一系列平面CMOS模型已被用于设计不同种类的集成电路产品，预估其累计销售额超过了万亿美元。人们期望BSIM FinFET模型在未来也会产生类似的巨大影响。

我们为集成电路设计工程师、器件工程师、研究人员以及微电子专业学生撰写了本书。本书介绍了FinFET和紧凑模型产生的背景、原理、结构以及实现方法；模拟和射频应用的模型；并对BSIM FinFET模型（BSIM-CMG）进行了深入讨论。本书从FinFET的原理开始讲起，到FinFET模型结束。即使十分熟悉BSIM-CMG模型的读者也可能会惊讶地发现，BSIM-CMG模型可以实现对任意的鳍形状（如梯形、圆角、圆柱形，甚至不对称形状）FinFET的建模。BSIM-CMG模型采用非硅通道材料（SiGe、Ge和InGaAs）来对FinFET建模。因此本书可以作为进行集成电路仿真的FinFET模型的最佳手册。

我们在书中并没有大篇幅地展现模型和相应的公式。BSIM团队的许多其他前成员为创建BISM-CMG做出了贡献。我们感谢他们对这本书做出的间接贡献。最值得注意的是，从2004年开始， Chung-Hsun Lin和Mohan Dunga是BSIM-CMG的第一批学生开发人员。本书的其他直接或间接贡献者包括Walter Li、Wei-Man Lin、Shijin Yao、Muhammed Karim、Chandan Yadav和Avirup Dasgupta。

我们感谢许多行业的BSIM用户，作为他们公司的雇员来说，他们的帮助使BSIM-CMG成为了更好的模型。经过为期两年的评估和对标准FinFET模型的选择，他们通过测试beta模型并指出了其在精确性或鲁棒性方面的不足之处。这些用户包括RWilliams（IBM）；ASRoy，SMudanai（Intel）；KWSu，WKLee，MCJeng（TSMC）；JSGoo（Globalfoundries）；PLee（Micron Technology）；QWang，JWang，WLiu(Synopsys); JXie, FZhao (Cadence); ARamadan, SMohamed, AEAhmed(Mentor Graphics); PO’Halloran (Tiburon Design Automation); BChen, SMertens(Accelicon/Agilent,即现在的Keysight Technologies); JMa (ProPlus); GCoram(Analog Devices)。

最重要的是，我们要对我们的家人表示最深切的感谢，感谢他们能够容忍我们在办公室和计算机上的长时间工作。

同时我们也要感谢亲爱的读者们，感谢你们在使用过程中赋予本书以重要的意义。

进入21世纪以来，传统的以体硅结构为基础的MOSFET进入了纳米级阶段，摩尔定律能否延续受到日益严峻的挑战，因此三维晶体管FinFET 应运而生。FinFET通过鳍片对沟道电场进行控制，缓解了短沟道效应和泄漏电流的影响。作为FinFET工艺与设计沟通的桥梁，紧凑模型具有十分重要的地位。本书对符合工业界标准的BSIM FinFET模型（BSIM-CMG）进行了深入讨论。针对FinFET 晶体管结构、量子效应、泄漏电流、寄生参数、噪声、基准测试、模型参数提取流程以及温度特性分别进行了分析，最后还对BSIM-CMG中的各类参数进行了详细说明。

本书可作为高等院校微电子与固体电子学、集成电路设计、电子信息工程等专业高年级本科生和研究生的相关教材，也可以作为半导体相关领域工程技术人员的参考书籍。

本书翻译工作由厦门理工学院微电子科学与工程系陈铖颖老师组织，并与厦门理工学院张宏怡教授和中国科学院微电子研究所通信与信息工程研发中心荆有波老师共同翻译完成。其中陈铖颖老师翻译了第1~9章，张宏怡教授翻译了第10章，荆有波翻译了第11和12章。厦门理工学院的魏聪、易璐茗和许新愉同学共同完成了全书的统稿和校对工作。

本书受到福建省本科高校一般教育教学改革研究项目（FBJG20180270）、国家自然科学基金项目（61704143）、福建省自然科学基金面上项目（2018J01566）、 福建省新工科研究与改革实践项目、福建省教育科学“十三五”规划课题、厦门市教育科学规划课题、厦门市青年创新基金项目、厦门市科技创新战略研究项目、厦门理工学院教材建设基金资助项目的资助。

 本书虽经过仔细审校，但由于译者水平有限，书中难免存在不当或欠妥之处，恳请读者批评指正。

陈铖颖

2019年12月