【摘 要】
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伴随着集成电路产业的高速发展,当前主流的半导体制造工艺已进入7nm尺寸。为了满足规模更大、速度更高、功耗更低的集成电路芯片的制造要求,尺寸不断缩小的传统COMS器件所面临的各种短沟道效应、功耗等问题愈发严重,已逐渐接近其正常工作的物理极限。为适应集成电路芯片的性能要求,急需要新型的纳米器件去代替传统的晶体管器件。其中负电容场效应管NCFET是一种与当前主流集成电路制造工艺相容并有望突破晶体管物理极
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伴随着集成电路产业的高速发展,当前主流的半导体制造工艺已进入7nm尺寸。为了满足规模更大、速度更高、功耗更低的集成电路芯片的制造要求,尺寸不断缩小的传统COMS器件所面临的各种短沟道效应、功耗等问题愈发严重,已逐渐接近其正常工作的物理极限。为适应集成电路芯片的性能要求,急需要新型的纳米器件去代替传统的晶体管器件。其中负电容场效应管NCFET是一种与当前主流集成电路制造工艺相容并有望突破晶体管物理极限的新型低电压低功耗器件。NCFET器件是通过将具有负电容特性的铁电材料与晶体管器件（称为基准器件）的栅极串接形成,并利用铁电材料的负电容特性使其亚阈值摆幅可以改善到60mV/dec以下。较小亚阈值摆幅的NCFET器件具有较小的漏电流,并在低电压时仍具有足够的导通电流,从而实现低功耗的目标。本文将一定厚度的铁电材料HfO2应用到独立栅FinFET（IG-FinFET）器件的前栅和后栅表面,构成具有对称结构的负电容独立栅FinFET器件（NC-IG-FinFET）,并针对NC-IG-FinFET新器件构建了TCAD仿真模型和Hspice电路仿真模型。与NC-FinET器件相比,本文提出的NC-IG-FinFET新器件具有阈值电压可调、电路结构更加灵活、电源电压更低等优点。本文主要创新点如下:1、构建了具有对称结构的负电容独立栅FinFET器件（NC-IG-FinFET）,通过对器件的栅功函数、结构尺寸和铁电材料等参数进行优化,以开关电流比、导通电流、关断电流为优化目标,获得了性能良好的负电容低阈值独立栅FinFET（NC-LT-IG-FinFET）和负电容高阈值独立栅FinFET（NC-HT-IG-FinFET）新器件。2、对NC-LT-IG-FinFET和NC-HT-IG-FinFET新器件进行TCAD整体建模和模块化建模。其中整体建模是将铁电材料和基准器件IG-FinFET作为一个整体进行TCAD仿真建模,而模块化建模是将铁电材料和基准器件分成两个模块分别进行建模,最后通过自洽一致的求解方式进行整体建模,其中基准器件IG-FinFET采用基于物理分析和实验测试数据进行修正的TCAD3D仿真模型,而铁电材料则采用L-K方程进行建模。3、构建了适用于NC-IG-FinFET器件的Hspice电路仿真模型,为后续研究NC-IG-FinFET器件的电路应用提供仿真基础。本课题的研究结果表明,我们构建出的NC-IG-FinFET新器件具有阈值电压可调、工作电压较低等优点。我们通过优化参数构建出的NC-LT-IG-FinFET、NC-HT-IG-FinFET新器件,和基准器件相比,具有较小的亚阈值摆幅和较大的开关电流比,在降低功耗方面具有显著的优势,这对纳米器件的发展具有一定的意义。
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