纳米片晶体管凭借良好的静电完整性和优异的栅对沟道控制能力,已经成为下一代先进场效应晶体管的有力竞争者。然而,对于如此微小且复杂的晶体管结构,随机离散掺杂、刻线边缘粗糙度和金属栅颗粒性等器件统计可变性来源及量子限制效应对它的性能参数的影响是不容忽视的,其中刻线边缘粗糙度导致纳米片沟道发生了原子级厚度变化,这会带来与量子限制可变效应相关的附加的统计可变性问题。因此,系统研究这些统计可变性来源与量子限制可变效应的相互作用对纳米片晶体管关键性能参数的影响具有重要意义。本课题分为两部分来开展,第一部分:系统研究薄纳米片晶体管中的量子限制可变效应及相关的静电性能。首先,通过二维泊松薛定谔量子仿真,发现了重要的量子限制可变效应存在于静电性能因子对薄纳米片厚度变化的非线性响应之中。其次,研究了强沟道截面几何结构依赖的静电性能因子。最后,对刻线边缘粗糙度导致纳米片沟道截面厚度的变化进行了建模,并研究与分析了与量子限制可变效应相关联的纳米片晶体管静电性能变化。第二部分:系统研究器件统计可变性与量子限制可变效应的相互作用对三维纳米片晶体管关键性能参数的影响。首先,在Sentaurus TCAD中搭建了三维水平堆叠的5 nm纳米片晶体管仿真平台,其中密度梯度量子修正模型被二维泊松薛定谔量子仿真严格校准,并保证器件源漏电流与栅源电压转移特性仿真曲线与实验数据相匹配。其次,研究了工艺偏差导致的纳米片晶体管关键性能参数的全局可变性,发现4 nm厚沟道的纳米片晶体管拥有最佳的器件性能。最后,通过耦合量子限制可变效应,进行统计可变性仿真。研究发现:产生于扩展区的随机离散掺杂,导致了最大的饱和导通电流浮动,尤其对于短沟道器件。金属栅颗粒性仍然是主要的统计可变性来源,但是强烈的量子限制可变效应对它的影响是轻微的。而由于附加量子限制可变效应的影响,刻线边缘粗糙度给薄纳米片晶体管造成了较大的阈值电压浮动。