用于超大规模集成电路的多栅MOSFET研究

论文摘要

在摩尔定律的指导下,集成电路半导体器件的尺寸越来越小,但是不能无限缩小。在缩小到一定程度将达到它的物理极限,严重的短沟道效应和栅极泄漏电流将会出现。这对摩尔定律的有效性将是一个挑战。但是人们积极寻找着替代用缩短器件尺寸来提高性能的方法,人们把技术上探索的焦点放到了使用high-k材料和探索新型器件结构上,特别是后者。新型的器件结构将是未来半导体器件研究和发展的方向和趋势。现阶段提出的新型器件结构主要是多栅MOSFET,而多栅MOSFET中最引人注目和被研究最多的是围栅MOSFET和双栅MOSFET。多栅MOSFET因为扩大了栅的数目和栅的面积,从而提高了控制沟道反型电子的能力,增大了载流子的迁移率,减小了MOS器件的短沟道效应,同时避免了缩小器件尺寸中所需要做的栅氧化层厚度的减小,从而也减小的栅极的泄漏电流。本论文的研究集中在多栅MOSFET中最有前途和希望的围栅MOSFET和双栅MOSFET上。我们对多栅MOSFET的研究主要是通过从物理上建立集约模型达到为电路设计者提供该器件的电学参数的目的。以往对短沟道的围栅MOSFET的建模没有使用到统一的载流子输运模型,也就是同时适用于弹道输运区域和适用于扩散输运区域的载流子输运模型。而我们的模型做到了这一点,并且加入了量子力学效应的修正。对于沟长在20nm到100nm变化的围栅MOSFET我们在用叠加法解析地求解泊松方程的基础上得到了围栅MOSFET的沟道电势模型和亚阈值摆幅、阈值电压模型。对于双栅MOSFET我们同样在解析地求解泊松方程的基础上得到了它的沟道电势模型和亚阈值摆幅模型,并且对沟道电势与位置、栅压、沟道长度等的相互关系进行了研究和探讨。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 1 引言
• 1.1 多栅MOSFET研究的意义和对象
• 1.2 研究的方法
• 1.3 论文的组织结构
• 2 围栅MOSFET研究的理论基础
• 2.1 关于半导体器件中的泊松方程的使用
• 2.1.1 泊松方程从直角坐标到柱坐标的变换
• 2.2 围栅MOSFET沟道电势模型
• 2.3 D.Jimenez的长沟道围栅MOSFET电流模型
• 2.4 围栅MOSFET基于沟道电势模型的一些物理关系
• 2.5 本章小结
• 3 围栅MOSFET的统一的载流子输运模型
• 3.1 载流子输运理论
• 3.2 反射系数r（BACKSCATTERING COEFFICIENT）
• 3.3 围栅MOSFET非简并态的源漏电流模型
• 3.4 围栅MOSFET简并态的源漏电流模型
• 3.4.1 载流子流量方程的建立
• 3.4.2 径向和角向的量子化的能量本征值
• 3.4.3 非简并态源漏电流模型的建立
• 3.5 模型结果与其他文献或仿真结果对比
• 3.5.1 与Jing Wang文献[19]的对比
• 3.5.2 与M.Lenzi文献[20]的对比
• 3.5.3 与Jimenez文献[6]的比较
• 3.5.4 本节小结
• 3.6 固定电流法研究阈值电压和DIBL效应
• 3.7 本章小结
• 4 围栅MOSFET的亚阈值摆幅和闽值电压解析模型
• 4.1 沟道电势的解析模型
• 4.2 叠加法求解二维泊松方程
• 4.3 亚阈值摆幅模型
• 4.4 亚阈值区电流模型
• 4.5 阈值电压模型
• 4.6 漏致势垒降低效应（Drain Induced Barrier Lowering Effect）
• 4.7 本章小结
• 5 双栅MOSFET的沟道电势和亚阈值摆幅解析模型
• 5.1 沟道电势解析模型
• 5.2 亚阈值摆幅
• 5.3 结果和讨论
• 5.4 本章小结
• 6 总结
• 6.1 论文主要内容
• 6.2 论文的创新点
• 6.3 下一步工作展望
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表或录用论文一览
• 后记