[论文解读] 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 16

一句话总结

本文利用ATLAS器件仿真器中的Bohm量子势（BQP）模型，对亚100nm器件中的量子效应进行了三维仿真，以准确捕捉纳米线FET中的量子效应。研究结果表明，BQP模型能有效模拟多栅纳米线FET的短沟道行为，从而可靠预测超大规模CMOS技术的性能极限。

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.

研究动机与目标

• 为解决100nm以下传统CMOS技术扩展的局限性，特别是SOI MOSFET中的短沟道效应。
• 评估纳米线FET作为可扩展替代方案的潜力，因其具有增强的栅控能力并能减少漏电流。
• 研究量子力学模型在纳米尺度下准确仿真纳米线FET行为的适用性。
• 验证Bohm量子势（BQP）模型在3D器件仿真中用于预测器件性能极限的适用性。
• 为未来与现有CMOS工艺兼容的多栅纳米线FET设计与优化提供基础。

提出的方法

• 在ATLAS器件仿真器中引入Bohm量子势（BQP）模型，以考虑量子限制效应。
• 对横截面尺寸为几纳米量级的多栅纳米线FET进行3D仿真。
• 应用BQP模型以捕捉非经典的量子效应，如电子波函数的量子化和隧穿效应。
• 通过改变栅长、掺杂分布和栅压，模拟器件行为以分析短沟道效应。
• 将BQP模型用作完整Schrödinger-Poisson系统的半经典近似，从而实现高效的3D仿真。
• 将结果与电流驱动能力及阈值电压滚降的预期物理趋势进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 Bohm量子势模型在预测3D纳米线FET中短沟道效应方面的准确性如何？
• RQ2 BQP模型在亚100nm纳米线横截面中对量子限制效应的捕捉程度如何？
• RQ3 基于BQP的仿真能否重现关键器件特性，如电流驱动能力和阈值电压稳定性？
• RQ4 量子效应的引入如何影响多栅纳米线FET的缩放极限？
• RQ5 在超大规模纳米线FET中，栅控能力与量子效应之间存在何种性能权衡？

主要发现

• Bohm量子势模型成功捕捉了横截面小于100nm的纳米线FET中的量子限制效应。
• BQP模型能够准确仿真短沟道行为，包括阈值电压滚降和漏极诱导势垒降低效应。
• 仿真结果表明，与平面SOI MOSFET相比，纳米线FET表现出更优的栅控能力并显著降低漏电流。
• 基于3D BQP的仿真预测，在栅长低于50 nm时，电流驱动特性仍保持稳定。
• 该模型在保持物理准确性的同时，为全量子力学仿真提供了一种计算效率更高的替代方案。
• 结果证实了纳米线FET作为延续CMOS技术在100nm节点之后扩展的可行路径。