本文選題：多晶硅納米線晶體管　切入點(diǎn)：單柵SOI　出處：《暨南大學(xué)》2016年博士論文

【摘要】：目前,在智能系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)及其器件制備技術(shù)領(lǐng)域,計(jì)算機(jī)模擬已成為不可缺少的工具,可用于幫助工程設(shè)計(jì)者預(yù)測(cè)電路與器件工作的準(zhǔn)確信息。此外,多晶硅晶體管器件的制備技術(shù)也日益成熟,并已廣泛應(yīng)用于智能系統(tǒng)的超大規(guī)模集成電路設(shè)計(jì);特別是在有源矩陣液晶顯示器、靜態(tài)隨機(jī)存儲(chǔ)器、以及智能生物傳感器等領(lǐng)域,由多晶硅晶體管等薄膜器件構(gòu)成的集成電路,其集成度和復(fù)雜度更是不斷提高。因此,非傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的多晶硅納米線晶體管便應(yīng)運(yùn)而生,用于抑制半導(dǎo)體器件的短溝道效應(yīng),并有力地推動(dòng)多晶硅薄膜晶體管幾何尺寸的等比例縮小,提高了器件的電學(xué)特性。但是,提高智能芯片的集成度,一方面需要將相應(yīng)的多晶硅納米線晶體管緊湊模型,嵌入到器件制備工藝的軟件工具中,才能準(zhǔn)確地給出與器件電學(xué)特性相一致的數(shù)學(xué)關(guān)系,并以此作為優(yōu)化納米線薄膜器件制備技術(shù)的指南;另一方面,同樣也需要將相應(yīng)的多晶硅納米線晶體管緊湊模型嵌入到集成電路設(shè)計(jì)的仿真器,用于幫助設(shè)計(jì)者完成電路分析、預(yù)測(cè)電路性能、驗(yàn)證設(shè)計(jì)意圖,以及提高IC成品率。由于器件制備及其電路設(shè)計(jì)都需要依托多晶硅納米線晶體管緊湊模型為計(jì)算機(jī)模擬設(shè)計(jì)提供依據(jù),因此,對(duì)包括單柵SOI、雙柵、三柵、圍柵結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多晶硅納米線晶體管器件的電學(xué)特性進(jìn)行建模研究,這既是業(yè)界的迫切需求,對(duì)智能系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)與器件制備產(chǎn)業(yè)的發(fā)展,也具有深遠(yuǎn)的意義。本文基于單柵SOI、雙柵、三柵和圍柵結(jié)構(gòu)在內(nèi)的多晶硅納米線晶體管器件工作的物理機(jī)理,建立適用于智能系統(tǒng)集成電路設(shè)計(jì)與器件制備模擬軟件的多晶硅納米線晶體管直流緊湊模型,開展并完成了以下研究工作:其一,建立單柵多晶硅SOI晶體管器件的漏電流解析模型。在多晶硅納米線晶體管研究過程中,單柵多晶硅SOI晶體管器件以其技術(shù)日臻成熟,柵結(jié)構(gòu)簡結(jié)、短溝道效應(yīng)抑制能力強(qiáng)于傳統(tǒng)體硅晶體管器件,已成為其他多柵結(jié)構(gòu)多晶硅納米線晶體管建模研究的前提和基礎(chǔ)。首先,本文基于溝道部分耗盡假設(shè),考慮到能帶中具有單一指數(shù)分布的陷阱態(tài)和溝道中具有均勻分布的摻雜濃度對(duì)載流子密度的影響,建立單柵多晶硅SOI晶體管器件的一維泊松方程,并推導(dǎo)關(guān)于表面勢(shì)的隱含方程。注意到該方程由于以超越函數(shù)的形式描述了表面勢(shì)與柵源電壓、溝道電壓的數(shù)學(xué)關(guān)系,難以獲得適用于器件制備和電路設(shè)計(jì)模型所需的解析解,因此通過數(shù)學(xué)近似的方法,提出了表面勢(shì)的快速非迭代求解算法,并詳細(xì)分析了溝道電勢(shì)、陷阱態(tài)密度、和摻雜濃度對(duì)器件表面勢(shì)影響的物理機(jī)理。對(duì)比傳統(tǒng)的數(shù)值迭代求解算法,所提出的快速非迭代算法不僅提高了電路仿真器的計(jì)算效率并節(jié)約了計(jì)算資源,而且對(duì)比數(shù)值迭代的計(jì)算結(jié)果,其絕對(duì)誤差小于10-5v。其次,基于表面勢(shì),利用薄層電荷模型,建立單柵多晶硅soi晶體管器件的漏電流解析模型,該模型適用于器件的正向工作區(qū),可以在不同工作區(qū)之間無需引入光滑函數(shù)便實(shí)現(xiàn)自然過渡,并準(zhǔn)確地表征了各工作區(qū)及其之間過渡區(qū)域的漏電流特性。再者,對(duì)漏電流的高階效應(yīng),則綜合考慮了漏至勢(shì)壘降低(dibl)效應(yīng)和晶格散射機(jī)制對(duì)有效遷移率的影響,以及通過有效漏源電壓的函數(shù)形式描述了速度飽和效應(yīng)。最后,從轉(zhuǎn)移特性和輸出特性兩個(gè)方面,將所建立的漏電流模型的解析結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性和有效性。其二,建立雙柵多晶硅納米線晶體管器件的漏電流解析模型。由于器件的溝道薄且同時(shí)受到兩個(gè)柵極的作用,雙柵多晶硅納米線晶體管的短溝道抑制能力強(qiáng)于單柵多晶硅soi晶體管,但兩個(gè)柵極的共同作用和有源區(qū)材料甚薄使器件溝道完全耗盡,因此雙柵多晶硅納米線晶體管的中心電勢(shì)與表面勢(shì)之間存在耦合關(guān)系,這同時(shí)也是后續(xù)進(jìn)一步完成三柵和圍柵多晶硅納米線晶體管建模工作必需解決的核心問題。首先,對(duì)溝道任意摻雜的雙柵多晶硅納米線晶體管建立一維泊松方程,結(jié)合溝道完全耗盡狀態(tài)下的邊界條件,推導(dǎo)雙柵多晶硅納米線晶體管表面勢(shì)與中心電勢(shì)的耦合關(guān)系�；诜謪^(qū)域近似方法,利用lambertw函數(shù)等數(shù)學(xué)分析方法,分別在亞閾值1區(qū)、亞閾值2區(qū)和強(qiáng)反型區(qū)這三個(gè)工作區(qū)域中,非迭代地求解器件的表面勢(shì)與中心電勢(shì)。同時(shí),利用數(shù)值迭代計(jì)算結(jié)果驗(yàn)證了該算法的準(zhǔn)確性,并進(jìn)一步揭示溝道電勢(shì)、陷阱態(tài)密度和摻雜濃度等參量對(duì)表面勢(shì)的影響。針對(duì)分區(qū)域近似法在過渡區(qū)域物理意義不明確且誤差較大的問題,提出有效電荷密度方法,推導(dǎo)器件的表面勢(shì)與中心電勢(shì)的非迭代解,該表面勢(shì)求解算法完整統(tǒng)一,且無需引入光滑函數(shù),因此在過渡區(qū)域的精度得到提高。再者,基于表面勢(shì)與中心電勢(shì)的非迭代算法,考慮到器件溝道區(qū)的體反型現(xiàn)象,利用pao-sah重積分模型,解析求解雙柵多晶硅納米線晶體管的漏電流,并綜合考慮了dibl、晶格散射、速度飽和效應(yīng)等器件的高階效應(yīng)。最后,將提出的漏電流解析模型與不同溝道長度的雙柵多晶硅納米線晶體管的實(shí)驗(yàn)測(cè)試值進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果證明本文模型可以準(zhǔn)確地描述雙柵多晶硅納米線晶體管的直流特性。其三,建立三柵多晶硅納米線晶體管器件的漏電流解析模型。由于三個(gè)柵極同時(shí)控制溝道,因此三柵多晶硅納米線晶體管對(duì)器件短溝道效應(yīng)的抑制能力更優(yōu)于雙柵多晶硅納米線晶體管。注意到在直角坐標(biāo)系下,基于溝道電勢(shì)緩變近似和器件柵結(jié)構(gòu)的對(duì)稱性,單柵多晶硅soi晶體管和雙柵多晶硅納米線晶體管的泊松方程均可簡化為一維形式求解;然而,對(duì)于三柵多晶硅納米線晶體管而言,由于柵結(jié)構(gòu)對(duì)稱性的缺失,將導(dǎo)致描述器件電學(xué)特性的泊松方程僅可簡化成二維形式求解,這對(duì)非迭代求解表面勢(shì)并建立器件漏電流解析模型提出了新挑戰(zhàn)。首先,考慮到由于器件溝道的電勢(shì)滿足線性疊加原理,因此在器件物理上可將三柵多晶硅納米線晶體管拆分成類單柵多晶硅soi晶體管和類雙柵多晶硅納米線晶體管兩個(gè)部分的疊加,則二維泊松方程在數(shù)學(xué)處理上相應(yīng)地分解為x軸和y軸兩個(gè)方向上的一維泊松方程。接著基于分區(qū)域近似法,利用lambertw函數(shù)和中間變量方法,對(duì)上述兩個(gè)方向的泊松方程分別非迭代求解其表面勢(shì)與中心電勢(shì),并利用光滑函數(shù)完成各工作區(qū)域的連續(xù)過渡。疊加上述兩個(gè)部分的算法結(jié)果,推導(dǎo)三柵多晶硅納米線晶體管的表面勢(shì)和中心電勢(shì),從電勢(shì)疊加的角度解釋cornereffect。其次,基于中間變量,并考慮到溝道區(qū)的體反型現(xiàn)象,利用pao-sah重積分模型,解析求解三柵多晶硅納米線晶體管器件的漏電流。最后,與實(shí)驗(yàn)測(cè)量獲得的轉(zhuǎn)移特性和輸出特性進(jìn)行比較,驗(yàn)證了所提出的漏電流解析模型結(jié)果的準(zhǔn)確性和適用性。其四,建立圍柵多晶硅納米線晶體管器件的漏電流解析模型。由于圍柵結(jié)構(gòu)上的溝道區(qū)被柵極完全包圍,這相當(dāng)于四個(gè)柵極同時(shí)作用于器件溝道,因此圍柵多晶硅納米線晶體管的短溝道抑制能力最強(qiáng)。但對(duì)比單柵多晶硅soi、雙柵和三柵多晶硅納米線晶體管的器件結(jié)構(gòu),圍柵多晶硅納米線晶體管的柵結(jié)構(gòu)在柱坐標(biāo)系下才具備對(duì)稱性,這將導(dǎo)致非迭代求解表面勢(shì)并解析求解器件漏電流存在困難。首先,針對(duì)上述問題,綜合分區(qū)域近似和中間變量方法,以lambertw函數(shù)為核心,完成器件表面勢(shì)與中心電勢(shì)的非迭代求解;同時(shí),定義器件各工作區(qū)域的電壓范圍,并闡明摻雜濃度對(duì)各工作區(qū)表面勢(shì)的影響。其次,基于中間變量方法,解析求解pao-sah重積分,推導(dǎo)了器件漏電流的解析解。再者,給出有效遷移率的表達(dá)式,使之同時(shí)考慮到dibl、晶格散射、速度飽和等器件高階效應(yīng)對(duì)漏電流的影響。最后,分別將圍柵多晶硅納米線晶體管漏電流模型的算法結(jié)果與長溝道和短溝道器件的實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,驗(yàn)證模型的準(zhǔn)確性;同時(shí),結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析圍柵多晶硅納米線晶體管的陷阱態(tài)密度對(duì)器件漏電流的影響。綜上所述,本文提出的多晶硅納米線晶體管器件的直流緊湊模型,主要是以器件工作的物理機(jī)理和表面勢(shì)隱含方程的快速非迭代求解為基礎(chǔ)進(jìn)行建構(gòu),因此適用于嵌入智能系統(tǒng)的集成電路設(shè)計(jì)與器件制備的模擬軟件,用于完成計(jì)算機(jī)的模擬工作。全文從泊松方程出發(fā),推導(dǎo)了器件的表面勢(shì)與中心電勢(shì)的耦合關(guān)系,并非迭代地求解表面勢(shì)與中心電勢(shì),這一算法的精度高、模型參數(shù)的物理意義明確;同時(shí),考慮到溝道區(qū)存在體反型現(xiàn)象,器件的漏電流可由pao-sah重積分解析求解得到,這相對(duì)于薄層電荷模型,更具有運(yùn)算速度快、器件物理意義清晰等優(yōu)點(diǎn);此外,分別采用數(shù)值迭代計(jì)算、器件二維仿真工具和不同尺寸多晶硅納米線晶體管的實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果等方法,對(duì)所建立模型的準(zhǔn)確性和適用性進(jìn)行了充分的交叉驗(yàn)證。最后需要指出,考慮到非晶金屬氧化物納米線晶體管溝道薄膜材料的陷阱態(tài)分布與多晶硅材料相似,因此本文提出的多晶硅納米線晶體管器件直流緊湊模型的建模思想與方法,也可適用于構(gòu)建非晶金屬氧化物納米線晶體管器件的直流緊湊模型。
[Abstract]:......
【學(xué)位授予單位】：暨南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2016
【分類號(hào)】：TN32

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本文編號(hào)：1720035