I. Giới thiệu về MOS cực cổng nổi
Nghiên cứu về MOSFET cực cổng nổi đã thu hút sự quan tâm đáng kể trong nhiều thập kỷ qua nhờ vào khả năng cung cấp các đặc tính quan trọng trong lĩnh vực thiết kế vi mạch. MOS cực cổng nổi là một dạng của MOSFET truyền thống, với một cực cổng nổi được cách ly hoàn toàn bởi các lớp cách điện. Các linh kiện này không chỉ được ứng dụng trong thiết kế mạch tương tự hỗn hợp mà còn trong mạng nơ-ron và bộ nhớ không bay hơi. Tuy nhiên, việc thu nhỏ kích thước của linh kiện CMOS nhằm cải thiện tốc độ hoạt động và giảm chi phí chế tạo đã gặp phải thách thức lớn về độ dày của lớp Tunnel Oxide, được xác định bởi IRDS và Intel với giá trị tối thiểu là 6 nm. Khi độ dày này trở nên quá mỏng, hiện tượng rò rỉ điện tích trở thành vấn đề nghiêm trọng, dẫn đến sự suy giảm hiệu suất của linh kiện.
1.1 Đặc điểm và ứng dụng của MOS cực cổng nổi
MOS cực cổng nổi được biết đến với khả năng lưu trữ điện tích lâu dài, làm cho chúng trở thành thành phần lý tưởng cho các ứng dụng bộ nhớ không bay hơi. Đặc biệt, các nghiên cứu chỉ ra rằng linh kiện này có thể đạt được cửa sổ bộ nhớ lớn và tốc độ xóa cao, điều này rất quan trọng trong việc phát triển các thiết bị lưu trữ mới. Chúng cũng có tiềm năng trong việc cải tiến các thiết kế vi mạch số và tương tự, nhờ vào khả năng hoạt động ổn định trong các điều kiện khắc nghiệt.
II. Thiết kế và mô phỏng chế tạo MOS cực cổng nổi
Quá trình thiết kế mạch điện cho MOS cực cổng nổi đòi hỏi phải xem xét nhiều yếu tố như cấu trúc, vật liệu và các thông số kỹ thuật. Trong luận án này, hai cấu trúc chính đã được nghiên cứu: cấu trúc Nanocrystal và cấu trúc tiêu chuẩn. Cấu trúc Nanocrystal được thiết kế nhằm tối ưu hóa cửa sổ bộ nhớ và giảm thiểu công suất dòng rò, trong khi cấu trúc tiêu chuẩn tập trung vào việc cải thiện tốc độ và độ bền của linh kiện. Việc mô phỏng được thực hiện bằng công cụ TCADAS, cho phép tự động hóa quá trình thiết kế và giảm thiểu sai sót trong quy trình chế tạo.
2.1 Phương pháp mô phỏng chế tạo
Công cụ TCADAS đã được phát triển để thực hiện mô phỏng chế tạo ảo cho các linh kiện bán dẫn. Công cụ này cho phép mô phỏng đặc tính linh kiện, sự biến thiên trong quy trình chế tạo ảo, và trích xuất thông số quan trọng. Sử dụng TCADAS, các thông số của hai cấu trúc MOS cực cổng nổi đã được tối ưu hóa, cho thấy sự cải thiện đáng kể về hiệu suất. Cụ thể, cấu trúc Nanocrystal đã đạt được cửa sổ bộ nhớ lên tới 2.8V với điện áp cung cấp ±6 V, trong khi cấu trúc tiêu chuẩn đạt được 4 V cửa sổ bộ nhớ với điện áp tương tự.
III. Trích xuất mô hình DC cho MOS cực cổng nổi
Trong luận án, hai phương pháp đã được áp dụng để trích xuất mô hình DC cho MOS cực cổng nổi. Phương pháp đầu tiên sử dụng công cụ ICCAP để trích xuất mô hình Mức 3, trong khi phương pháp thứ hai áp dụng mô hình tương đương nhằm đạt được độ chính xác cao hơn. Kết quả cho thấy mô hình BSIM3v3.1 mức 49 đã cung cấp độ chính xác chấp nhận được, trong khi mô hình Mức 3 cho thấy một số giới hạn nhất định. Việc trích xuất mô hình DC là rất quan trọng, giúp áp dụng các mô hình này vào các thiết kế thực tế như bộ nhớ không bay hơi.
3.1 So sánh kết quả mô phỏng và thực tế
Kết quả kiểm chứng cho thấy sự phù hợp giữa các mô hình mô phỏng và kết quả thực tế từ các linh kiện được chế tạo. Mặc dù mô hình BSIM3v3.1 cho kết quả tốt, độ chính xác của mô hình Mức 3 vẫn cần được cải thiện. Việc so sánh này không chỉ giúp xác nhận tính khả thi của các mô hình mà còn mở ra hướng phát triển cho các nghiên cứu tiếp theo trong lĩnh vực này.
IV. Kết luận và hướng phát triển
Nghiên cứu về MOS cực cổng nổi đã chỉ ra rằng việc tối ưu hóa cấu trúc và vật liệu là rất quan trọng trong việc phát triển các linh kiện bán dẫn mới. Các kết quả đạt được từ nghiên cứu này không chỉ có giá trị trong lý thuyết mà còn có ứng dụng thực tiễn cao trong ngành công nghiệp điện tử. Hướng phát triển tiếp theo có thể tập trung vào việc cải tiến công cụ TCADAS và mở rộng ứng dụng của các mô hình DC đã được trích xuất.
4.1 Đề xuất nghiên cứu trong tương lai
Các nghiên cứu trong tương lai có thể xem xét việc áp dụng các vật liệu mới và cấu trúc linh kiện tiên tiến nhằm cải thiện hiệu suất của MOS cực cổng nổi. Đồng thời, việc phát triển các công cụ mô phỏng và thiết kế tự động hóa cũng sẽ đóng góp tích cực vào việc nâng cao hiệu quả sản xuất và giảm thiểu chi phí chế tạo.
