（來源：科學(xué)中國人（ID：scichi）←關(guān)注它）

在集成電路技術(shù)尺寸縮小逐漸逼近物理極限的今天，半導(dǎo)體器件模擬技術(shù)已經(jīng)成為新器件、新結(jié)構(gòu)、新技術(shù)研發(fā)中不可或缺的一環(huán)。

?

對(duì)于納米尺度半導(dǎo)體器件，量子效應(yīng)、非穩(wěn)態(tài)載流子輸運(yùn)等物理量效應(yīng)的影響，使得分析器件特性優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)離不開理論計(jì)算結(jié)果的指導(dǎo)；另一方面隨著器件結(jié)構(gòu)的日趨復(fù)雜,設(shè)計(jì)難度不斷加大，在半導(dǎo)體集成電路產(chǎn)業(yè)設(shè)備異常昂貴的今天，以流片試驗(yàn)的方式去驗(yàn)證設(shè)計(jì)成果，必然會(huì)導(dǎo)致人力、物力的巨大損耗。計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的提升和器件仿真模型和算法的進(jìn)步，計(jì)算機(jī)模擬的準(zhǔn)確度提高，適用范圍擴(kuò)大，使得計(jì)算機(jī)模擬技術(shù)在從工藝到器件再到芯片的設(shè)計(jì)和優(yōu)化中扮演著越來越重要的角色。

?

“其實(shí)這個(gè)研究方向很時(shí)髦，在計(jì)算機(jī)的虛擬世界里完成半導(dǎo)體器件的設(shè)計(jì)、制造到優(yōu)化，也是另一種意義的虛擬現(xiàn)實(shí)?！闭勂鹱约旱难芯?，北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院的教授杜剛侃侃而談。興趣使然，在此領(lǐng)域他已摸爬滾打了近20年。

北京大學(xué)微納電子學(xué)研究院的教授杜剛

2019年，已是杜剛在北京大學(xué)工作的第25個(gè)年頭。從1998年他攻讀碩士學(xué)位時(shí)第一次接觸半導(dǎo)體器件模擬方法研究，至今也已有20多年。20多年的時(shí)間，在別人看來不算短，但在杜剛那里卻是轉(zhuǎn)瞬即逝，對(duì)于不斷求索的他來說，時(shí)間并不是耐用品。但一路走來，在半導(dǎo)體器件模型模擬領(lǐng)域取得的大量創(chuàng)新成果正是這段時(shí)光對(duì)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(xiàng)原國家“973”子項(xiàng)目、原“863”項(xiàng)目、國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目。在納米新器件輸運(yùn)現(xiàn)象、納米尺度集成電路自熱效應(yīng)及可靠性、3DNAND存儲(chǔ)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(nèi)外期刊和國際會(huì)議上的論文已有200余篇。

?

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

?

在經(jīng)典的半導(dǎo)體載流子穩(wěn)態(tài)輸運(yùn)圖像下，載流子在半導(dǎo)體中的輸運(yùn)速度與所處位置的電場(chǎng)強(qiáng)度相關(guān)，呈現(xiàn)典型的本地輸運(yùn)特點(diǎn)，基于該圖像的漂移擴(kuò)散模型是大多數(shù)商業(yè)化器件仿真軟件的核心基礎(chǔ)。當(dāng)器件尺寸進(jìn)入納米尺度，強(qiáng)電場(chǎng)和量子效應(yīng)等影響顯著，載流子輸運(yùn)體現(xiàn)出非本地輸運(yùn)特征，使得載流子輸運(yùn)特性研究成為納米尺度器件模擬的重要內(nèi)容。

?

杜剛的器件模擬研究工作，首先選定了這一領(lǐng)域?！皬牟┦空撐难芯抗ぷ鏖_始到現(xiàn)在，我對(duì)輸運(yùn)現(xiàn)象的研究已經(jīng)持續(xù)進(jìn)行了20年。隨著時(shí)間的推移，這項(xiàng)研究已變的越來越重要。”杜剛說。

?

根據(jù)載流子在溝道輸運(yùn)過程中遭遇的散射事件次數(shù)的不同，可以將載流子輸運(yùn)機(jī)制分為漂移擴(kuò)散、準(zhǔn)彈道輸運(yùn)和彈道輸運(yùn)3種。

?

對(duì)于傳統(tǒng)的長(zhǎng)溝器件，載流子的輸運(yùn)機(jī)制可以用熟知的漂移—擴(kuò)散來描述。對(duì)于溝道長(zhǎng)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(yùn)過程中遭遇有限次數(shù)的散射，此時(shí)載流子的輸運(yùn)機(jī)制已變成為準(zhǔn)彈道輸運(yùn)。目前，對(duì)于漂移擴(kuò)散輸運(yùn)和彈道輸運(yùn)機(jī)制及其規(guī)律已經(jīng)有了很好的刻畫和建模。而對(duì)于怎樣去描述準(zhǔn)彈道輸運(yùn)，準(zhǔn)彈道輸運(yùn)對(duì)器件的性能有多大影響，還在探索中。

?

為了能準(zhǔn)確刻畫載流子準(zhǔn)彈道輸運(yùn)，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(tái)。為了適合FinFET等非平面器件研究，依托原“973”基礎(chǔ)研究項(xiàng)目與北大數(shù)學(xué)學(xué)院的老師合作，從算法上優(yōu)化解決了維度增加帶來的計(jì)算復(fù)雜度和計(jì)算資源消耗急劇增加的難題，實(shí)現(xiàn)了三維器件的全能帶蒙特模擬，利用這一平臺(tái)深入研究了器件的準(zhǔn)彈道輸運(yùn)特點(diǎn)，相關(guān)研究成果通過產(chǎn)學(xué)研合作已經(jīng)在中芯國際14納米FinFET工藝開發(fā)得到運(yùn)用。

?

基于對(duì)納米器件的準(zhǔn)彈道輸運(yùn)特點(diǎn)的深入理解，他和團(tuán)隊(duì)在納米尺度MOSFET電路仿真模型方面，完成了準(zhǔn)彈道器件模型的建立，并基于溝道長(zhǎng)度為9納米的器件進(jìn)行了模擬數(shù)據(jù)和模型的初步驗(yàn)證，目前已將模型嵌入HSPICE進(jìn)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(shí)的功耗將帶來器件溫度的顯著增加，出現(xiàn)明顯的自熱效應(yīng)，而MOSFET的可靠性與器件工作溫度密切相關(guān)，這使得自熱效應(yīng)也成為目前研究熱點(diǎn)。在原國家“973”項(xiàng)目“納米尺度硅集成電路器件與工藝基礎(chǔ)研究”中，杜剛作為參與者，承擔(dān)了自熱效應(yīng)相關(guān)部分的研究工作，建立了一套模擬器件中電熱耦合效應(yīng)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(jīng)用于專項(xiàng)項(xiàng)目“0.13微米SOI通用CMOS與高壓工藝開發(fā)與產(chǎn)業(yè)化”的研究中，用以模擬SOI LDMOS器件特性及其自熱效應(yīng)。

?

之后，利用開發(fā)出的新模擬器，杜剛又開展了針對(duì)FinFET中的自熱效應(yīng)及其對(duì)載流子輸運(yùn)和可靠性影響的一系列研究。通過詳細(xì)分析FinFET襯底類型和Fin的數(shù)目和Fin間距等對(duì)自熱效應(yīng)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(xì)情況，又進(jìn)一步進(jìn)行了自熱效應(yīng)對(duì)FinFET器件可靠性的研究，取得的一系列成果對(duì)FinFET器件可靠性研究和電路設(shè)計(jì)具有重要指導(dǎo)意義。

?

對(duì)于量子效應(yīng)對(duì)納米尺度器件輸運(yùn)和特性研究方面，通過多年研究，杜剛所在的團(tuán)隊(duì)建立了具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的適于亞16納米及新型邏輯器性能評(píng)估及設(shè)計(jì)的多層次納米電子器件模擬器，其中包括能帶計(jì)算、量子輸運(yùn)、應(yīng)力作用下新材料輸運(yùn)特性計(jì)算等多個(gè)模塊。杜剛開展的一系列研究為創(chuàng)建我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的納米尺度半導(dǎo)體器件模擬軟件做出了巨大的貢獻(xiàn)，更為我國爭(zhēng)得了國際話語權(quán)。

談起這些年取得的成績(jī)，杜剛驕傲地告訴記者：“無論是自熱效應(yīng)還是輸運(yùn)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(duì)?！倍艅傆欣碛沈湴?，因?yàn)槌@些外，還有一項(xiàng)研究，同樣處在了國際的領(lǐng)先位置，這就是關(guān)于3DNAND存儲(chǔ)陣列器件及電路可靠性的研究。

?

團(tuán)隊(duì)合影

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(duì)存儲(chǔ)器件，特別是電荷俘獲型非揮發(fā)存儲(chǔ)器件的模擬器。

?

通過對(duì)電荷俘獲存儲(chǔ)器在應(yīng)力條件下器件界面以及體內(nèi)缺陷生長(zhǎng)的研究，杜剛及團(tuán)隊(duì)建立了適于電荷俘獲存儲(chǔ)器的缺陷態(tài)密度隨時(shí)間變化的模型，之后還將該模型加入了已經(jīng)建立的CTM器件模擬平臺(tái)，并對(duì)應(yīng)力下電荷俘獲存儲(chǔ)器界面處以及體內(nèi)缺陷態(tài)的生長(zhǎng)進(jìn)行了模擬，進(jìn)而為電荷俘獲存儲(chǔ)器在正常工作情形下缺陷的生長(zhǎng)機(jī)制和器件性能的退化提供了預(yù)測(cè)。并基于以上研究建立起了一個(gè)適于研究納米尺度電荷俘獲型存儲(chǔ)器特性的器件模擬平臺(tái)。

?

目前杜剛團(tuán)隊(duì)正與華為開展合作，共同致力于將器件模擬平臺(tái)上的一系列優(yōu)化方案應(yīng)用于實(shí)實(shí)在在的產(chǎn)品開發(fā)中去。

?

談到器件模擬研究的未來，杜剛認(rèn)為，其實(shí)整個(gè)微電子產(chǎn)業(yè)的發(fā)展進(jìn)度，不只取決于更新了多少生產(chǎn)線，研發(fā)了多少設(shè)備。更取決于設(shè)計(jì)軟環(huán)境的更新力度，只有把這個(gè)短板補(bǔ)上，擁有了更強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，才可以開發(fā)更好的仿真軟件工具平臺(tái)，并基于這些平臺(tái)，去開發(fā)更先進(jìn)的工藝技術(shù)，而先進(jìn)的工藝技術(shù)又可以生產(chǎn)更先進(jìn)的產(chǎn)品，這是一個(gè)良性循環(huán)的過程。用計(jì)算支撐器件走向納米尺度極限。

?

對(duì)于杜剛來說，他的任務(wù)就是找準(zhǔn)自己的坐標(biāo)，將器件輸運(yùn)特性、自熱效應(yīng)及3DNAND存儲(chǔ)的研究成果繼續(xù)鞏固下去，并真正將這些成果轉(zhuǎn)化為對(duì)產(chǎn)業(yè)界有用的東西。杜剛說，不管遇到什么困難他都會(huì)堅(jiān)持下去，因?yàn)榕d趣使然。

來源：科學(xué)中國人2019年1期（下）