[发明专利]一种三栅FinFET电势和亚阈值摆幅的提取方法

说明书

技术领域

本发明属于半导体集成电路技术领域，具体涉及三栅结构金属-氧化物-半导体场效应晶体管（MOSFET）的电势和亚阈值摆幅的快速提取方法。

背景技术

随着集成电路技术的不断发展，器件尺寸不断减小，传统的MOSFET面临着短沟道效应等一系列问题，因此研究新的器件结构就显得十分重要。三栅FinFET则是一种比较理想的器件结构，栅极控制能力强，能抑制短沟道效应，优化亚阈值摆幅，从而有更低的功耗。对于这种新型结构的器件，在被实际应用之前，必须能够快速、准确提取它的关键参数，如沟道电势、亚阈值摆幅等，使之用于电路分析和电路仿真中，对电路功能验证、设计优化起到不可或缺的作用。

亚阈值摆幅SS是MOSFET最为重要的参数之一，定义为：在源漏电压固定的情况下，器件处于亚阈值区域时电流每变化一个数量级所需的栅压的改变量。要了解器件的开关特性，建立精确的亚阈值摆幅模型是十分必要的。

发明内容

本发明目的在于提供一种物理概念清晰、计算方便、精度很高的三栅FinFET电势和亚阈值摆幅的提取方法。

本发明首先构建三栅SOI FinFET的电势和亚阈值摆幅解析模型，为三栅 SOI FinFET的电势和亚阈值摆幅参数的提取提供一种快速、便捷、准确的方法。

1.首先构建三栅SOI FinFET的电势解析模型（注：SOI的中文名为绝缘衬底上的硅，英文全称为Silicon-On-Insulator， FinFET的中文名为鳍栅场效应管，英文全称为Fin Field-Effect Transistor）

对于全耗尽三栅 FinFET，当工作在亚阈值区域时，器件还没有达到强反型，此时电势分布由固定电荷决定，载流子的影响可以忽略。对于n型器件，沟道的电势分布由三维泊松方程以及边界条件得出：

（1）

为了使计算的复杂度能够控制在可以处理的范围内，我们对边界条件进行简化，将氧化层归一化到沟道硅介质中。

(2)

(3)

其中为沟道电势，为硅的介电常数，为沟道参杂浓度，T_ox1和T_ox2是顶栅和侧栅的氧化层厚度，H_fin和W_fin分别为沟道高度和宽度，ε_ox是氧化层的介电常数。

同时由于埋氧层的厚度很大，较小的电压降在埋氧层引起的电场是很小的，可以忽略不计。假设沟道与埋氧层界面处的电场为零，简化后的边界条件为：

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

其中为内建电势，为漏端电压，为栅压，为平带电压，L为沟道长度，和为有效沟道宽度和高度。式(9)所表示的沟道底部界面处边界条件，可以用如下条件替换：

(10)

根据边界条件(4)和(5)，我们假设沟道方向的电势分布可以表示为级数的和的形式，如下所示：

(11)

将上式代入泊松方程(1)，得：

(12)

其中，n为正整数。将用傅里叶级数展开：

(13)

其中,则可知满足如下二维偏微分方程：

(14)

将式(11) 代入剩下的边界条件，得：

(15)

(16)

将等号右边按傅里叶级数展开：

(17)

其中，从而可得的边界条件：

(18)

(19)

最后利用泊松方程二维特征函数的方法，将作为微分方程(14)的二维特征函数，解得，从而得到电势的解析表达式：

(20)

(21)

(22)

2.构建三栅SOI FinFET的亚阈值摆幅解析模型。

沟道处于弱反型时即栅压小于阈值电压时候，漏极电流不为零。此时流过沟道的电流为亚

阈值电流。当器件工作在亚阈值区的情况下，在弱反型时沟道表面电势近似为常数，因此沟道方向电场近似为零，源漏电流以扩散输运为主。根据源漏电流正比于虚阴极处的电子浓度，电流密度可以表示为：

(23)