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纳米MOSFET电学参数的分析与建模

代月花  
【摘要】: 当CMOS技术尺寸急剧减小到极限时,要突破这些基本极限,器件性能必须重新进行评估。也就是说,为了理解器件缩小进程中的极限并研制出新型的MOS器件,必须对纳米器件进行建模与模拟。本论文的目的就是研究未来纳米晶体管载流子输运新特征和实现纳米器件物理机制和建模方法的研究。 随着载流子输运的物理本质偏离常规方法的描述,为了确定未来纳米晶体管内载流子输运新特性,纳米器件的模拟面临着新的挑战,特别是准弹道效应和量子现象的出现。基于常规输运宏模型对纳米器件的模拟存在很大局限性,所以迫切需要建立和发展新的载流子输运模型。本文在理解弹道输运的物理本质的基础上,初步建立了准弹道输运基于玻耳兹曼方程的宏模型。 纳米器件物理机制和建模方法的研究主要体现在纳米器件四个电学参数的分析与建模中,即迁移率的统计分析、阈值电压的量子效应、有效栅电容的量子效应以及亚阈值特性的研究:由于纳米MOSFET的尺寸小,又因为外加电压不能等比例缩小,这使得其沟道内的载流子会在高场下运动。在这种非平衡状态下,一方面载流子不再服从玻尔兹曼分布或费米分布;另一方面器件特征尺寸已与载流子平均自由程相当,在如此短的沟道内载流子数目是有限的,所以必须考虑其寿命和速度的统计分布。本文从玻尔兹曼方程出发,重新计算了纳米MOSFET沟道内的载流子所服从的分布函数,特别是考虑了纳米MOSFET横向电场和纵向电场之间的相互作用,并且以得到的非平衡状态下的分布函数为基础,考虑载流子寿命和速度的统计分布,给出了纳米MOSFET载流子迁移率的解析表达式。 随着MOSFET尺寸的不断减小,反型层中二维量子效应不容忽视,它会导致MOSFET阈值电压发生漂移。本文根据改进后的三角势阱场近似,首先考虑垂直沟道方向的一维量子化效应,求解了波函数和分离能级的表达式,然后基于第一能级近似,提出了一种基于物理的阈值电压解析模型;接着基于WKB理论,考虑沿沟道方向的量子隧穿效应,将该方向的量子效应换算成对第一分裂能级的影响,重新定义了第一能级的边界,然后根据有效态密度的概念,将二维量子效应导致阈值电压的漂移量进行了计算,并给出了其解析表达式。 在纳米器件中,为减小短沟效应,采取了增加沟道掺杂浓度和减薄氧化层厚度等措施。对于这种结构的器件,其反型层和积累层中的量子效应对栅电容的影响,长期以来都被广泛关注。近期,多晶硅中量子效应也被研究,数值模拟的结果表明栅电容进一步减小。综合考虑量子效应对有效栅电容的影响,即同时将多晶硅栅中量子效应和反型层中的量子效应加以考虑,从而可以得到更加全面和精确的微/纳米MOSFETE有效栅电容模型。本文先对反型层中量子效应进行了分析,基于改进的三角势阱求解薛定谔方程,得到反型层电子离开硅/二氧化硅界面的距离,等效为栅氧化层的增大,并对由此产生的表面电容进行了解析建模,通过计算和模拟分析发现反型层中量子效应与有效栅电容的定量关系。另外,利用数值模拟的结果和最小二乘法曲线拟合,对多晶硅栅中的量子效应进行了解析建模,并定量地研究了栅电极电容对有效栅电容的影响。最后,同时将多晶硅栅电极电容和表面电容加以考虑,从而得到更加全面和精确的深亚微米MOSFETE有效栅电容模型。 随着CMOS工艺技术的发展,MOSFET的栅长已减小到纳米量级,并且工作电压正向1.5V推进。本文采用一种新的方法来研究纳米MOSFETs的亚阈值特性,即正则摄动法。由于在纳米MOSFETs中,常用的耗尽近似和页面电荷模型不再适用,导致泊松方程由线性变成非线性形式。利用正则摄动法求解非线性泊松方程可以得到纳米MOSFETs亚阈值电流和亚阈值摆幅指数依赖外加偏压的解析表达式,其优点是物理概念清晰、数学形式简单。通过与MEDICI模拟结果比较,验证了该解析模型的适用性,该模型可以正确预测纳米MOSFET亚阈值特性。


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