论文部分内容阅读
以载流子扩散-漂移运动为电流传输机制的CMOS/FinFET工艺器件的亚阈值摆幅有着根本性的最小值限制,即常温下不能低于60mV/dec,这就是著名的“波尔兹曼暴政”。“波尔兹曼暴政”限制着器件工作电压和功耗的进一步缩小,随着器件尺寸缩小遇到瓶颈,寻求减小功耗的方法变得迫在眉睫。负电容场效应管(Negative Capacitance Field-Effect Transistor,NCFET)是一种可以有效改善器件亚阈值摆幅的新型器件。NCFET使用带有负电容特性的材料做为栅氧化层。具有负电容特性的栅极氧化层可以视为一种电压放大器,能够放大器件的内部栅电压,从而改善器件的亚阈值摆幅。本文提出一种金属-铁电-金属-绝缘层-半导体-绝缘层-金属结构的NCFET,因其前栅和背栅的结构不对称,背栅主要用来调节器件的阈值电压,因而叫做独立栅NC-FinFET。独立栅NC-FinFET由于克服了“波尔兹曼暴政”的限制,在较低的工作电压下仍保持足够的导通电流,且它的阈值电压可通过背栅偏压来调节,因此适合于低功耗电路的设计。为了对独立栅NC-FinFET进行较全面的研究,本文主要做了以下五个方面的工作:1、构建了独立栅NC-FinFET器件结构。根据预期目标设计独立栅NC-FinFET的物理结构,选定合适的铁电材料。2、对独立栅NC-FinFET器件进行了建模。构建了独立栅NC-FinFET的电容模型,进而推导出独立栅NC-FinFET的表面电势、亚阈值摆幅及漏电流和导通电流等性能参数与各部分电容间的关系。3、构建了适用于独立栅NC-FinFET的Hspice仿真模型。将铁电的L-K模型和独立栅器件的BSIM模型联系起来,构建了用于独立栅NC-FinFET器件和电路仿真的Hspice仿真模型。4、完成了器件的物理参数优化。使用独立栅NC-FinFET的理论分析模型进行了器件性能分析,结合器件仿真,明确了铁电厚度、普通绝缘层厚度、体厚度和栅功函数等参数的适用范围及对器件性能的影响趋势,确定了性能最优化的独立栅NC-FinFET的器件参数。5、使用独立栅NC-FinFET进行了电路级的仿真验证。对典型的组合电路和时序电路进行了仿真验证,对比独立栅NC-FinFET与基准器件构成电路的性能。本文的设计方法:根据构建的器件模型,预测各部分结构参数变化对器件性能的影响,进而使用Hspice软件借助独立栅NC-FinFET的仿真模型对独立栅NC-FinFET进行仿真和优化。考虑电路的功耗延时积(PDP)作为电路性能的衡量指标,确定器件在电路中的工作模式,并构建低功耗电路。仿真结果与理论分析结果一致,表明独立栅NC-FinFET具有更加优异的性能,更加适合用于低功耗电路的设计。相比于基准器件,独立栅NC-FinFET器件在更低的工作电压下实现了更小的漏电流和更大的导通电流。优化后独立栅NC-FinFET构成的电路相对基准FinFET的电路,在PDP得到很大优化的情况下功耗也普遍优化了50%~80%,电路的低功耗性能得到了明显提高。