横向多栅极SOI MOS的研究及电路应用

摘要

在VLSI的设计中,为了提高电路的性能价格比,较为重要的一点就是考虑节省芯片面积.由于SOI技术除了功耗低、速度快等特性外,还具有寄生电容小、无闩锁效应、抗辐照耐高温等突出优点.本文提出一种可以实现单管多驱动的横向多栅极SOI MOS器件结构,并且应用于神经元的突触电路和匹配电路设计中,以横向多栅极器件代替普通MOS器件,可以节省芯片面积. 利用三维器件模拟软件ISE TCAD,结合0.5μm全耗尽SOI工艺,建立符合亚微米级要求的横向多栅极SOI MOS和普通SOI MOS三维器件结构模型.在相同的结构与工艺参数条件下,对横向多栅极结构和普通MOS结构垂直沟道方向以及沟道电流方向上的电子空穴浓度、电子空穴电流密度、电子迁移率以及电子饱和速率进行了比较分析,比较结果表明横向多栅极SOI MOS器件仅仅在栅极存在的区域存在电流通路；栅极间的裸漏区域并没有受到栅极间强电场的影响而出现电流通路；而且栅极覆盖下源漏区也没有受到栅极纵向强电场的影响.在这个基础之上,对横向多栅极SOI MOS器件的输出特性以及转移特性进行了特性仿真分析,并且与相同结构参数的普通SOI MOS器件进行了比较,模拟结果表明横向多栅极器件的驱动电流与其栅极宽度成正比；而且横向多栅极器件的栅极宽度与普通MOS器件的沟道宽度相同的情况下,它们的饱和漏电流几乎相同；横向多栅极SOI MOS器件栅极工作状态的变化并不影响阈值电压的改变,并且与普通SOI MOS器件的阈值电压一致. 此外,提出一套适合横向多栅极器件的顶层工艺流程并进行了工艺模拟,建立了结构图与掺杂网格图,达到横向多栅极结构的工艺要求.应用横向多栅极SOI MOS器件设计了多跳变时间与逻辑阈值的神经元突触电路和匹配电路.电路仿真结果,在有效减小电路面积的同时,电路功能正确,达到设计指标.

目录

文摘

英文文摘

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1绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3本文的主要内容

2结构建立与物理模型选取

2.1结构模型的建立

2.1.1结构模型考虑

2.1.2结构参数的选取

2.2模拟方法

2.2.1模拟软件简介

2.2.2模拟方法

2.3器件物理模型的选取

2.3.1流体力学能量输运模型

2.3.2量子学模型

2.3.3迁移率模型

2.3.4载流子复合模型

2.3.5载流子产生模型

2.4本章小结

3横向多栅极SOI MOS与普通SOI MOS的比较

3.1结构的建立

3.2三维结构的纵向参数比较

3.2.1沟道强反型电子空穴浓度的比较

3.2.2电子空穴电流密度的比较

3.2.3电子迁移率与电子饱和速率的比较

3.3二维结构的横向参数比较

3.3.1沟道强反型电子空穴浓度的比较

3.3.2电子空穴电流密度的比较

3.3.3电子迁移率与电子饱和速率的比较

3.4横向多栅极结构自身二维横向参数比较

3.4.1沟道强反型电子空穴浓度的比较

3.4.2电子空穴电流密度的比较

3.4.3电子迁移率与电子饱和速率的比较

3.5本章小节

4横向多栅极SOI MOS特性分析与工艺探索

4.1 SOI MOS器件的理论模型

4.1.1阈值电压模型

4.1.2速度饱和电流模型

4.2横向多栅极SOI器件的特性分析

4.2.1饱和漏电流模拟分析

4.2.2阈值电压模拟分析

4.3横向多栅极结构顶部工艺仿真

4.3.1横向多栅极与普通结构工艺流程的区别

4.3.2横向多栅极结构工艺仿真

4.4本章小节

5基于横向多栅极SOI MOS的电路应用

5.1神经元电路设计

5.1.1多阈值神经元模型

5.1.2神经元电路设计

5.2匹配电路设计

5.3横向多栅极MOS电路与实测曲线

5.4本章小结

6结论

致谢

参考文献

在校期间发表的论文