小尺寸MOS器件阈值电压的三维建模与仿真研究

论文摘要

近年来,MOS器件小尺寸效应的建模与仿真技术日趋得到了学者们的广泛重视。其中,短沟道效应、窄沟道/反向窄沟道效应成为研究的重点,但现有的一维和二维模型难以准确表述它们之间相互耦合的关系,有必要进行三维建模。本文首先基于求解三维泊松方程,建立了小尺寸MOS器件的三维表面势场分布的解析模型。该模型能够很好体现深亚微米和纳米MOS器件的三维小尺寸效应。进而结合解析模型和三维半导体器件仿真软件,深入研究了器件结构参数和外加偏置电压对表面势场分布的影响,模拟结果和解析结果的一致性证实了模型的正确性。然后,建立了一个新的小尺寸MOS器件的阈值电压模型,并借助该模型和三维半导体器件仿真工具,研究了小尺寸MOS器件的短沟道效应、窄沟道效应和反向窄沟道效应,以及它们之间的耦合效应,并讨论了窄沟道效应和反向窄沟道效应的临界条件,以及模型在大尺寸器件中的适用性。此外,还考虑了漏电压的影响,并对阈值电压的解析模型进行了修正,重点研究了漏致势垒降低效应(DIBL)。三维半导体仿真软件的数值模拟和模型的解析结果吻合良好,证实了模型的正确性和准确性。本文所建立的小尺寸MOS器件的三维表面势场分布模型和阈值电压模型,不仅能够反映短沟道效应,也能够反映窄沟道/反向窄沟道效应,还能够体现它们之间的耦合作用,不但适用于小尺寸器件,而且适用于大尺寸器件,是一个理想的统一模型。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 MOS器件的小尺寸效应
• 1.2 MOS器件短沟道效应模型的研究进展
• 1.2.1 基于电荷分享理论的短沟道阈值电压模型
• 1.2.2 基于二维泊松方程的短沟道阈值电压模型
• 1.2.3 基于修正参量的二维泊松方程的短沟道阈值电压模型
• 1.3 MOS器件窄沟道/反向窄沟道效应模型的研究进展
• 1.3.1 基于电荷分享理论的窄沟道阈值电压模型
• 1.3.2 基于二维泊松方程的反向窄沟道阈值电压模型
• 1.4 MOS器件模型的研究进展
• 1.4.1 MOS器件表面电势模型的研究进展
• 1.4.2 MOS器件阈值电压模型的研究进展
• 1.5 本文的主要工作
• 第二章 小尺寸MOS器件的三维表面电势分布模型
• 2.1 三维表面电势模型的建立
• 2.2 器件结构参数对表面电势的影响
• 2.2.1 表面电势与沟道尺寸的变化关系
• 2.2.2 表面电势与沟道浓度的变化关系
• 2.2.3 表面电势与栅氧化层厚度的变化关系
• 2.3 外加偏置电压对表面电势的影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 小尺寸MOS器件的三维表面电场分布模型
• 3.1 三维表面场模型的推导
• 3.2 器件结构参数对表面电场的影响
• 3.2.1 表面电场与沟道宽度的变化关系
• 3.2.2 表面电场与沟道浓度的变化关系
• 3.2.3 表面电场与栅氧化层厚度的变化关系
• 3.3 外加偏置电压对表面电场的影响
• 3.4 本章小结
• 第四章 小尺寸MOS器件的阈值电压模型
• 4.1 MOS器件三维阈值电压模型
• 4.1.1 模型推导
• 4.1.2 短沟道效应
• 4.1.3 窄沟道/反向窄沟道效应
• 4.1.4 大尺寸器件的阈值电压
• 4.2 漏电压对阈值电压的影响
• 4.2.1 模型推导
• 4.2.2 漏致势垒降低效应 （DIBL）
• 4.3 本章小结
• 第五章 总结与展望
• 致谢
• 参考文献
• 攻读硕士研究生期间发表的论文