低压低功耗halo+mosfet的分析与设计

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1、搦要摘要低压低功耗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。HaloM0sFET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

2、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HaloMOsFEE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HaloMosFET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HaloMosFET沟道掺杂浓度分布的特点，把沟道区分为三

3、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lIiedici的模拟结果吻合很好，同时模拟了结构参数对阙值电压的影响。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HaloMOsFET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HaloMOsFET强反型漏电流模型和亚闽值电流模型。模型中对迁移率降低效应和速度饱和效应进行了特别

4、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————一堡堡堡些堑婪!!!坚!!!!!堕坌堑兰垦生好a采用Medici还分别模拟和分析了HaloM0sFET与常规器件的输出特性，从模拟结果可以看出，与常规器件相比，HaloMosFET具有较强驱动电流和较小亚阈值电流的特性，十分符合低压低功耗器件设计的要求。本文最后以二维器件数值软件Medici为工具，模拟和对比了HaloLDDMosF盯、L叻M0sFET与常规器件的击穿特性。根据器件击穿时沟道电场的分布曲线，分析了Halo结构的击穿电压高于其他器件击穿电压的物理机理

5、，建立了HaloMosFET的击穿电压模型。由于是薄栅氧化层器件，本文对栅电流与栅电压之间的关系也进行了模拟，分析了栅氧化层的击穿机理，讨论了栅氧化层击穿主要是由于强电场引起的碰撞电离，产生大量高能量电子导致的。利用模拟结果来设计器件最佳的栅氧化层的厚度。本文在分析器件击穿特性时，提出了直流电阻与漏电压之间的关系来判断器件是否击穿。当器件击穿时，电流迅速上升，所以它的直流电阻值也将迅速下降。根据数值模拟的器件击穿特性曲线，把直流电阻的峰值点所对应的漏电压为击穿电压，这样就为求得击穿电压的具体值提供了判据，代替以往依靠经验来判断击穿电压具体值的方

6、法，减小了判断的主观性。总之，本文对Halo∞sFET的阈值电压模型、漏电流模型和击穿特性进行了较为系统的研究。所建的模型经过Medici数值模拟的验证，对于EDA领域的器件建模以及Halo结构的物理特性研究具有很好的理论和实践意义。关键词：低压低功耗、Halo、阅值电压、击穿特性II——一垒!!!翌!!Abs仃actThemainstreamoffutureULSItechnologyistowardlow-voltageandlow‘power．BesidesoptimizationofcircuitdesigⅡtechnology，the

7、structuraIdesignofdevicesisananotherimportantfact0LAsdevicedimensionsarecontinuallyscaleddown，undesirableshort-channelef托cts，suchashotcarrierefkct，DIBLeffectandpunchthrougharebecomingmoreandmoreimportant．TboVercometheprobIemsaboVe-mentioⅡed，acompromisebet、_．‘eenlow-voltagean

8、dhigh—speedmustbetakenfbrIow—powerdevices．HaloMoSFETisⅡaturaIlysuitableforI