纳米CMOS器件新结构与阈值电压模型研究

摘要

互补氧化物半导体（Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS）器件尺寸进入深亚微米以后，传统的金属氧化物半导体场效应晶体管MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）的短沟道效应（Short Channel Effects，SCEs）造成的器件性能退化越来越严重。国内外提出了许多新的器件结构和改进方法来抑制器件的短沟道效应，提高器件的性能和工作效率。其中双材料栅（Dual Material Gate，DMG）结构和双介质（Dual Insulator，DI）栅结构是通过改变沟道内的电势和电场分布的方法，能够同时抑制短沟道效应和提升载流子输运效率的新结构。
　　本论文将DMG结构应用于体硅鱼鳍型场效应晶体管（Bulk-Fin Field-Effect Transistor， Bulk-FinFET）结构，提出了一种新的器件结构 DMG-Bulk-FinFET。并且用三维仿真软件DAVINCI模拟比较了新结构与传统的体硅FinFET结构的性能，验证了新结构的可行性以及比起传统结构在抑制漏致势垒降低效应（Drain-Induced-Barrier-Lowering，DIBL），提高输出电流和跨导等性能方面的优势。通过比较 DMG结构的两种材料栅长比例和功函数差值这两个重要参数对器件各方面性能的影响，设计了DMG结构应用在体硅FinFET上时最优的结构参数。
　　本论文还求解了双介质双栅MOSFET（Dual Insulator-Double Gate MOSFET，DI-DG MOSFET）结构的表面电势模型。在电势模型的基础上，利用阈值电压的物理意义给出了阈值电压的求解方程，并解得通用的阈值电压表达式和长沟阈值电压表达式。比较二维仿真软件MEDICI的模拟结果和模型解析结果，验证了模型的准确性。分析了DI-DG MOSFET器件的不同结构参数对DI-DG MOSFET器件的沟道表面电势和阈值电压的影响。

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第一章 绪论

1.1 MOSFET的短沟道效应

1.2 MOSFET的结构工程

1.3本论文的主要工作

第二章 双材料栅FinFET新结构

2.1器件结构

2.2工作机理

2.3栅长的优化设计

2.4功函数的优化设计

2.5本章小结

第三章 双介质双栅MOSFET的表面电势模型

3.1DG MOSFET表面电势模型推导

3.2DI-DG MOSFET表面电势模型推导

3.3DI-DG MOSFET表面电势模型验证

3.4本章小结

第四章 双介质双栅MOSFET的阈值电压模型

4.1模型推导

4.2模型验证

4.3本章小结

第五章 总结与展望

5.1总结

5.2展望

参考文献

附录1 攻读硕士学位期间撰写的论文

致谢