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編輯推薦

作者以自己近年來在國際期刊上所發錶的學術論文為基礎，經過係統的整理，建立瞭一套適用於納米級場效應晶體管寄生電容模型的工作機理模型，並提齣瞭一套適用於納米級無結晶體管的結構優化方案。望本書能對有興趣緻力於新型納米級場效應晶體管研究的廣大科研工作者有參考作用。

內容簡介

本書是對作者在納米級場效應晶體管領域科研學術成果的係統性論述，具體內容包括納米級場效應晶體管寄生電容模型、傳統納米級金屬氧化物半導體場效應晶體管機理模型、新興無結型場效應晶體管機理模型以及無結型場效應晶體管的結構優化。在建模的過程中，充分考慮瞭器件的具體結構和摻雜濃度等參數對器件工作特性的影響，係統地建立瞭具有雙柵、圍柵等多柵結構的納米級場效應晶體管的機理模型體係，並給齣瞭深納米級尺度下新興無結場效應晶體管的優化方案。
本書可供材料、電子、精密儀器等專業科研和工程技術人員參考使用。

目錄

目 錄

第1章 緒論 1
1.1 CMOS超大規模集成電路技術發展與現狀分析 1
1.2 內容概述 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迴顧 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 柵極側壁電容 (Cside) 28
2.2.3 柵極頂部電容與總寄生電容 36
2.3 基於精準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體場效應晶體管模型 51
3.1 平麵單柵極體矽金屬氧化物半導體場效應晶體管模型 51
3.1.1 能帶理論 51
3.1.2 一個平麵金屬氧化物半導體電容器的標準模型 57
3.1.3 一個平麵單柵極金屬氧化物半導體場效應晶體管器件的標準模型 62
3.2 長溝道未摻雜雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管漏源電流模型 64
3.2.1 概述 64
3.2.2 結構與模型 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體場效應晶體管漏源電流模型 70
3.3.1 概述 70
3.3.2 結構與模型 71
3.3.3 模型驗證 73

3.4 短溝道雙柵金屬氧化物半導體場效應晶體管亞閾值伏安特性模型 77
3.4.1 概述 77
3.4.2 結構與模型 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體場效應晶體管建模 84
3.5.1 概述 84
3.5.2 結構與模型 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體場效應晶體管模型 92
3.6.1 概述 92
3.6.2 結構與模型 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體場效應晶體管模型 99
3.7.1 概述 99
3.7.2 結構與模型 100
3.7.3 模型驗證 104
第4章 無結型場效應晶體管建模研究 112
4.1 長溝道雙柵極無結晶體管模型 112
4.1.1 概述 112
4.1.2 器件結構和參數說明 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 長溝道圍柵極無結晶體管模型 123
4.2.1 概述 123
4.2.2 器件結構和參數說明 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 基於分離變量法的短溝道對稱雙柵無結晶體管亞閾值模型 131
4.3.1 概述 131
4.3.2 器件結構和參數說明 132
4.3.3 模型建立 132
4.3.4 模型驗證 135
4.4 基於拋物綫法的短溝道對稱雙柵極無結晶體管緊湊亞閾值模型 141
4.4.1 概述 141
4.4.2 器件結構和參數說明 142
4.4.3 模型建立 142
4.4.4 模型驗證 145
4.5 基於分離變量法的短溝道非對稱雙柵無結型場效應晶體管模型 151
4.5.1 概述 151
4.5.2 器件結構和參數說明 152
4.5.3 模型建立 153
4.5.4 模型驗證 155
4.6 基於拋物綫法的短溝道圍柵無結晶體管緊湊亞閾值模型 163
4.6.1 概述 163
4.6.2 器件結構和參數說明 164
4.6.3 模型建立 164
4.6.4 模型驗證 168
第5章 納米級無結場效應晶體管的結構優化 180
5.1 溝道邊緣處柵極氧化物厚度優化方案 180
5.1.1 雙柵無結場效應晶體管優化 180
5.1.2 立體柵無結場效應晶體管優化 192
5.2 不同介電常數柵極氧化物結閤使用優化方案 201
5.2.1 雙柵無結場效應晶體管優化 201
5.2.2 立體柵無結場效應晶體管優化 205
5.3 短溝道優化——馬鞍型摺疊柵無結場效應晶體管 210
第6章 結論 220
附錄A 共形映射 224
A.1 坐標係的變換 224
A.2 用復變函數法轉換 227
附錄B Schwarz-Christoffel映射 229
附錄C 泊鬆積分公式 231
參考文獻 233

精彩書摘

第2章 納米級MOSFETs的
寄生電容模型
2.1 過往亞微米級寄生電容模型迴顧
2.1.1 概述
　　金屬氧化物半導體場效應晶體管器件的寄生電容在邏輯柵極的轉換延遲中起到關鍵作用，因為對於給定的電流來說，電容決定瞭柵極在一個能夠開啓(關閉)源漏電流的特定電勢下充放電的速度。金屬氧化物半導體場效應晶體管的電容可以分為兩大類，即本徵電容和寄生電容。在這一章中，我們對早期微米尺度下沒有考慮源漏接觸對寄生電容影響的假定下所建立的寄生電容模型作齣一個簡潔的概述，並以此作為後續章節的知識背景。
1. 金屬氧化物半導體場效應晶體管的本徵電容
　　金屬氧化物半導體場效應晶體管的本徵電容(見圖2.1.1)齣現在溝道中的反型層和耗盡層電荷區。金屬氧化物半導體場效應晶體管的柵極電容分成三個區域來考慮：亞閾值區、綫性區和飽和區。在亞閾值區，反型層電荷可以忽略不計，當柵極電勢變化時，隻有耗盡電荷需要考慮。因此，源極與漏極之間的本徵電容可近似為零，柵極與體矽之間的電容可以通過和的串聯得齣，可以錶示為
　　 (2.1.1)

圖2.1.1 金屬氧化物半導體場效應晶體管本徵電容的示意圖
其中為單位麵積的耗盡電容。對於高的漏極偏置電壓，錶麵電勢與溝道靠近漏極一側的耗盡層寬度增大。的平均值略低於溝道靠近源極一側單位麵積上的電容值。一旦錶麵形成反型層溝道，由於反型層電荷的屏蔽作用，柵極與體矽之間將不存在電容耦閤現象。所有的柵極電容都是與溝道之間以及與源極、漏極端子形成的。在電荷片狀模型的框架下，在低漏偏壓時，反型層電荷密度呈綫性變化趨勢，並且從源端的 逐漸變化到漏端的。柵極作用下的總反型層電荷為，柵極與晶體管溝道之間的電容可以近似為柵極氧化物所産生的電容，即
　　 (2.1.2)
　　當已知時，反型層電荷密度沿著溝道呈拋物綫形式變化。在溝道截止情況下，，在漏端，，且
　　 (2.1.3)
　　反型層電荷密度函數是關於溝道長度和溝道寬度的函數，對此函數積分可得總的反型層電荷的值為，在飽和區，柵極與溝道間的電容為
　　 (2.1.4)
2. 金屬氧化物半導體場效應晶體管的寄生電容模型發展概述
　　除瞭前麵討論的本徵電容和之外，器件中還存在著寄生電容，即源極或漏極擴散區域與襯底之間的結電容、柵極與源極或漏極區域間(見圖2.1.2)重疊電容。這些電容對於CMOS集成電路的延遲效應産生瞭顯著的影響。結電容或者擴散電容是由源極或者漏極與摻雜的襯底之間的耗盡電荷産生的。當源極或漏極電壓變化時，耗盡電荷相應地增加或者減少。需要注意的是，當金屬氧化物半導體場效應晶體管導通時，溝道與襯底間的耗盡層電容也被考慮作為源極或者漏極的結電容的一部分。它的影響較小，因為短溝道器件溝道部分的被擴散部分大大減少瞭。對於一個突變的PN結，單位麵積上所産生的電容值為
　　 (2.1.5)
式中：為耗盡層寬度；為輕摻雜的雜質濃度；為內建電勢；為施加在結上的反嚮偏置電壓。
　　這個方程錶明：源極或者漏極的結電容是根據電壓變化而變化的。當漏極電壓增大時，隨著耗盡層寬度變寬，結電容隨之變小。由於結電容還隨著溝道摻雜濃度的增大而增大，因此應該避免對漏極與襯底之間所形成的結進行不必要的重摻雜。但是，相反地，如果此處的摻雜濃度過低，會導緻多餘的短溝道效應或導緻金屬氧化物半導體場效應晶體管的穿通，因此對於納米級金屬氧化物半導體場效應晶體管，這裏的寄生電容存在著和其他工作特性設計上的摺中關係。在版圖裏，擴散與襯底之間的總電容可以簡單地用與擴散麵積相乘來錶示
　　 (2.1.6)
式中：為器件寬度；為擴散寬度。

前言/序言

前 言
　　
　　集成芯片技術的發展，強有力地推動著金屬氧化物半導體場效應晶體管技術的進步。發展更小的金屬氧化物半導體場效應晶體管意味著在一個較小的區域實現具有相同的功能的芯片，或在芯片的同一區域內具有更多的功能。由於晶片製造成本相對固定，每個集成芯片的成本主要取決於在每個晶圓上所生成的芯片的數量，因此，更小的集成電路允許在每個晶圓上製造更多的芯片，以此降低芯片的製造成本。然而當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——金屬氧化物半導體場效應晶體管的自身性能造成嚴重影響。為有效剋服納米級短溝道效應，多柵技術應運而生。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的形成，這就使得在幾個納米的距離內要實現多個數量級的濃度差，這樣的濃度梯度對於摻雜和熱處理工藝有極高的要求。為解決此問題，無結型晶體管技術應運而生。
　　鑒於寄生元器件、多柵技術和無結技術對納米級場效應晶體管集成電路技術的發展的重要作用，作者近年來緻力於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體場效應晶體管和無結型場效應晶體管的工作機理的研究，成功研發瞭適用於納米級集成電路的寄生電容模型、適用於納米級雙柵和圍柵結構金屬氧化物半導體場效應晶體管和無結型場效應晶體管的機理模型，並提齣瞭具有低泄漏電流、高通態阻斷電流比、低亞閾值擺幅的高性能納米級場效應晶體管結構優化方案。
　　本書由瀋陽工業大學靳曉詩、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錶的學術論文為基礎，經過係統的整理，建立瞭一套適用於納米級場效應晶體管寄生電容模型的工作機理模型，並提齣瞭一套適用於納米級無結晶體管的結構優化方案。望本書能對有興趣緻力於新型納米級場效應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李宗昊教授和韓國慶北國立大學李正熙教授對作者在該領域所給予的悉心指導，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。
　　由於作者水平有限，書中難免存在不足之處。敬請各位同行專傢和讀者對本書的不足提齣寶貴意見。
　　
　　
　　 靳曉詩 劉 溪
　　


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