成果報告書詳細
管理番号100013573
タイトル平成17年度-平成19年度成果報告書 国際共同研究助成事業 2005IS075 回路設計用モデル開発基盤の構築とこれを用いたマルチゲートMOSFETモデルの開発 平成19年度最終
公開日2009/4/24
報告書年度2005 - 2007
委託先名三浦道子 江崎達也 Zhiping YU Hans Jurgen MATTAUSCH 小池汎平 Mansun CHAN Young June PARK
プロジェクト番号P88001
部署名研究開発推進部
和文要約モデル開発者が協力し合って実用に耐える高精度モデルを開発するためのプラットホームを開発した。これを用いて次世代デバイスとして注目されているマルチゲートMOSFETモデルの開発を行った。個別に開発されたモデルをプラットホームに組み込んで正常な動作を確認した。これらを統合して、世界標準モデルを構築する作業を継続している。プロジェクトでは4つの課題を推進した。課題1:有効的な協力体制実現のためのモデルプラットホーム構築とモジュール化法。モデル開発者が協力してモデル開発可能な共通プラットホームを開発した。このプラットホームには、開発されたモデルをモジュールとして認識させ、プラットホームにプラグインできる機能を備えた。実際にプロジェクトで開発された3つのモデルをプラットホームにプラグインし、期待される結果が得られることを確認した。課題2:微視的現象のモデル化。マルチゲートMOSFETの世代には、簡潔であり尚且つ正確なモデルを開発するとが困難になってきている。これにはデバイス内で起こる物理現象を正確に理解する必要がある。このために、2次元デバイスシミュレーション・システムCLESICOを拡張し、回路モデルへの架け橋として使えるようにした。回路モデルとしては、量子効果のモデルに特化して2つのアプローチから開発した。いずれも2次元シミュレーション結果や実測値をよく再現した。課題3:SOI-MOSFETモデルの開発。ポテンシャル分布を考慮した完全空乏型SOI-MOSFETモデルの開発を行ってきた。本研究では、基板浮遊効果をモデル化し、この妥当性を検証した。更に、ポテンシャルが高速に安定して高精度の解を得るアルゴリズムを開発した。これはマルチゲートMOSFETの開発にも適用された。このモデルは次世代標準モデルの2つの一つに選ばれ、現在厳しい評価が始まっている。課題4:マルチゲートMOSFETモデルの開発。ポテンシャル記述に基づく回路シミュレーション用マルチゲートMOSFETモデルの開発を目指した。その基本となる構造は、ダブルゲートMOSFET型やFinFET構造など、様々なマルチゲートMOSFET型について行った。短チャネル効果をモデル化し、シリコン膜圧が10nmまで正確に再現していることを検証した。また、ボリューム反転効果によって短チャネル効果が抑えられる現象もモデルに加えた。ダブルゲート型のマルチゲートMOSFETについて、チャージシート近似に基づくモデルを開発し、2つのゲートを独立に動作させて、実測値を高精度に再現できることを確認した。チャージシート近似なしで、マルチゲートMOSFETモデルを開発した。この場合、チャネルが空乏化していない場合も完全に空乏化した場合も考慮した。ポテンシャルは、自動的に空乏化/非空乏化状態を切り替えて計算されことを確認した。マルチゲートMOSFETのポテンシャルを解析式で記述することに成功した。これは基板濃度と少数キャリアを含んだポアッソン方程式を解析的に解いたことによる。基板濃度を完全に含んだポアッソン方程式を反復計算によって解くことによって、ボリューム反転効果を考慮したダブルゲート型マルチゲートMOSFETモデルを実現した。FinFETタイプのマルチゲートMOSFETの回路動作シミュレーションで不可欠な寄生抵抗のモデルを開発した。このためにゲート構造と抵抗の関係を導き出した。モデルの精度を検証するために、実際にXMOS技術を用いてマルチゲートMOSFETを製造した。この測定値はモデルの検証に用いられた。
英文要約We have provided a platform for creating circuit simulation models. We applied the platform for constructing circuit simulation models of multi-gate MOSFET devices. Model codes developed individually by project members were successfully plugged into the platform. The individual project-member contributions are now under merging into one common MG-MOSFET model to establish an international standard model for the electronic industry. We have created a common platform for developing compact models written in Verilog-A language. To test the common platform three of the developed MG-MOSFET models have been plugged into the platform and have been verified in their functions. To understand the device physics precisely, the 2D-device numerical simulation system CLESICO has been extended to bridge numerical simulators to compact models. Compact models for the quantum mechanical effect have been developed based on two different approaches. Both models were verified with respect to their accuracy by 2D numerical simulation results as well as measurements. We have developed a circuit simulation model, based on the complete surface-potential description. The model was extended to include the floating-body effect, which is induced by charge generations of the impact ionization. Additionally an algorithm for fast and stable potential calculation has been developed. The model has been selected as one of two candidates for the next international standard model, and intensive verification of the model is now on going. We aim at developing accurate compact models for different types of the multi-gate MOSFET structure, based on device physics, namely model construction following a consistent potential description. Models have been developed in parallel exploiting different modeling aspects and approximations. The developed short-channel reduction model describes suppression of the effect with the silicon layer thickness reduction down to 10nm. Modeling for further suppression of the effect is achieved by considering the volume inversion effect. A compact model for the double-gate type MG-MOSFETs has been constructed. This model adopts the double chargesheet formulation, and can simulate four-terminal MG-MOSFETs, with two independent gates of structures. A non-charge-sheet analytical model has been developed for long-channel symmetric MG-MOSFETs. This model has realized smooth transition between partially- and fully- depleted operation modes. The general channel potential is not only available for a wide range of doping concentrations and device sizes, but this model is also able to capture the smooth transition between PD and FD operation modes in the heavily doped transistors. Furthermore, a closed-form model for the electric potential distribution in the direction normal to the channel of MGMOSFETs with two gates has been developed. The effects of doping and minority carriers have been both taken into account, whom solving the Poisson equation analytically.
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