用計算支撐器件走向納米尺度極限
——記北京大學微納電子學研究院教授杜剛

□ 李玉芹

杜剛

在集成電路技術尺寸縮小逐漸逼近物理極限的今天，半導體器件模擬技術已經成為新器件、新結構、新技術研發(fā)中不可或缺的一環(huán)。對于納米尺度半導體器件，量子效應、非穩(wěn)態(tài)載流子輸運等物理量效應的影響，使得分析器件特性優(yōu)化器件結構離不開理論計算結果的指導；另一方面隨著器件結構的日趨復雜,設計難度不斷加大，在半導體集成電路產業(yè)設備異常昂貴的今天，以流片試驗的方式去驗證設計成果，必然會導致人力、物力的巨大損耗。計算機運算能力的提升和器件仿真模型和算法的進步，計算機模擬的準確度提高，適用范圍擴大，使得計算機模擬技術在從工藝到器件再到芯片的設計和優(yōu)化中扮演著越來越重要的角色。

“其實這個研究方向很時髦，在計算機的虛擬世界里完成半導體器件的設計、制造到優(yōu)化，也是另一種意義的虛擬現實。”談起自己的研究，北京大學微納電子學研究院的教授杜剛侃侃而談。興趣使然，在此領域他已摸爬滾打了近20年。

二十載求索 挑戰(zhàn)熱點難題

2019年，已是杜剛在北京大學工作的第25個年頭。從1998年他攻讀碩士學位時第一次接觸半導體器件模擬方法研究，至今也已有20多年。20多年的時間，在別人看來不算短，但在杜剛那里卻是轉瞬即逝，對于不斷求索的他來說，時間并不是耐用品。但一路走來，在半導體器件模型模擬領域取得的大量創(chuàng)新成果正是這段時光對杜剛最好的回饋。

作為骨干人員，多年來，他曾先后主持和參與了多項原國家“973”子項目、原“863”項目、國家自然科學基金項目。在納米新器件輸運現象、納米尺度集成電路自熱效應及可靠性、3DNAND存儲陣列器件及電路可靠性的研究中杜剛已是碩果累累，目前，發(fā)表在國內外期刊和國際會議上的論文已有200余篇。

隨著集成電路制造技術的不斷發(fā)展，納米技術已經量產，甚至柵極長度為1納米的MOSFET都已經制備成功，并且獲得了正常的器件特性。同時，石墨烯等多種二維半導體材料的應用，不僅使微電子學器件研究領域由微米尺度進入到納米尺度，而且也使所用材料更加豐富，涉及的工作機理更加多樣，給器件模擬和建模研究帶來空前挑戰(zhàn)。

在經典的半導體載流子穩(wěn)態(tài)輸運圖像下，載流子在半導體中的輸運速度與所處位置的電場強度相關，呈現典型的本地輸運特點，基于該圖像的漂移擴散模型是大多數商業(yè)化器件仿真軟件的核心基礎。當器件尺寸進入納米尺度，強電場和量子效應等影響顯著，載流子輸運體現出非本地輸運特征，使得載流子輸運特性研究成為納米尺度器件模擬的重要內容。杜剛的器件模擬研究工作，首先選定了這一領域?！皬牟┦空撐难芯抗ぷ鏖_始到現在，我對輸運現象的研究已經持續(xù)進行了20年。隨著時間的推移，這項研究已變的越來越重要。”杜剛說。

根據載流子在溝道輸運過程中遭遇的散射事件次數的不同，可以將載流子輸運機制分為漂移擴散、準彈道輸運和彈道輸運3種。對于傳統(tǒng)的長溝器件，載流子的輸運機制可以用熟知的漂移—擴散來描述。對于溝道長度為30納米以下的亞30納米MOS器件而言，載流子在溝道輸運過程中遭遇有限次數的散射，此時載流子的輸運機制已變成為準彈道輸運。目前，對于漂移擴散輸運和彈道輸運機制及其規(guī)律已經有了很好的刻畫和建模。而對于怎樣去描述準彈道輸運，準彈道輸運對器件的性能有多大影響，還在探索中。為了能準確刻畫載流子準彈道輸運，從博士論文研究開始，杜剛建立了全能帶蒙特卡羅器件模擬平臺。為了適合FinFET等非平面器件研究，依托原“973”基礎研究項目與北大數學學院的老師合作，從算法上優(yōu)化解決了維度增加帶來的計算復雜度和計算資源消耗急劇增加的難題，實現了三維器件的全能帶蒙特模擬，利用這一平臺深入研究了器件的準彈道輸運特點，相關研究成果通過產學研合作已經在中芯國際14納米FinFET工藝開發(fā)得到運用。

基于對納米器件的準彈道輸運特點的深入理解，他和團隊在納米尺度MOSFET電路仿真模型方面，完成了準彈道器件模型的建立,并基于溝道長度為9納米的器件進行了模擬數據和模型的初步驗證，目前已將模型嵌入HSPICE進行了單管和反相器電路的仿真。

在集成電路器件縮小的過程中，器件的功率密度不斷增加，而散熱能力不斷降低，納米尺度器件其開啟時的功耗將帶來器件溫度的顯著增加，出現明顯的自熱效應，而MOSFET的可靠性與器件工作溫度密切相關，這使得自熱效應也成為目前研究熱點。在原國家“973”項目“納米尺度硅集成電路器件與工藝基礎研究”中，杜剛作為參與者，承擔了自熱效應相關部分的研究工作，建立了一套模擬器件中電熱耦合效應的模擬方法；并基于三維全能帶蒙特卡羅模擬器，開發(fā)出了適用于納米尺度及非平面器件的電熱耦合模擬器。

目前，該模擬器已經用于專項項目“0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發(fā)與產業(yè)化”的研究中，用以模擬S O I LDMOS器件特性及其自熱效應。

之后，利用開發(fā)出的新模擬器，杜剛又開展了針對FinFET中的自熱效應及其對載流子輸運和可靠性影響的一系列研究。通過詳細分析FinFET襯底類型和F i n的數目和F i n間距等對自熱效應的影響，杜剛獲得了各種情形下器件溫度分布和熱阻變化的詳細情況，又進一步進行了自熱效應對FinFET器件可靠性的研究，取得的一系列成果對FinFET器件可靠性研究和電路設計具有重要指導意義。

對于量子效應對納米尺度器件輸運和特性研究方面，通過多年研究，杜剛所在的團隊建立了具有自主知識產權的適于亞16納米及新型邏輯器性能評估及設計的多層次納米電子器件模擬器，其中包括能帶計算、量子輸運、應力作用下新材料輸運特性計算等多個模塊。杜剛開展的一系列研究為創(chuàng)建我國具有自主知識產權的納米尺度半導體器件模擬軟件做出了巨大的貢獻，更為我國爭得了國際話語權。

興趣使然 補存儲模擬短板

談起這些年取得的成績，杜剛驕傲地告訴記者：“無論是自熱效應還是輸運研究，我們都處于國際的前沿，屬于國際上研究此類問題的第一梯隊?！倍艅傆欣碛沈湴?，因為除這些外，還有一項研究，同樣處在了國際的領先位置，這就是關于3DNAND存儲陣列器件及電路可靠性的研究。

傳統(tǒng)意義上的器件模擬主要集中在模擬邏輯器件的特性上，缺少專門針對存儲器件，特別是電荷俘獲型非揮發(fā)存儲器件的模擬器。通過對電荷俘獲存儲器在應力條件下器件界面以及體內缺陷生長的研究，杜剛及團隊建立了適于電荷俘獲存儲器的缺陷態(tài)密度隨時間變化的模型，之后還將該模型加入了已經建立的CTM器件模擬平臺，并對應力下電荷俘獲存儲器界面處以及體內缺陷態(tài)的生長進行了模擬，進而為電荷俘獲存儲器在正常工作情形下缺陷的生長機制和器件性能的退化提供了預測。并基于以上研究建立起了一個適于研究納米尺度電荷俘獲型存儲器特性的器件模擬平臺。目前杜剛團隊正與華為開展合作，共同致力于將器件模擬平臺上的一系列優(yōu)化方案應用于實實在在的產品開發(fā)中去。

談到器件模擬研究的未來，杜剛認為，其實整個微電子產業(yè)的發(fā)展進度，不只取決于更新了多少生產線，研發(fā)了多少設備。更取決于設計軟環(huán)境的更新力度，只有把這個短板補上，擁有了更強大的計算機系統(tǒng)，才可以開發(fā)更好的仿真軟件工具平臺，并基于這些平臺，去開發(fā)更先進的工藝技術，而先進的工藝技術又可以生產更先進的產品，這是一個良性循環(huán)的過程。用計算支撐器件走向納米尺度極限。

對于杜剛來說，他的任務就是找準自己的坐標，將器件輸運特性、自熱效應及3DNAND存儲的研究成果繼續(xù)鞏固下去，并真正將這些成果轉化為對產業(yè)界有用的東西。杜剛說，不管遇到什么困難他都會堅持下去，因為興趣使然。

團隊合影