基于量子输运物理的亚10纳米无结多栅器件SPICE电学模型研究

The dimension of the transistor will be scaled down to sub-10 nm in a few years and the channel dopant needs precise control in the level of few atoms. Meanwhile electrons localization phenomenon of dopant atoms is observed in a few nanometers scale, which limit the formation of P-N junction between the source and drain. While in recent years, the junctionless transistor with uniform doping in the source, drain and channel, due to good subthreshold characteristics and good suppression on short channel effects, is very likely to be used in mainstream.technology in future. As the effective channel length of junctionless transistor is controlled by the gate voltage, the variation of the effective channel length will be very significant when the device size is less than 10nm. It has great impact on both traditional transport and the quantum transport. This project focuses on developing a SPICE model for the quantum transport including the ballistic transport effect and transport scattering effect for sub 10nm junctionless device for the first time to make it possible to design and evaluate sub 10nm junctionless circuits at early stage.

集成电路已进入甚大规模，随着器件尺寸的不断缩短，尤其是在未来几年尺寸缩小到亚10纳米之后，对沟道原子掺杂数的控制精度需达个位以避免性能大幅度波动，同时掺杂原子的电子在数个纳米尺度内会呈现局域化现象，这都限制了源漏和沟道之间突变结的形成。而近年来出现的源漏和沟道掺杂浓度、类型一致的无结FinFET器件由于具有良好的亚阈值特性和短沟道效应抑制能力，未来很可能被工业界所采用而成为集成电路基本单元器件。由于无结器件有效沟道长度受栅极电压调控，尤其当器件尺寸减小到10纳米以下后，有效沟道长度的变化将非常明显，这不仅对传统的输运产生很大影响，对量子输运的影响也不可忽略。本项目将针对该量子输运问题如弹道输运和散射等开发对器件特性影响的SPICE电学模型，为亚10nm无结器件走向工业化打下基础。

随着器件尺寸的不断缩短，尤其是在未来几年尺寸缩小到亚10纳米之后，对沟道原子掺杂数的控制精度需达个位以避免性能大幅度波动，同时掺杂原子的电子在数个纳米尺度内会呈现局域化现象，这都限制了源漏和沟道之间突变结的形成。而近年来出现的源漏和沟道掺杂浓度、类型一致的无结FinFET器件由于具有良好的亚阈值特性和短沟道效应抑制能力，未来很可能被工业界所采用而成为集成电路基本单元器件。.我们基于G-function的方法研究无结FinFET(JLF)的饱和机制，对比其与传统反型器件的异同，并研究器件参数对饱和漏源电压变化规律的影响，最后提出一种基于双栅无结器件电流模型的提取饱和漏源电压的模型方法。同时，我们研究了浅槽工艺波动对无结器件的亚阈特性以及电路特性的影响，分析其内在的物理本质，把该种工艺波动同随机掺杂波动(RDF)的影响做了对比，最后提出用Charge-plasma结构(CPJLT)来抑制该种工艺波动的。.此外，我们研究了线边缘粗糙（LER）、RDF和功函数波动（WFV）等波动效应对常用无结器件电学特性的影响。无结堆积模式器件（JAM）和CPJLT一方面提高了传统JLF的驱动电流，改善了器件性能；另一方面JAM和CP-JLF减小了LER和RDF对传统JLF的影响，使器件性能更为稳定。我们也研究了Fin角度波动对JLF和CPJLT器件的影响，结果表明采用Charge-plasma结构的无结器件电流特性受到Fin角度波动的影响远远小于传统的高掺杂无结器件。.此外，我们还研究了传统JLF和CPJLT在先进节点下遇到的亚阈值摆幅（SS）退化的问题和驱动电流较小的难题,通过将Charge-plasma无结结构与负电容结构结合得到缓解。针对CPJLT中的接触问题提出不同的解决方案，最后提出一种新型的积累型负电容Charge-plasma无结器件，该器件不仅具备陡峭的SS，驱动电流也得到了明显的提升。.最后，我们研究了弯曲角度对MoS2晶体管的影响，利用非平衡格林函数联合密度泛函的方法计算研究了MoS2晶体管的弯曲极限，为柔性MoS2晶体管的设计提供了理论支持。