POM分子新型闪存器件统计式建模方法与电路级特性优化研究

Conventional silicon-based semiconductor technology has been greatly challenged because of the physical limitations in the nanoscale technology node. The novel POM molecular floating-gate flash memory device becomes an attractive candidate for the future flash memory thanks to its advantages on aspects of scalability and power consumption. Due to the strict yield constraints induced by nanotechnology, the crossover iteration and optimization between manufacturing, device and circuit design are essentially important for the nanoscale IC design. Although lots of work have been done on the device level modelling, simulating and experiments, constraints between the POM molecular feature, device structure and circuit design on the circuit level have not been addressed. This project intends to build an industry-standard compact model based on the investigation of variability characteristics of POM molecular device; develop an statistical compact model extraction method suitable to POM device in order to implement statistical circuit simulation; evaluate the impact of device structure and POM molecular distribution on the flash device characteristics. The results will be an important guide for the industrial application of the POM flash memory device.

纳米尺度硅基半导体技术遭遇物理极限挑战，基于分子电子学的多金属氧酸盐（Polyoxometalate，简称POM）新型浮栅闪存器件因其在缩小尺寸和降低功耗等方面的巨大优势，成为未来纳米尺度闪存器件最有潜力的方向之一。由于纳米工艺对成品率的严格制约，纳米集成电路设计方法要求工艺、器件和电路设计之间运用仿真手段迭代交叉优化。尽管业界已在器件层级对POM分子闪存器件进行了大量研究，但在电路层级尚无对POM分子特性、器件结构和电路设计之间制约的研究。本课题拟通过研究基于POM分子簇的新型闪存器件电学涨落特性机理，构建满足工业标准的基础集约模型；开发适用于POM分子闪存器件的集约模型参数统计式抽取方法以实现高还原度的统计式电路仿真；在电路层级研究不同器件结构和不同POM分子分布形态对闪存性能的影响，为POM分子闪存器件的工业化应用奠定基础。

作为未来纳米尺度闪存器件最有潜力的方向之一，基于分子电子学的多金属氧酸盐（Polyoxom etalate，简称POM）新型浮栅闪存器件在纳米尺度硅基半导体技术遭遇物理极限挑战之时，展现了巨大的优势。本项目重点研究了POM分子新型闪存器件电路级建模与特性优化。在器件基本结构的基础上，根据不同氧化层厚度的变化等进行仿真，对器件结构进行了优化。根据POM分子闪存器件静态电学分布特性，构建适用于POM分子闪存器件的基础集约模型。在此基础上，建立了模型提取与优化的平台，实现了全自动提参。根据POM分子闪存器件电学特性，从理论以及实验的角度分别入手研究了基础模型参数的具体物理意义以及参数间的制约关系，在反复仿真以及理论分析的基础上，最终选取了9个敏感参数并确定了POM分子闪存器件的抽取策略。在此抽取策略下抽取了POM分子器件的电路级模型，其误差小于2%。最后，编写了小型NAND电路网络，将所抽取的集约模型用于电路仿真当中，模拟电路的读操作，对由POM分子闪存器件组成的NAND电路进行了分析。