基于三维电势分布的新型围栅MOSFET研究

摘要

近年来，由于科技的飞速发展，集成化程度越来越高。为满足集成电路发展的要求，金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET，Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor)的特征尺寸不断减小。同时也带来一些不好的结果，严重影响MOS器件的可靠性。这对工艺技术的发展提出了更高要求，如超浅结技术、应变沟道技术等。同时出现了许多新型的三维结构，如双栅和围栅(CSG，Cylindrical Surrounding-gate)MOSFET等。其中CSG MOSFET的整个沟道被栅包围，使得栅对沟道有良好的控制力，有效抑短沟道效应。CSG MOSFET的短沟道效应提高，使晶体管尺寸得以进一步缩小。以上诸多优势使得CSG MOSFET成为扩展纳米级CMOS缩放比例的电路设计中最有前途的结构之一。
　　本文从CSG MOSFET沟道结构设计出发，主要研究阶梯掺杂沟道(steepedSC,doping channel)CSG MOSFET。和均匀掺杂沟道CSG MOSFET的工作机制、物理模型及性能相比，分析提高MOS器件的击穿特性和抑制热载流子效应的方法。
　　首先，使用三维仿真软件ATLAS模拟仿真SC CSG MOSFET的沟道结构特性:不同高掺杂浓度和高掺杂区域长度。详细分析不同沟道结构下SC CSGMOSFET电势、电场、Id-Vds和Id-Vgs等特性。接着分析栅长对SC DGMOSFET和SC CSG MOSFET两种结构的阈值电压下降和漏感应势垒降低等短沟道效应效应。结果表明，SC CSG MOSFET具有能明显减小短沟道效应和热载流子效应的影响等优点。
　　其次，在圆柱坐标系下，建立了SC CSG MOSFET的三维体电势模型。在本文中，此模型同时计入耗尽电荷和自由电荷的影响，可以更加精确的描述开态势场。求解过程中，使用分离变量法和傅里叶逆变换法相结合，得到了SCCSG MOSFET的体电势模型。然后基于二维模型，推导了SC CSG MOSFET的阈值电压的解析模型。
　　最后，比较了CS CSG MOSFET的建模结果和ATLAS模拟仿真结果，分析验证了模型的准确性。通过对不同沟道结构的SC CSG MOSFET电势、电场和短沟道效应进行分析，结果表明，SC CSG MOSFET改善了短沟道效应和热载流子效应，提高了击穿特性。而且SC CSG MOSFET受高掺杂浓度变化的影响比较大，漏感应势垒降低效应先增大后减小;而高掺杂区域长度对它影响比较小，但影响沟道迁移率和载流子的速度。此外通过对SC CSG MOSFET沟道结构优化进行分析，可以提高器件的可靠性。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 MOS晶体管的发展

1．2 CSG MOSFET

1．3 SC(Stepped doping Channel)CSG MOSFET

1．4 论文的主要内容和安排

第二章 SC CSG MOSFET的短沟道特性分析

2．1 基本特性

2．1．1 电势

2．1．2 电场

2．1．3 载流子的速度vn

2．1．4 载流子的迁移率μn

2．1．5 Id-Vds

2．1．6 Id-Vgs

2．2 SCE分析

2．2．1 栅长

2．3 仿真工具介绍

2．4 本章小结

第三章 SC CSG MOSFET的建模

3．1 SC CSG MOSFET的体电势模型

3．1．1 一维电势求解

3．1．2 二维电势求解

3．2 阈值电压Vt

3．2．1 亚阈值摆幅SS模型

4．2．2 漏感应势垒降低效应DIBL模型

3．4 本章小结

第四章 CS CSG MOSFET的模型分析

4．1 基本特性

4．1．1 电势

4．1．2 电场

4．2 SCE分析

4．2．1 阈值电压Vt

4．2．2 亚阈值摆幅SS

4．2．3 漏感应势垒降低效应DIBL

4．2．3 参数优化设计

4．3 本章小结

第五章 结论

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

致谢

攻读学位期间发表的学术论文