【摘 要】
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超低功耗以及高性能逻辑器件是半导体器件发展的推动力,它极大的推动了电子设备例如智能手机向着便携化以及低功耗化的方向发展。由于能耗限制以及互联带宽限制,摩尔定律驱动的集成电路微缩正在面临前所未有的挑战。受限于有限的电池容量,便携式电子设备很难具有全天候不间断工作的特性,用户必须经常为设备充电从而造成了诸多不便。为了降低系统功耗,研究者提出了多种方案减小系统功耗。其中之一是采用绝缘体上硅技术,由于绝缘
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超低功耗以及高性能逻辑器件是半导体器件发展的推动力,它极大的推动了电子设备例如智能手机向着便携化以及低功耗化的方向发展。由于能耗限制以及互联带宽限制,摩尔定律驱动的集成电路微缩正在面临前所未有的挑战。受限于有限的电池容量,便携式电子设备很难具有全天候不间断工作的特性,用户必须经常为设备充电从而造成了诸多不便。为了降低系统功耗,研究者提出了多种方案减小系统功耗。其中之一是采用绝缘体上硅技术,由于绝缘体上硅器件具有低关断电流特性,若将整个系统制造在绝缘体上硅硅片上,系统功耗能够大大降低。但绝缘体上硅器件具有自热效应,会造成系统温度过高以及性能下降等问题。若引入新原理器件例如碰撞电离晶体管或隧道穿通晶体管来制造集成电路,则系统的功耗也可以降低。不过碰撞电离晶体管需要突变掺杂和毫秒级热退火技术来制造,会升高制造成本。不同于传统使用热漂移扩散的器件,隧道穿通晶体管利用带带隧穿效应工作,它的亚阈值斜率可以突破玻尔兹曼极限,因此似乎非常适合制作低功耗电路。然而由于隧道穿通晶体管导通电流较小,而且平均亚阈值斜率高,所以还难以应用。除此之外,环栅器件也是一种选择,它不同于传统平面和三栅器件,环栅器件具有全包围栅结构,具有很强的静电控制能力。国际上预测在2020年之后,人们必须使用垂直环栅器件才能够继续延续摩尔定律。环栅纳米管器件的研究热点集中在提升器件开态电流、电流开关比,降低器件亚阈值斜率、关态电流、静态功耗等方面。传统环栅纳米管器件具有潜在的低功耗特性需要被进一步挖掘,且其开态电流、电流开关比等参数仍有提升空间。随着大数据、互联网、人工智能等研究热点的兴起,具有更高性能以及更低功耗的器件成为研究的重点。本文基于传统环栅纳米管结构提出了两种不同的新型器件结构,分别为内嵌绝缘核心的环栅纳米管器件和内嵌衬底的环栅纳米管器件。内嵌绝缘核心的环栅纳米管器件具有绝缘核心,能够有效阻断器件关断时的电流泄露路径,从而降低器件静态功耗。内嵌衬底的环栅纳米管器件具有核心衬底,与栅极协同作用不仅可以降低器件功耗,还能显著降低器件的亚阈值斜率,提升器件电流开关比。两种不同的器件结构各有特色,内嵌绝缘核心的环栅纳米管结构具有比传统环栅纳米管器件更低的静态功耗,同时通过改变绝缘核心材料,可以降低栅极电容,能够降低延时,提升系统工作速度;内嵌衬底的环栅纳米管器件在内嵌绝缘核心的环栅纳米管器件结构的基础上,进一步提升了器件的栅极控制能力,降低了系统静态功耗。核心衬底的引入使其性能不易受其尺寸影响,但栅极电容相比传统环栅纳米管器件稍高,同时内嵌衬底的环栅纳米管器件具有更优异的模拟射频性能。另外,本文基于现有硅基器件加工工艺分别提出了内嵌绝缘核心的环栅纳米管器件的加工工艺流程和内嵌衬底的环栅纳米管器件的加工工艺流程。仿真结果显示本文提出的两种新型环栅纳米管器件结构均具有优异性能,适用于制造未来低功耗高性能集成电路。
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