考慮結(jié)深的超短溝道MOSFET二維半解析模型.pdf

1、隨著半導(dǎo)體制備工藝的高速發(fā)展，半導(dǎo)體器件的柵長不斷減小，IC芯片所含的器件數(shù)目也在呈幾何數(shù)字增長。目前器件的最小柵長已經(jīng)達(dá)到10到20nm，短溝效應(yīng)嚴(yán)重影響了器件特性，這給器件和電路的仿真模擬也帶來了一系列新的挑戰(zhàn)。同時，對集成電路設(shè)計(jì)人員而言，高速、精確的模型對提高集成電路與系統(tǒng)的性能，縮短研制周期都有著重要的價值。因此，對超短溝道的器件需要重新進(jìn)行建模以適應(yīng)半導(dǎo)體工藝的發(fā)展。
　　目前工程人員使用的半導(dǎo)體模型可以分為兩種，一是

2、進(jìn)行電路級別仿真的解析模型，特征是有簡約的電路特性解析表達(dá)式、計(jì)算量小、精確度不高，含有大量適配參數(shù)，例如:SPICE模型。另一類是進(jìn)行器件仿真的數(shù)值模型，例如:MEDICI、ATLAS TCAD等，特征是精度高、計(jì)算量大、不適用于電路級別的仿真。為了兼顧解析模型和數(shù)值模型的優(yōu)點(diǎn)，本文采用一種新的半解析法進(jìn)行建模，分別得到了深結(jié)MOSFET和淺結(jié)MOSFET的二維模型。文中采用的半解析方法來源于廣義多級理論，但是在待定系數(shù)的解法上有所區(qū)

3、別，具體的方法是:首先確定平面MOS器件的坐標(biāo)系，列出氧化層和空間電荷區(qū)的定解問題——包括泊松方程和邊界條件，然后求解每個區(qū)域的定解問題，得到含待定系數(shù)的級數(shù)和形式的二維電勢方程，接著按照區(qū)域銜接處的本構(gòu)關(guān)系方程，對方程兩端做特征函數(shù)展開，最后得到待定系數(shù)的線性矩陣。
　　目前的模型為了簡化邊界條件，都是將器件作為深結(jié)處理，即不考慮結(jié)深的影響，可是實(shí)際情況中結(jié)深對電勢特性是有著影響的，而且隨著器件尺寸的減小，結(jié)深的影響越來越大，深

4、結(jié)模型已經(jīng)不再適用。因此本文首先給出了深結(jié)情況下的電勢半解析模型，在此基礎(chǔ)上提出了考慮結(jié)深的MOSFET二維定解問題，及其對應(yīng)的邊界條件，并首次用半解析法求解得到了電勢的二維模型。從建模的結(jié)果可以看出，半解析法既有明確的解析表達(dá)式，又可以根據(jù)精度要求確定待定系數(shù)個數(shù)，是一種新的建模方法。
　　由于電勢模型中包含耗盡層厚度，而耗盡層厚度又是由電勢計(jì)算得到，對于超短溝道器件，必須要有精確的耗盡層厚度值才能得到精確的電勢模型，如果仍然使

5、用以往的耗盡層厚度模型，會導(dǎo)致模型精確度下降。本文給出了耗盡層厚度和電勢的自洽解法，根據(jù)耗盡層底部的邊界條件，進(jìn)行自洽迭代計(jì)算，最后得到結(jié)果。通過與MEDICI數(shù)值計(jì)算軟件對比發(fā)現(xiàn)，本文給出的自洽解法收斂速度快，計(jì)算量明顯小于數(shù)值模型的計(jì)算量。論文中還討論了基于二維電勢的短溝道亞閾值電流模型。文章最后對電勢、耗盡層厚度、亞閾值電流、以及閾值電壓進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，從對比結(jié)果可以看出，該模型的優(yōu)點(diǎn)是充分考慮了結(jié)深對器件特性的影響，精度與數(shù)值解