新型多栅mosfet解析模型与数值仿真分析

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1、万方数据1．51．0DriveCUrrent‘m肌m’0．5}13‘PMOS0．O。～。一．—一1000100一Strain—Hi～kMGOther■“Classic”scalingGatePitch(nm}图1．1导致p-MOSFET性能提升的各项技术在不同技术节点的贡献比重【19】传统结构的MOSFET，面临越来越严重的挑战，新结构MOSFET及相关技术得到不断的发展。图1．2为ITRS预测的MOS器件发展趋势[201。新的器件结构和高迁移率的半导体材料为两大发展趋势。一I。!_：j-』困◆圈一墨一图1．2ITRS预测MOS器件的发展趋

2、势[20】1．1．2新型多栅MOS器件及其优势为了克服器件尺寸不断缩小带来的非理想效应，通过对工艺的优化是远远不能满足我们对器件性能的要求的。对器件结构的改进，正在引发下一次半导体技术的革新。2012年，Intel公司采用立体结构FinFET器件的芯片已经量产。这是一直延续到现在的平面工艺技术向三维工艺技术的第一次大迈步。目前，主要的新型器件结构包括双栅、FinFET、三栅、围栅器件。万方数据引言图1．3为双栅和FinFET器件的结构图图1．4多种多栅器件的横截面图，(a)丌栅(b)Q栅(c)四方栅(d)围栅新型多栅MOSFET的多栅结构能

3、够提高器件的亚阈值特性。能够有效减小漏源极附近的电场对沟道电势分布的影响。由于栅对沟道更好的控制作用，短沟道效应被有效抑制。多栅器件的沟道长度能够缩小到20nm以下，随着器件尺寸越来越小，能够替代传统平面结构的MOSFET[211。Intel的22nmFinFET技术已经实现量产[22]。FinFET能够有效抑制小尺寸效应，具有理想的亚阈值摆幅。同时由于沟道轻掺杂或者不掺杂，减小了载流子的库仑散射，从而获得更高的载流子迁移率。轻掺杂使得界面附近的电场强度减小，能够减小表面散射和栅极隧穿。同时轻掺杂使得随机掺杂波动的影响减小，能够减少阈值电压

4、和器件电流的波动。由于栅对沟道的很强的耦合作用，整个沟道的电势都跟随栅极电压变化，器件导通时，使得整个沟道都出现反型，这种现万方数据引言象叫做“体反型”[23]。这使得亚阈值摆幅近乎理想，改善了器件的关态特性，减少了关态电流。图1．5为Intel的FinFET相对传统平面结构亚阈值摆幅和门延迟的改进。可以看出FinFET具有更小的亚阈值摆幅，在一个给定的工作电压下，具有更低的门延迟[241。Intel22nmFinFET在1V的工作电压下比Intel32nm平面结构晶体管快18％，在O．7V的工作电压下快37％。0．0001，1E-05a’

5、0．00．20．40．60．81．0GateVoltage(v)2．O1．81．6Transkstor1．4GateDelay1．2(aomlalir．md》1．0O+80．6050，60，70．80．9t．0operatlngvoRage(v)图1．5IntelFinFET的亚阈值摆幅和门延迟相比传统平面MOSFET的改进[24]传统的MOSFET沟道和源／漏采用不同类型的掺杂，这样在源／、漏形成PN结。一个典型的nMOSFET在源漏采用N型重掺杂，在沟道采用P型掺杂。形成这样的PN结导致很大的掺杂浓度梯度，而随着器件尺寸的缩小，制造一个

6、突变超浅结是一个越来越大的难题。因此，Jean．PierreColinge所在的小组提出了一种新的器件结构，无结晶体管[251。无结晶体管源漏和沟道是采用同一种类型的重掺杂。这样就没有浓度梯度，制造过程中不需要快速热退火，极大的简化了制造工艺[26】。无结晶体管平带和累积模式下使器件导通，通过耗尽载流子来使器件关断。为了能够在整个沟道耗尽载流子，一般需要栅对沟道有很好的控制，所以无结器件的沟道一般都很薄很窄。而为了获得大的导通电流，沟道一般重掺杂。多栅器件栅极对沟道具有很好的控制，在亚阈值区，能够使无结器件全耗尽，从而获得较低的泄漏电流，无

7、结多栅器件应运而生。无结多栅器件同时具有多栅和无结的优点，栅极对沟道有很好的控制作用，由于统一掺杂具有简化的制造工艺，具有较高的载流子迁移率、极好的亚阈值特性等。我们将对无结围栅器件进行建模与仿真研究【27】。传统的双栅器件栅极只有一种材料，为了克服短沟道效应和DIBL效应，一种双材料双栅的MOS器件被提出。该双栅器件的顶栅上有两种栅极材料，两种栅极材料的功函数不同，器件导通时，沟道的电势从源到漏分两步上升，使得漏，乱∞一鼍万方数据引言端附近沟道的电势变化平缓，漏极附近电场变小，有效抑制了SCE和DIBL效应，我们将对该器件进行研究。1．1

8、．3器件建模的意义随着超大规模集成电路的发展，在集成电路0C)设计之后制造之前，需要使用仿真工具对电路进行模拟仿真验证。通常EDA仿真工具主要是通过改进器件的模型，实现对电路仿真