研究背景

由于晶體管尺寸微縮帶來(lái)的性能增益逐漸減少，集成電路制程發(fā)展速度放緩，納米器件和集成電路制造相關(guān)的廠(chǎng)商和機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)而從新型器件結(jié)構(gòu)入手探索新的技術(shù)助推劑。一些半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展嚴(yán)重依賴(lài)于器件模擬技術(shù)，因此，需要找到降低器件仿真和計(jì)算時(shí)間成本的方式方法。此外，功函數(shù)波動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)WKF）、隨機(jī)摻雜劑波動(dòng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)RDF）、隨機(jī)界面阱（暫譯，random interface trap簡(jiǎn)稱(chēng)RIT）、工藝參數(shù)浮動(dòng)效應(yīng)（以下簡(jiǎn)稱(chēng)PVE）和邊緣粗糙度（line-edge roughness）等各種變化因子在先進(jìn)集成電路制造中都有著重要的作用。如今,高驅(qū)動(dòng)電流和器件縮小是半導(dǎo)體制造中需要考慮的兩大因素。

中國(guó)臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室研究團(tuán)隊(duì)首次提出了一種深度學(xué)習(xí)算法研究不同工藝變化因子對(duì)半導(dǎo)體納米器件性能的影響,基于柵極功函數(shù)波動(dòng)統(tǒng)計(jì)分布，并以先進(jìn)GAA晶體管為研究對(duì)象探索了器件模擬仿真的創(chuàng)新新方案。該成果以“Deep Learning Approach to Inverse Grain Pattern of Nanosized Metal Gate for Multichannel GateAll-Around Silicon Nanosheet MOSFETs”為題發(fā)表于IEEE Transactions on Semiconductor Manufacturing，第一作者為Chandni Akbar，通訊作者為李義明教授。

研究?jī)?nèi)容

研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)對(duì)于晶體管器件進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)金屬柵極的WKF會(huì)引起不同的電性能變化，針對(duì)其實(shí)驗(yàn)成果提出了一種深度學(xué)習(xí)算法——artificial neural network(以下簡(jiǎn)稱(chēng)ANN)，用于識(shí)別金屬柵極上合適的WKF模式，以減少波動(dòng)造成的影響。在此基礎(chǔ)上，團(tuán)隊(duì)進(jìn)一步研究了探討了ANN算法在多溝道GAA nanosheet器件*中的應(yīng)用，以抑制WKF對(duì)特性波動(dòng)的影響。

*多溝道GAA nanosheet器件，與三星發(fā)布的MBCFET類(lèi)似，是一種采用多nanosheet溝道堆疊結(jié)構(gòu)的環(huán)柵晶體管器件，不同廠(chǎng)商有各自的命名。

圖(a)為多溝道nanosheet器件示意圖；

圖(b)為功函數(shù)模型,以二進(jìn)制圖案映射WKF波動(dòng)

通過(guò)器件仿真生成數(shù)據(jù)的原理流程圖

圖為ANN架構(gòu)實(shí)際工作示例

ANN算法訓(xùn)練模式

ANN算法測(cè)試模式

DL-ANN模型的性能驗(yàn)證顯示：

圖(a)經(jīng)多次訓(xùn)練&測(cè)試的損失值變化；

圖(b)經(jīng)多次訓(xùn)練&測(cè)試的模型精度變化

前景展望

中國(guó)臺(tái)灣陽(yáng)明大學(xué)團(tuán)隊(duì)基于WKF對(duì)工藝變化影響的ANN算法，為納米器件建模和電路設(shè)計(jì)分析提供一種新的方法，可減小器件電學(xué)特性的波動(dòng)，加速器件設(shè)計(jì)和工藝中的調(diào)參流程，是集成電路器件仿真和新興人工智能技術(shù)優(yōu)化技術(shù)之間的橋梁，并在未來(lái)成為集成電路器件模擬和優(yōu)化的一劑強(qiáng)大助推劑。

團(tuán)隊(duì)介紹

李義明教授，中國(guó)臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)電機(jī)系教授、平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室負(fù)責(zé)人、納米元件實(shí)驗(yàn)室組長(zhǎng)及副研究員，2001年博士畢業(yè)于國(guó)立交通大學(xué)電子研究所。目前研究方向?yàn)榘雽?dǎo)體組件模式與仿真、電路仿真與設(shè)計(jì)優(yōu)化、顯示、生醫(yī)與能源電子。

中國(guó)臺(tái)灣陽(yáng)明交通大學(xué)，原中國(guó)臺(tái)灣交通大學(xué)與陽(yáng)明大學(xué)于2021年正式合并改組完成，兩校皆為中國(guó)臺(tái)灣一流學(xué)府，分別專(zhuān)長(zhǎng)于電子信息領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域；其中，臺(tái)交大在電子、通信和光電等學(xué)科研究水平居世界前列。

平行與科學(xué)計(jì)算實(shí)驗(yàn)室，由國(guó)立交通大學(xué)發(fā)起成立于公元2001年，從事基礎(chǔ)學(xué)術(shù)研究以及電機(jī)信息領(lǐng)域?qū)崉?wù)問(wèn)題，該實(shí)驗(yàn)室與新竹科學(xué)園區(qū)半導(dǎo)體、面板顯示器、與太陽(yáng)能電池大廠(chǎng)密切合作，實(shí)驗(yàn)室所研究的結(jié)果，皆與業(yè)界進(jìn)行樣品實(shí)作與實(shí)驗(yàn)量測(cè)驗(yàn)證，是世界上少數(shù)能落實(shí)學(xué)以致用，縮小理論與實(shí)務(wù)差距之專(zhuān)業(yè)實(shí)驗(yàn)室。

論文原文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/document/9552207/