Study and Modeling of Multi? Gate Transistors in the Context of CMOS Technology Scaling

Resumen

L’escalat dels transistors MOSFET convencionals ha portat a aquests dispositius a la nanoescala per incrementar tant les seves prestacions com el nombre de components per xip. En aquest process d’escalat, els coneguts “Short Channel Effects” representen una forta limitació. La forma més efectiva de suprimir aquests efectes i aixi estendre l’ús del MOSFET convencional, és la reducció del gruix de l’òxid de porta i l’augment de la concentració de dopants al canal. Quan el gruix d’òxid de porta es redueix a unes quantes capes atòmiques, apareix l’efecte túnel mecano-quàntic d’electrons, produint un gran augment en els corrents de fuita, perjudicant la normal operació dels MOSFETs. Això ha fet obligatori l’ús de materials d’alta permitivitat o materials high-? en els dielèctrics de porta. Tot i les solucions proposades, la reducció de les dimensiones físiques del MOSFET convencional no pot ser mantinguda de forma indefinida i per mantenir la tendència tecnològica s’han suggerit noves estructures com ara MOSFETs multi-porta de cos ultra-prim. En particular, el MOSFET de doble porta és considerat com una estructura multi-porta prometedora per les seves diverses qualitats i avantatges en l’escalat. Aquesta tesi s’enfoca en la modelització de dispositius MOSFET de doble porta i, en particular, en la modelització del corrent túnel de porta que afecta críticamente al consum de potència del transistor. Primerament desenvolupem un model quàntic compacte tant per al potencial electrostàtic com per a la càrrega elèctrica en el transistor de doble-porta simètric amb cos no dopat. Després, aquest model quàntic s’utilitza per proposar un model analític compacte per al corrent túnel directe amb SiO2 com dielèctric de porta, primerament, i després amb una doble capa composta de SiO2 com a capa interfacial i un material “high-?”. Finalment se desenvolupa un mètode precís per calcular el corrent túnel de porta. El mètode es basa en l’aplicació de condicions de frontera absorbents i, més especificament, en el mètode PML. Aquesta tesi està motivada per les recomanacions fetes pel “International Technology Roadmap of Semiconductors” (ITRS) sobre la necessitat existent de modelatge i simulació d’estructures semiconductores multi-porta.