Nanosized-Metal-Grain-Pattern-Dependent Threshold-Voltage Models for the Vertically Stacked Multichannel Gate-All-Around Si Nanosheet MOSFETs and Their Applications in Circuit Simulation

算法 物理 计算机科学
作者
Wen-Li Sung,Yiming Li,Min-Hui Chuang
出处
期刊:IEEE Transactions on Electron Devices [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:71 (1): 350-358 被引量:1
标识
DOI:10.1109/ted.2023.3328586
摘要

This article proposes grain-pattern-dependent threshold-voltage ( V $_{\text{th}}$ ) models to predict the variability of V $_{\text{th}}$ ( V $_{\text{th}}$ ) due to work-function (WK) fluctuation (WKF) for the vertically stacked multichannel gate-all-around (GAA) silicon (Si) nanosheet (NS) MOSFETs (NS-FETs). In addition, the models were applied to estimate the variability of static noise margin (SNM) of a 6-T SRAM, a CMOS inverter, and a single-stage common-source amplifier. To model this phenomenon, each perturbed local metal grain is counted by the superposition principle statistically. The model can be used to explain the values of V $_{\text{th}}$ by the location effect of metal grain for the vertically stacked multichannel devices. In addition, the model can predict the values of V $_{\text{th}}$ for the vertically stacked multichannel devices with different metal grain sizes. Compared with the results of 3-D device simulation (3D-DS), the error rate (ER) of our model prediction is less than 0.5%. According to the formulated model, an empirical expression is further advanced, which has continuous derivatives and can be easily incorporated into a circuit simulator to assess the variability of SNM of a 6-T SRAM, CMOS inverter, and single-stage common-source amplifier affected by the WKF, where the ERs are below 0.5%. The proposed models provide a valuable approach for estimating the impact of circuit design by the WKF.
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