低压低功耗Halo MOSFET的分析与设计

论文摘要

低压低功耗MOS集成电路是半导体集成电路的发展方向,除了电路设计技术的改进,MOS集成电路器件结构的设计也是实现集成电路低压低功耗的重要因素。体硅MOS器件特征尺寸缩小至超深亚微米以后,还将面临短沟道效应的影响,如热载流子效应、DIBL效应以及器件穿通等。所以,用于低功耗的器件必须采取有效措施抑制上述物理效应,解决低压和高速之间的矛盾。 Halo MOSFET可以有效抑制短沟道效应,降低阈值的漂移,还具有高开关比、亚阈值电流小和功耗低等优点,这些特点都可以很好地改善因器件尺寸减小而出现的问题,是低压、低功耗、高集成度电路的优选结构之一。但要充分发挥Halo结构的优势和潜力,无论在器件建模和数值模拟上都有很多工作要做。本论文针对Halo MOSFET,从表面势模型、阈值电压模型的建模、漏电流模型的建模、击穿特性等几个方面进行了分析和研究。 本文首先分析了低压低功耗器件的设计要求以及超深亚微米MOS器件面临的挑战。目前,Halo结构广泛应用于低压低功耗设计中,为了满足小尺寸器件各项性能的需要,介绍了几种常用Halo结构的特点和在低压低功耗设计中的应用,对Halo MOSFET的工艺也进行了描述。 接着引用常规短沟道器件的表面势模型,根据Halo MOSFET沟道掺杂浓度分布的特点,把沟道区分为三个部分,通过求解三个部分的二维泊松方程,得到最小表面势的表达式。根据经典强反型判据,建立了基于器件物理的阈值电压解析模型。模型计算结果与国际通用的二维器件数值模拟软件Medici的模拟结果吻合很好,同时模拟了结构参数对阈值电压的影响。本章最后分析了LDD结构对抑制阈值电压跌落的影响,采用了文献中的模拟结果对分析的情况进行了论证。 针对Halo MOSFET沟道掺杂浓度具有分段均匀的特点,分段求解了反型层电荷密度。在载流子连续性方程的基础上,建立了Halo MOSFET强反型漏电流模型和亚阈值电流模型。模型中对迁移率降低效应和速度饱和效应进行了特别的考虑。上述模型计算结果与Medici的数值模拟结果进行了对比,两者吻合很

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 引言
• 1.1 课题研究的背景
• 1.1.1 IC的低功耗设计技术
• 1.1.2 超深亚微米MOS器件面临的挑战
• 1.2 Halo LDD MOSFET的介绍
• 1.2.1 器件的结构特点
• 1.2.2 器件的工艺流程简介
• 1.3 本论文研究的意义和主要内容
• 第二章 Halo MOSFET的阈值电压解析模型
• 2.1 常规短沟道MOSFET的表面势模型
• 2.1.1 短沟道效应的分析
• 2.1.2 表面势表达式的推导
• 2.1.3 模型的验证
• 2.2 Halo MOSFET 的阈值电压解析模型
• 2.2.1 Halo结构的沟道浓度与表面势的分析
• 2.2.2 器件阈值电压模型的建立
• 2.2.3 模型结果与二维数值模拟比较
• 2.3 LDD结构对阈值电压影响的分析
• 2.4 小结
• 第三章 Halo MOSFET的漏电流模型
• 3.1 强反型条件下的漏电流模型
• 3.1.1 迁移率模型
• 3.1.2 反型层电荷密度
• 3.1.3 漏电流的二维分布建模
• 3.1.4 饱和区特性
• 3.2 亚阈值漏电流模型
• 3.3 漏电流模型的验证与分析
• 3.3.1 强反型区漏电流模型的验证
• 3.3.2 亚阈值电流模型的验证
• 3.4 小结
• 第四章 Halo LDD MOSFET击穿特性分析
• 4.1 漏源击穿的理论分析
• 4.1.1 漏源p-n结击穿机理
• 4.1.2 Medici模型的选择
• 4.1.3 不同器件结构的击穿特性仿真与对比
• 4.1.4 Halo LDD MOSFET击穿电压模型
• 4.1.5 结构参数对击穿特性的影响
• 4.2 栅氧化层的击穿
• 4.2.1 栅氧化层击穿机理
• 4.2.2 栅氧化层击穿特性的数值模拟
• 4.3 小结
• 第五章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 攻读学位期间发表的学术论文