一种基于去镜像效应的新型分析模型，利用介电常数抑制技术实现纳米片场效应晶体管电容值的提取

《IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation》：A Novel De-Mirroring-Based Analytical Model for Capacitance Extraction of Nanosheet FET Using Dielectric Permittivity Suppression

　　摘要：与平面MOSFET不同，纳米片场效应晶体管具有复杂的电容网络，这些网络取决于芯片的几何结构、芯片数量、源极-栅极-漏极接触情况以及芯片间的耦合效应等。目前，现有的简化模型大多采用冷FET方法（此处称为“镜像法”），即将栅极-源极电压和漏极-源极电压都设为零。然而，在饱和工作状态下，这种镜像假设不再成立，因此需要基于漏极-源极电压的电容模型。本文提出了一种新的去镜像方法，用于提取纳米片场效应晶体管的电容值。该方法通过将器件在通道中心处分割开，利用共形映射技术分别计算与栅极-源极电压和漏极-源极电压相关的电容值，再结合介电常数抑制方法来求解各个电容分量。所提出的模型与经过实验数据校准的仿真结果高度吻合。研究表明，传统的镜像法会使整体栅极电容的高估幅度达到15%左右，而新提出的去镜像方法则能给出更为精确的预测结果。

引言：尽管半导体技术不断进步，工业发展正朝着3纳米以下的工艺节点迈进，但诸如纳米片、叉形片以及互补场效应晶体管这类复杂且新兴的非平面场效应晶体管架构，对于提升性能、优化通道利用率、降低能耗以及实现器件可扩展性而言依然不可或缺[1][2][3][4]。不过，这些技术进展也带来了对电容值和寄生电阻管理的挑战，因为它们可能会显著影响器件的性能[5][6]。传统的鳍式场效应晶体管适用于14纳米以下的工艺节点，其出色的静电控制能力以及有效的短通道效应抑制功能，使其成为下一代集成电路的理想选择。然而，随着接触式多晶线间距和金属线间距的持续缩小，寄生源极/漏极电容会增加，这在高偏压条件下会限制驱动电流的流动，从而构成一大挑战[7]。为解决这些问题，纳米片场效应晶体管因其优异的全环绕栅极静电控制能力、更高的驱动电流以及更高效的通道利用率，成为一种极具前景的替代方案。这类器件具有由堆叠式栅极（即氧化层堆叠和金属层）包围的垂直堆叠纳米片/通道结构，从而改善了器件的面积比例特性[8]。与平面MOSFET不同，纳米片场效应晶体管拥有分布在整个器件上的复杂电容和电阻网络。因此，迫切需要为这类器件建立简化模型，以便深入了解其寄生行为[9]。目前已有部分研究采用了改进的传输线模型、泊松积分法和共形映射法来构建N堆叠结构纳米片场效应晶体管的分析模型[6][10]。传输线模型能够有效优化寄生电容元件，并准确描述源极和漏极扩展区域中的非均匀电流密度，而这些因素都会对整体栅极电容产生重要影响。通常，寄生电容是通过共形映射法结合椭圆积分来计算的，相比计算复杂度较高的泊松积分法，这是一种相对简单的方法[11]。尽管这两种建模方法都具有一定效果，但它们都可能存在误差，进而对计算结果造成较大影响。

图1：(a) 纳米片场效应晶体管的3D等轴视图；(b) 根据实验数据校准后的基准纳米片场效应晶体管的IDS–VGS曲线[13]，其中埋层氧化层为SiO2。

图2：纳米片场效应晶体管的等效电容网络，该网络包含了多个节点之间存在的所有可能电容值，其中S代表源极区域，D代表漏极区域。

图3：(a) 作为共形映射法参考的初始复Z平面；(b) 对第一个平面进行变换后的平面；(c) 通过施瓦茨-克里斯托费尔变换得到的最终变换平面[17]。