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杜刚:用计算支撑器件走向纳米尺度极限

来源:  发布时间:2019-02-19

  ——记北京大学微纳电子学研究院教授杜刚


  □ 李玉芹
  

 

  
  在集成电路技术尺寸缩小逐渐逼近物理极限的今天,半导体器件模拟技术已经成为新器件、新结构、新技术研发中不可或缺的一环。对于纳米尺度半导体器件,量子效应、非稳态载流子输运等物理量效应的影响,使得分析器件特性优化器件结构离不开理论计算结果的指导;另一方面随着器件结构的日趋复杂,设计难度不断加大,在半导体集成电路产业设备异常昂贵的今天,以流片试验的方式去验证设计成果,必然会导致人力、物力的巨大损耗。计算机运算能力的提升和器件仿真模型和算法的进步,计算机模拟的准确度提高,适用范围扩大,使得计算机模拟技术在从工艺到器件再到芯片的设计和优化中扮演着越来越重要的角色。
  “其实这个研究方向很时髦,在计算机的虚拟世界里完成半导体器件的设计、制造到优化,也是另一种意义的虚拟现实。”谈起自己的研究,北京大学微纳电子学研究院的教授杜刚侃侃而谈。兴趣使然,在此领域他已摸爬滚打了近20年。
  

二十载求索 挑战热点难题


  2019年,已是杜刚在北京大学工作的第25个年头。从1998年他攻读硕士学位时第一次接触半导体器件模拟方法研究,至今也已有20多年。20多年的时间,在别人看来不算短,但在杜刚那里却是转瞬即逝,对于不断求索的他来说,时间并不是耐用品。但一路走来,在半导体器件模型模拟领域取得的大量创新成果正是这段时光对杜刚最好的回馈。
  作为骨干人员,多年来,他曾先后主持和参与了多项原国家“973”子项目、原“863”项目、国家自然科学基金项目。在纳米新器件输运现象、纳米尺度集成电路自热效应及可靠性、3DNAND存储阵列器件及电路可靠性的研究中杜刚已是硕果累累,目前,发表在国内外期刊和国际会议上的论文已有200余篇。
  随着集成电路制造技术的不断发展,纳米技术已经量产,甚至栅极长度为1纳米的MOSFET都已经制备成功,并且获得了正常的器件特性。同时,石墨烯等多种二维半导体材料的应用,不仅使微电子学器件研究领域由微米尺度进入到纳米尺度,而且也使所用材料更加丰富,涉及的工作机理更加多样,给器件模拟和建模研究带来空前挑战。
  在经典的半导体载流子稳态输运图像下,载流子在半导体中的输运速度与所处位置的电场强度相关,呈现典型的本地输运特点,基于该图像的漂移扩散模型是大多数商业化器件仿真软件的核心基础。当器件尺寸进入纳米尺度,强电场和量子效应等影响显著,载流子输运体现出非本地输运特征,使得载流子输运特性研究成为纳米尺度器件模拟的重要内容。杜刚的器件模拟研究工作,首先选定了这一领域。“从博士论文研究工作开始到现在,我对输运现象的研究已经持续进行了20年。随着时间的推移,这项研究已变的越来越重要。”杜刚说。
  根据载流子在沟道输运过程中遭遇的散射事件次数的不同,可以将载流子输运机制分为漂移扩散、准弹道输运和弹道输运3种。对于传统的长沟器件,载流子的输运机制可以用熟知的漂移—扩散来描述。对于沟道长度为30纳米以下的亚30纳米MOS器件而言,载流子在沟道输运过程中遭遇有限次数的散射,此时载流子的输运机制已变成为准弹道输运。目前,对于漂移扩散输运和弹道输运机制及其规律已经有了很好的刻画和建模。而对于怎样去描述准弹道输运,准弹道输运对器件的性能有多大影响,还在探索中。为了能准确刻画载流子准弹道输运,从博士论文研究开始,杜刚建立了全能带蒙特卡罗器件模拟平台。为了适合FinFET等非平面器件研究,依托原“973”基础研究项目与北大数学学院的老师合作,从算法上优化解决了维度增加带来的计算复杂度和计算资源消耗急剧增加的难题,实现了三维器件的全能带蒙特模拟,利用这一平台深入研究了器件的准弹道输运特点,相关研究成果通过产学研合作已经在中芯国际14纳米FinFET工艺开发得到运用。
  基于对纳米器件的准弹道输运特点的深入理解,他和团队在纳米尺度MOSFET电路仿真模型方面,完成了准弹道器件模型的建立,并基于沟道长度为9纳米的器件进行了模拟数据和模型的初步验证,目前已将模型嵌入HSPICE进行了单管和反相器电路的仿真。
  在集成电路器件缩小的过程中,器件的功率密度不断增加,而散热能力不断降低,纳米尺度器件其开启时的功耗将带来器件温度的显著增加,出现明显的自热效应,而MOSFET的可靠性与器件工作温度密切相关,这使得自热效应也成为目前研究热点。在原国家“973”项目“纳米尺度硅集成电路器件与工艺基础研究”中,杜刚作为参与者,承担了自热效应相关部分的研究工作,建立了一套模拟器件中电热耦合效应的模拟方法;并基于三维全能带蒙特卡罗模拟器,开发出了适用于纳米尺度及非平面器件的电热耦合模拟器。
  目前,该模拟器已经用于专项项目“0.13微米SOI通用CMOS与高压工艺开发与产业化”的研究中,用以模拟SOI LDMOS器件特性及其自热效应。
  之后,利用开发出的新模拟器,杜刚又开展了针对FinFET中的自热效应及其对载流子输运和可靠性影响的一系列研究。通过详细分析FinFET衬底类型和Fin的数目和Fin间距等对自热效应的影响,杜刚获得了各种情形下器件温度分布和热阻变化的详细情况,又进一步进行了自热效应对FinFET器件可靠性的研究,取得的一系列成果对FinFET器件可靠性研究和电路设计具有重要指导意义。
  对于量子效应对纳米尺度器件输运和特性研究方面,通过多年研究,杜刚所在的团队建立了具有自主知识产权的适于亚16纳米及新型逻辑器性能评估及设计的多层次纳米电子器件模拟器,其中包括能带计算、量子输运、应力作用下新材料输运特性计算等多个模块。杜刚开展的一系列研究为创建我国具有自主知识产权的纳米尺度半导体器件模拟软件做出了巨大的贡献,更为我国争得了国际话语权。
  

兴趣使然 补存储模拟短板


  谈起这些年取得的成绩,杜刚骄傲地告诉记者:“无论是自热效应还是输运研究,我们都处于国际的前沿,属于国际上研究此类问题的第一梯队。”杜刚有理由骄傲,因为除这些外,还有一项研究,同样处在了国际的领先位置,这就是关于3DNAND存储阵列器件及电路可靠性的研究。
  传统意义上的器件模拟主要集中在模拟逻辑器件的特性上,缺少专门针对存储器件,特别是电荷俘获型非挥发存储器件的模拟器。通过对电荷俘获存储器在应力条件下器件界面以及体内缺陷生长的研究,杜刚及团队建立了适于电荷俘获存储器的缺陷态密度随时间变化的模型,之后还将该模型加入了已经建立的CTM器件模拟平台,并对应力下电荷俘获存储器界面处以及体内缺陷态的生长进行了模拟,进而为电荷俘获存储器在正常工作情形下缺陷的生长机制和器件性能的退化提供了预测。并基于以上研究建立起了一个适于研究纳米尺度电荷俘获型存储器特性的器件模拟平台。目前杜刚团队正与华为开展合作,共同致力于将器件模拟平台上的一系列优化方案应用于实实在在的产品开发中去。
  谈到器件模拟研究的未来,杜刚认为,其实整个微电子产业的发展进度,不只取决于更新了多少生产线,研发了多少设备。更取决于设计软环境的更新力度,只有把这个短板补上,拥有了更强大的计算机系统,才可以开发更好的仿真软件工具平台,并基于这些平台,去开发更先进的工艺技术,而先进的工艺技术又可以生产更先进的产品,这是一个良性循环的过程。用计算支撑器件走向纳米尺度极限。
  对于杜刚来说,他的任务就是找准自己的坐标,将器件输运特性、自热效应及3DNAND存储的研究成果继续巩固下去,并真正将这些成果转化为对产业界有用的东西。杜刚说,不管遇到什么困难他都会坚持下去,因为兴趣使然。

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2019年9月上

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