具备波动性表征的10nm及以下三维FinFET精准射频模型研究

Due to the excellent gate control-ability, 3D FinFET has emerged as the technical core and competition focus in the integrated circuit field all over the world. The process fluctuations and parasitic effects induced from the complicated 3D device structures are the two main challenges in FinFET RF model, which limit the design and fabrication of device and high frequency circuit. Based on the theoretical and technical accumulation in the major national projects and cooperation with the top integrated circuit companies, this project is aimed to establish the accurate RF model for 3D FinFET with 10nm and below including the process fluctuations. The extrinsic parasitic parameters are separated and analytically extracted with the aid of three-dimensional full-wave electromagnetic field analysis. Green function method is used to obtain the statistical distribution of model parameters under the process fluctuations, and then are embedded in the established RF model, achieving an accurate RF model with statistical distribution to simulate or predict FinFET performance. Device model is the important bridge among the process integration, device fabrication and circuit design. This project focuses on the core devices in the integrated circuit filed, which not only has important scientific significance and application value, but also matches well with the national strategic development planning.

FinFET以优异的栅控能力等成为全球顶尖集成电路技术研发和竞争的核心器件。三维器件结构所引入的寄生效应以及工艺波动是当前纳米尺度FinFET射频模型研究所面临的两个最为严峻的挑战，直接制约着FinFET器件和电路的精准仿真与设计。基于前期参与国家科技重大专项以及与国有顶尖集成电路企业合作研发所积累的理论和技术，本项目提出开展10nm及以下节点三维FinFET包含工艺波动在内的精准射频模型研究，借助三维全波电磁场分析准确分离并解析提取FinFET寄生参数，创新性地利用格林函数法获得工艺波动下各射频模型参数的波动统计分布、并将工艺波动引起的射频参数涨落引入晶体管模型中，建立一个具备波动性统计分布表征的三维FinFET精准射频模型。器件模型是连接工艺集成、器件制备和电路设计的桥梁，本研究聚焦集成电路核心器件，不仅具有重要的科学意义和应用价值，而且与我国集成电路产业的战略布局密切契合。

三维结构所引入的寄生及工艺波动是当前FinFET射频模型所面临的两个严峻挑战。为此，本项目针对三维FinFET非本征寄生效应建模、射频模型、参数提取以及工艺波动三个方面展开系统深入研究，以建立一个三维FinFET 精准射频模型。首先，参考实际GSG测试结构，对非本征寄生参数的存在形式和种类进行划分，创建了包括Pad、interconnect、Through via Gate、Through via Drain 以及Gate-Source-Short在内的6种结构，借助三维全波电磁场分析精准分离出各非本征寄生参数； 然后，从器件物理角底层出发，建立了三维FinFET射频小信号模型，并借助TCAD期间仿真通过非线性有理函数拟合的方法，精准提取了相应的模型参数，在300GHz以内误差低于5%，接着深入分析了各模型参数的偏置和尺寸依赖性。最后，探索了典型工艺波动对各射频模型参数的影响，包括金属功函数波动WFV、线边缘粗糙度LER以及栅边缘粗糙度GER等，结果表明源漏扩展区电阻Rgsi、Rgdi受上述波动的影响较大，相对其他两种波动源，WFV对各个器件内部参数影响相对较大。基于所有器件研究及参数提取方法，本项目还提出了一种具备独立三栅的三维FinFET器件，无需额外增加电压源即可获得五种不同工作模式，可满足高速或者高稳定性等不同场合的应用。如在不降低写入能力的情况下，静态噪声容限可提升63％；在不降低读取稳定性情况下，写入余量提高68％，从而大大提高电路设计的灵活。此外，本项目提出的参数射频模型参数及波动性分析方法，还成功应用于3nm节点GAAFET以及可重构晶体管中。本课题取得的成果不仅对FinFET器件及相关电路的精准仿真设计有重要作用，还可推进下一代GAAFET核心器件及电路的实现。 研究成果有重要的科学意义和应用价值，与我国集成电路产业的战略布局密切契合。