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本研究建立了一套基于表面电势的围栅场效应晶体管GAAFET量子限域效应的集约模型。该模型可以反映GAAFET中的量子化效应。本工作通过将能级量子化与泊松方程联立求解开发了一个表面势的解析模型。在漂移-扩散电流传输框架下，基于表面势推导了电荷-电压和电流-电压的理论公式。该模型通过TCAD数值模拟以及制备器件测试数据进行了广泛验证。电路的测试仿真验证了该模型在先进工艺节点技术应用中的鲁棒性和收敛性。该模型可用于大规模电路仿真，进而推动先进工艺节点下的设计工艺协同优化。
中文题目：纳米围栅 GAA MOSFET 中量子限域的集约模型
英文原题：Compact modeling of quantum confinements in nanoscale gate-all-around MOSFETs
通讯作者：张立宁，北京大学
王润声，北京大学
第一作者：彭宝康，北京大学
关键词：场效应晶体管；集约模型；量子限域效应；围栅纳米片；纳米线场效应晶体管
背景介绍
随着超大规模集成CMOS技术的快速发展，传统的平面体硅场效应晶体管在十多年前被鳍式场效应晶体管FinFET取代，用于CPU等高性能应用。然而，随着技术节点进一步缩小至2纳米节点及以下，FinFET技术面临着诸如工艺可靠性以及栅控能力不足等严峻挑战。垂直堆叠的纳米片围栅场效应晶体管GAAFET被普遍认为是下一代的CMOS技术。
针对FinFET技术国际上已经建立了业界标准模型。面向高端芯片设计的围栅场效应晶体管GAAFET同样需要集约模型，以描述器件特性中的不同方面，如速度饱和、弹道输运、可靠性、噪声、短沟道效应和自热效应等。然而，现有的集约模型在GAAFET量子限域效应的处理上并不充分。随着沟道长度不断缩小，纳米片的厚度也相应缩小，导致显著的量子限域效应，包括量子化子带、带隙和有效质量的变化等。传统的仅通过调整阈值电压的方式来建模量子效应的方法会导致精度上的明显损失。
研究成果
在本项研究中，北京大学团队与业界联合研究提出了一套基于表面势的围栅场效应晶体管GAAFET量子限域效应的集约模型。如图1所示，沿着纳米线围栅场效应晶体管的沟道半径方向或纳米片围栅场效应晶体管的沟道厚度方向的能量量子化以及子带的形成，导致显著的量子化效应，电容则会出现台阶状特性。本工作通过将能级量子化与泊松方程联立求解开发了一个表面势的解析模型。在漂移-扩散电流传输框架下，基于表面势推导了电荷-电压和电流-电压的理论公式。该模型公式通过TCAD数值模拟以及纳米片围栅场效应晶体管的实验数据进行了广泛验证。模型支持国产商用SPICE工具，电路的测试仿真验证了该模型在先进工艺节点技术应用中的鲁棒性和收敛性。
图 1 (a)和(b)： 纳米线场效应晶体管与纳米片场效应晶体管3D结构示意图；(c) 子带能级示意图；(d) 纳米片场效应晶体管的电容-电压特性
未来方向
本项工作开发的集约模型能够反映先进工艺节点下的量子限域效应，可以用于大规模电路仿真，未来将进一步探索高阶的物理效应，以及模型驱动的高端芯片设计优化。同时，随着人工智能技术的不断发展，如何将物理建模与神经网络相结合则是一个重要的研究方向，有望显著地提升模型的效率和精度。
主要作者简介
张立宁 北京大学深圳研究生院助理教授/研究员，国家高层次青年人才，广东省杰青，IEEE EDS技术委员会的成员，器件级AI for EDA的倡导者。主要研究方向包括微纳电子器件的物理和集约模型、电路仿真算法以及模型驱动的新型计算技术。
王润声 北京大学集成电路学院教授。曾获IEEE EDS Early Career Award、国家杰出青年科学基金、自然科学一等奖等多项奖励。主要研究方向包括纳米CMOS器件、可靠性、设计-工艺协同优化（DTCO）和电子设计自动化（EDA）、新型计算范式的前沿技术与电路设计。
彭宝康 北京大学深圳研究生院微电子学与固体电子学在读博士，主要研究方向为半导体器件物理、集约模型建模、人工神经网络、设计-工艺协同优化。
引用本文
Baokang Peng, Yanxin Jiao, Haotian Zhong et al., Compact modeling of quantum confinements in nanoscale gate-all-around MOSFETs. Fundamental Research, 4(5) (2024) 1306-1313.
原文链接（复制到浏览器中查看）：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2667325823000286
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