本论文的中心为超大规模集成电路计算机辅助设计的器件模型与模拟问题。基于集成电路技术的高速发展,电路集成度与性能的不断提高,器件等比例缩小已进入特征尺寸为深亚微米/纳米范畴,已达到了半导体器件的物理限制。因此,深亚微米/纳米级的 MOSFET 的新型结构研究,以及其建模和模拟研究,就成为有相当理论与实践意义的工作。 MOSFET 的研究简单概述为两个方面:一是 MOSFET 的等比例缩小,二是相应的器件模型及模拟。三维电路结构是集成电路结构技术的发展方向之一,需要研究新的结构技术及相应的建模和模拟。在器件尺寸已进入载流子输运特征尺寸范围的阶段,载流子输运模型的物理层次已从漂移扩散模型向半经典的玻耳兹曼输运模型、全量子模型发展。因而,发展新型的大规模集成电路(VLSI)器件结构,进行更高物理层次的建模与模拟,研究新的计算技术,是本论文的主要目标。 本论文的主要内容为:①研究MOSFET等比例缩小的物理限制与结构技术,建立新的器件结构。②研究适合于深亚微米/纳米级MOSFET的模型及模拟方法,包括半经典的玻耳兹曼输运、量子输运等的高层次模型,其计算技术与实现方法。③探讨在前述模型模拟基础上的器件载流子传输基本物理以及深亚微米/纳米级MOSFET的设计优化。 计算微电子学是一门以高速发展的集成电路对百万级偏微分方程和纳米级物理学方面日益增长的要求为方向,将器件模拟、电学性能模拟和统计模拟等功能模块集成为统一的系统,为集成电路采用新器件、新工艺以及设计优化提供深层次的物理依据。计算微电子学把微电子学与计算数学联系在一起,更多地涉及物理学概念和数值分析技术。 从超大规模集成电路的MOSFET等比例缩小及其物理限制研究入手,对MOSFET结构的建模、模拟以及结构影响进行研究,包括绝缘层上的薄膜制备结构、垂直导电结构和槽沟结构,提出了VLSI的新器件结构:绝缘层上的Si薄膜制备垂直导电结构(V-SOI)。此类模拟采用了pisces-Ⅱ工具, 这是一个商业化的二维半导体器件模拟器。 以此结构为基础,进行扩散漂移模型、玻耳兹曼输运模型、全量子模型等层次的建模及模拟研究;对于高层次的模型,探讨实用型的解析式模型和新计算技术下的数值模型。 玻耳兹曼输运方程是经典粒子运动的牛顿力学机理与散射能态跃迁的量子机理相结合的产物。本文分别研究了玻耳兹曼输运方程基于物理简化的解析解模型和基于 I<WP=4>计算数学的直接数值解模型,前者建立了一个 BSIM3 形式的实用模拟器,并通过改编 CMOSIS 程序得以实现。后者引入了微分方程数值解法中的有限元方法,建立了器件模型,模拟计算和曲线绘制用 matlab 编制完成。 在深亚微米至纳米范围,量子效应对器件性能的影响开始显现出来。量子输运模拟 就 是 要 完 成 一 个 多 粒 子 相 互 作 用 系 统 的 薛 定 谔 方 程 与 泊 松 方 程(Schr?dinger–Poisson)的收敛解,其复杂程度和计算量都非常大。非平衡格林函数方式提供了一个原子级的量子机理模型,以此对器件进行量子模拟。模拟器为PURDUE 大学的 NanoMOS 程序,是基于非平衡格林函数方式的、专为纳米级MOSFET 模拟研究而开发的。 在玻耳兹曼输运模型和量子输运模型基础上,讨论深亚微米/纳米器件载流子输运的基本物理,探索接近最终缩小极限的器件设计理论问题,并以国际半导体技术发展指南(TIRS)提出的2016年代晶体管为目标参量,进行新器件结构的设计优化。 建立在量子力学基础上的半导体微结构输运现象研究,是现代半导体物理学与微电子学方面十分重要的课题。本文对以上模拟结果中所出现的部分输运现象进行了探讨,某些特别输运现象反映了新的量子输运机理的开启,值得作进一步的研究。 总之,本文围绕着MOSFET的等比例缩小及其模型和模拟作了广泛的研究工作,涉及到了目前MOSFET模型、模拟研究的主要领域和应用方法,得到了一些有益的结果。