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随着传统的CMOS结构的特征尺寸不断缩小,深亚微米甚至纳米量级已经达到尺寸缩小的极限,导致CMOS器件的性能面临短沟道效应以及工艺限制等的问题。为了保持摩尔定律预计的发展速度,以双栅MOSFETs和FinFETs为代表的新型器件结构以优良的抑制短沟道效应性能以及高集成度的突出特点,成为业界最热的研究焦点。但是,新的器件结构随着特征尺寸的进一步缩小,传统平面器件的物理模型便不再适用,需要建立量子效应等相关的新物理模型;同时非平面超薄体集中散热的问题也越来越严重。本论文主要涉及纳米级MOSFETs的小尺寸效应,以及针对多栅MOSFETs相关小尺寸效应的物理建模,研究多栅MOSFET的不同沟道面晶向对有效迁移率和驱动电流的降低效应,并设计新型器件结构加以改善晶向差异的影响及非平面小尺寸器件的散热问题,主要研究工作如下:1、根据器件按比例缩小的规律,分析了短沟道情况下的源极和漏极电场对沟道的强制作用引起的二阶效应等,包括漏致势垒降低和源漏穿通效应、强电场效应等,而非平面多栅MOS器件能在提高集成度基础上有效降低短沟道效应,但体硅厚度的不断减薄不仅使得其载流子迁移率降低,同时集中散热问题也愈凸显,我们深入研究超薄体的迁移率散射机制,同时讨论半导体材料热导率受尺寸及掺杂等因素的影响。2、对多栅MOSFETs中较突出的量子效应和短沟道效应等进行有效的物理建模和TCAD仿真验证,同时针对小尺寸MOS器件的3D TCAD仿真,讨论如何设置最优的3D网格和数值函数方法,以匹配模型的应用,达到三维器件模拟的精准性和快速性,重点研究超薄体硅的界面粗糙度散射机制,对不同沟道面晶向的迁移率进行有效的2D和3D TCAD建模并实现仿真验证。3、探讨Fin体表面和侧面晶向差异对双栅及三栅MOSFET的有效迁移率以至驱动电流的严重影响,针对多栅MOS器件存在的晶向差异降低驱动电流和非平面小尺寸器件集中散热的问题,设计一种T型栅结构的3D MOS器件,改善了晶向差异的影响,同时克服体反型条件下多个沟道面相互作用,导致的界面粗糙度散射严重降低载流子迁移率的问题,增大散热途径,有效提高开关比。