內(nèi)容簡介
本書是對作者在納米級場效應(yīng)晶體管領(lǐng)域科研學(xué)術(shù)成果的系統(tǒng)性論述，具體內(nèi)容包括納米級場效應(yīng)晶體管寄生電容模型、傳統(tǒng)納米級金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管機理模型、新興無結(jié)型場效應(yīng)晶體管機理模型以及無結(jié)型場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在建模的過程中，充分考慮了器件的具體結(jié)構(gòu)和摻雜濃度等參數(shù)對器件工作特性的影響，系統(tǒng)地建立了具有雙柵、圍柵等多柵結(jié)構(gòu)的納米級場效應(yīng)晶體管的機理模型體系，并給出了深納米級尺度下新興無結(jié)場效應(yīng)晶體管的優(yōu)化方案。
本書可供材料、電子、精密儀器等專業(yè)科研和工程技術(shù)人員參考使用。
前 言
集成芯片技術(shù)的發(fā)展，強有力地推動著金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管技術(shù)的進(jìn)步。發(fā)展更小的金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管意味著在一個較小的區(qū)域?qū)崿F(xiàn)具有相同的功能的芯片，或在芯片的同一區(qū)域內(nèi)具有更多的功能。由于晶片制造成本相對固定，每個集成芯片的成本主要取決于在每個晶圓上所生成的芯片的數(shù)量，因此，更小的集成電路允許在每個晶圓上制造更多的芯片，以此降低芯片的制造成本。然而當(dāng)尺寸縮小至納米級時，集成電路的寄生元器件會對電路特性帶來顯著影響。同時，尺寸縮小也會對單元器件——金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管的自身性能造成嚴(yán)重影響。為有效克服納米級短溝道效應(yīng)，多柵技術(shù)應(yīng)運而生。同時，由尺寸減小所帶來的另一個問題是短溝道器件需要極陡的源極和漏極結(jié)的形成，這就使得在幾個納米的距離內(nèi)要實現(xiàn)多個數(shù)量級的濃度差，這樣的濃度梯度對于摻雜和熱處理工藝有極高的要求。為解決此問題，無結(jié)型晶體管技術(shù)應(yīng)運而生。
鑒于寄生元器件、多柵技術(shù)和無結(jié)技術(shù)對納米級場效應(yīng)晶體管集成電路技術(shù)的發(fā)展的重要作用，作者近年來致力于對納米級集成電路的寄生電容特性、納米級多柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和無結(jié)型場效應(yīng)晶體管的工作機理的研究，成功研發(fā)了適用于納米級集成電路的寄生電容模型、適用于納米級雙柵和圍柵結(jié)構(gòu)金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管和無結(jié)型場效應(yīng)晶體管的機理模型，并提出了具有低泄漏電流、高通態(tài)阻斷電流比、低亞閾值擺幅的高性能納米級場效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。
本書由沈陽工業(yè)大學(xué)靳曉詩、劉溪撰寫，其中靳曉詩撰寫完成第1，4～6章，共計21萬字，劉溪撰寫完成第2、3章，共計15萬字。作者以自己近年來在國際期刊上所發(fā)表的學(xué)術(shù)論文為基礎(chǔ)，經(jīng)過系統(tǒng)的整理，建立了一套適用于納米級場效應(yīng)晶體管寄生電容模型的工作機理模型，并提出了一套適用于納米級無結(jié)晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。望本書能對有興趣致力于新型納米級場效應(yīng)晶體管研究的廣大科研工作者有參考作用。
在此，作者衷心感謝韓國首爾國立大學(xué)李宗昊教授和韓國慶北國立大學(xué)李正熙教授對作者在該領(lǐng)域所給予的悉心指導(dǎo)，感謝父母和親友對作者在科研道路上所給予的支持與鼓勵。
由于作者水平有限，書中難免存在不足之處。敬請各位同行專家和讀者對本書的不足提出寶貴意見。
靳曉詩 劉 溪
目 錄
第1章 緒論 1
1.1 CMOS超大規(guī)模集成電路技術(shù)發(fā)展與現(xiàn)狀分析 1
1.2 內(nèi)容概述 12
第2章 納米級MOSFETs的寄生電容模型 15
2.1 過往亞微米級寄生電容模型回顧 15
2.1.1 概述 15
2.1.2 幾種常見的寄生電容模型介紹 18
2.2 考慮源漏接觸電極影響的深亞微米寄生電容模型 27
2.2.1 概述 27
2.2.2 柵極側(cè)壁電容 (Cside) 28
2.2.3 柵極頂部電容與總寄生電容 36
2.3 基于精準(zhǔn)邊界條件的全解析寄生電容模型 41
2.3.1 概況 41
2.3.2 柵極側(cè)壁電容 42
2.3.3 柵極頂部電容與總寄生電容 47
第3章 納米級金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管模型 51
3.1 平面單柵極體硅金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管模型 51
3.1.1 能帶理論 51
3.1.2 一個平面金屬氧化物半導(dǎo)體電容器的標(biāo)準(zhǔn)模型 57
3.1.3 一個平面單柵極金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管器件的標(biāo)準(zhǔn)模型 62
3.2 長溝道未摻雜雙柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管漏源電流模型 64
3.2.1 概述 64
3.2.2 結(jié)構(gòu)與模型 65
3.2.3 模型驗證 69
3.3 長溝道摻雜雙柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管漏源電流模型 70
3.3.1 概述 70
3.3.2 結(jié)構(gòu)與模型 71
3.3.3 模型驗證 73
3.4 短溝道雙柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管亞閾值伏安特性模型 77
3.4.1 概述 77
3.4.2 結(jié)構(gòu)與模型 77
3.4.3 模型驗證 81
3.5 非對稱短溝道雙柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管建模 84
3.5.1 概述 84
3.5.2 結(jié)構(gòu)與模型 85
3.5.3 模型驗證 88
3.6 長溝道摻雜圍柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管模型 92
3.6.1 概述 92
3.6.2 結(jié)構(gòu)與模型 93
3.6.3 模型驗證 95
3.7 短溝道摻雜圍柵金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管模型 99
3.7.1 概述 99
3.7.2 結(jié)構(gòu)與模型 100
3.7.3 模型驗證 104
第4章 無結(jié)型場效應(yīng)晶體管建模研究 112
4.1 長溝道雙柵極無結(jié)晶體管模型 112
4.1.1 概述 112
4.1.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 112
4.1.3 電場與電勢分布模型 113
4.1.4 漏源電流模型 116
4.1.5 模型驗證 117
4.2 長溝道圍柵極無結(jié)晶體管模型 123
4.2.1 概述 123
4.2.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 124
4.2.3 電場與電勢分布模型 124
4.2.4 漏源電流模型 126
4.2.5 模型驗證 127
4.3 基于分離變量法的短溝道對稱雙柵無結(jié)晶體管亞閾值模型 131
4.3.1 概述 131
4.3.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 132
4.3.3 模型建立 132
4.3.4 模型驗證 135
4.4 基于拋物線法的短溝道對稱雙柵極無結(jié)晶體管緊湊亞閾值模型 141
4.4.1 概述 141
4.4.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 142
4.4.3 模型建立 142
4.4.4 模型驗證 145
4.5 基于分離變量法的短溝道非對稱雙柵無結(jié)型場效應(yīng)晶體管模型 151
4.5.1 概述 151
4.5.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 152
4.5.3 模型建立 153
4.5.4 模型驗證 155
4.6 基于拋物線法的短溝道圍柵無結(jié)晶體管緊湊亞閾值模型 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)說明 164
4.6.3 模型建立 164
4.6.4 模型驗證 168
第5章 納米級無結(jié)場效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)優(yōu)化 180
5.1 溝道邊緣處柵極氧化物厚度優(yōu)化方案 180
5.1.1 雙柵無結(jié)場效應(yīng)晶體管優(yōu)化 180
5.1.2 立體柵無結(jié)場效應(yīng)晶體管優(yōu)化 192
5.2 不同介電常數(shù)柵極氧化物結(jié)合使用優(yōu)化方案 201
5.2.1 雙柵無結(jié)場效應(yīng)晶體管優(yōu)化 201
5.2.2 立體柵無結(jié)場效應(yīng)晶體管優(yōu)化 205
5.3 短溝道優(yōu)化——馬鞍型折疊柵無結(jié)場效應(yīng)晶體管 210
第6章 結(jié)論 220
附錄A 共形映射 224
A.1 坐標(biāo)系的變換 224
A.2 用復(fù)變函數(shù)法轉(zhuǎn)換 227
附錄B Schwarz-Christoffel映射 229
附錄C 泊松積分公式 231
參考文獻(xiàn) 233
