[論文レビュー] 3D Simulation of Nanowire FETs using Quantum Models

Vijay Sai Patnaik, Ankit Gheedia+1 more|arXiv (Cornell University)|Aug 18, 2010

Advancements in Semiconductor Devices and Circuit DesignEngineering参考文献 8被引用数 16

ひとこと要約

本論文では、ATLASデバイスシミュレータ内でのボーム量子ポテンシャル（BQP）モデルを用いて、100nm未満のデバイスにおける量子効果を正確に捉えるために、ナノワイヤFETの3次元シミュレーションを実施した。この研究では、BQPモデルがマルチゲートナノワイヤFETにおける短チャネル行動を効果的にモデル化できることを示し、超スケールCMOS技術における性能限界の信頼性ある予測を可能にした。

ABSTRACT

After more than 30 years of validation of Moore's law, the CMOS technology has already entered the nanoscale (sub-100nm) regime and faces strong limitations. The nanowire transistor is one candidate which has the potential to overcome the problems caused by short channel effects in SOI MOSFETs and has gained signifi - cant attention from both device and circuit developers. In addition to the effective suppression of short channel effects due to the improved gate strength, the multi-gate NWFETs show excellent current drive and have the merit that they are compatible with conventional CMOS processes. To simulate these devices, accurate modeling and calculations based on quantum mechanics are necessary to assess their performance limits, since cross-sections of the multigate NWFETs are expected to be a few nanometers wide in their ultimate scaling. In this paper we have explored the use of ATLAS including the Bohm Quantum Potential (BQP) for simulating and studying the shortchannel behaviour of nanowire FETs.

研究の動機と目的

• 100nm未満における従来のCMOSスケーリングの限界、特にSOI MOSFETにおける短チャネル効果を解決すること。
• ゲート制御の向上とリーク電流の低減により、ナノワイヤFETがスケーラブルな代替技術としての可能性を評価すること。
• ナノスケールにおけるナノワイヤFETの挙動を正確にシミュレートするための量子力学的モデルの適用可能性を調査すること。
• ボーム量子ポテンシャル（BQP）モデルを3次元デバイスシミュレーションに適用し、デバイス性能限界を予測する有効性を検証すること。
• 既存のCMOSプロセスと互換性を持つマルチゲートナノワイヤFETの今後の設計および最適化の基盤を提供すること。

提案手法

• 量子閉じ込め効果を考慮するため、ボーム量子ポテンシャル（BQP）モデルを組み込んだATLASデバイスシミュレータを採用した。
• 数ナノメートルオーダーの断面寸法を有するマルチゲートナノワイヤFETの3次元シミュレーションを実施した。
• 電子波動関数の量子化やトンネル効果を含む非古典的量子効果を捉えるために、BQPモデルを適用した。
• 短チャネル効果の分析を目的として、ゲート長、ドーピングプロファイル、ゲート電圧を変化させたシミュレーションを実施した。
• 完全なシュレーディンガー＝ポアソン系に対する半古典的近似としてBQPモデルを用い、効率的な3次元シミュレーションを可能にした。
• 電流駆動力としきい値電圧のロールオーフェクトにおける期待される物理的傾向と照合して、結果の妥当性を検証した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 ボーム量子ポテンシャルモデルは、3次元ナノワイヤFETにおける短チャネル効果をどの程度正確に予測できるか？
• RQ2 BQPモデルは、100nm未満のナノワイヤ断面における量子閉じ込めをどの程度正確に捉えられるか？
• RQ3 BQPに基づくシミュレーションは、電流駆動力やしきい値電圧の安定性といった主要なデバイス特性を再現できるか？
• RQ4 量子効果の組み込みが、マルチゲートナノワイヤFETのスケーリング限界にどのように影響するか？
• RQ5 超スケールナノワイヤFETにおいて、ゲート制御と量子効果の間にはどのような性能トレードオフが生じるか？

主な発見

• ボーム量子ポテンシャルモデルは、100nm未満の断面寸法を有するナノワイヤFETにおける量子閉じ込め効果を効果的に捉えている。
• BQPモデルは、しきい値電圧のロールオーフェクトやドレイン誘導障壁低下を含む短チャネル行動の正確なシミュレーションを可能にした。
• シミュレーション結果から、平面型SOI MOSFETと比較して、ナノワイヤFETはより優れたゲート制御と低いリーク電流を示した。
• 3次元BQPベースのシミュレーションは、50nm未満のゲート長でも安定した電流駆動特性を予測した。
• 物理的正確性を維持しつつ、完全な量子力学的シミュレーションに比べて計算効率に優れる代替手法を提供した。
• 結果は、ナノワイヤFETが100nmノードを越えたCMOSスケーリングの実現可能な道筋であることを確認した。