Исследование методом моделирования туннельного полевого транзистора с двойным затвором с толщиной ступенчатого канала

Фон

По мере продолжения процесса экстремального масштабирования технология CMOS с обычным MOSFET сталкивается с различными проблемами, такими как возрастающий ток утечки и подпороговая крутизна ( SS ). Ожидается, что туннельный полевой транзистор (TFET), использующий механизмы межполосного туннелирования (BTBT), расширит ограничения по току утечки и SS [1,2,3,4,5,6,7,8]. TFET на основе кремния демонстрирует такие преимущества, как высокая надежность и низкая стоимость. Однако обычный TFET на основе кремния демонстрирует относительно низкий ток по сравнению с MOSFET из-за ограниченной скорости BTBT [9,10,11]. Чтобы раскрыть потенциал TFET на основе кремния, недавно были предложены различные новые структуры TFET для увеличения тока в открытом состоянии. TFET с двойным затвором (DG TFET) показывает улучшенную скорость BTBT, что приводит к увеличению тока включения [12,13,14]. Однако амбиполярный ток DG TFET также увеличивается, поскольку улучшение скорости BTBT активируется также в амбиполярном состоянии [15]. Для дальнейшего преодоления амбиполярного тока необходимо ввести асимметрию между истоком и стоком [16]. DG TFET с перекрытием затвор-сток и меньшей концентрацией легирования в стоках являются обычными методами решения амбиполярной проблемы [17,18,19]. Но нижнее перекрытие затвор-сток требует большего S / D расстояния, а меньшая концентрация легирования стока увеличивает последовательные сопротивления [15]. Предыдущая работа показала, что амбиполярные эффекты в TFET с перекрытием дренажа могут быть дополнительно уменьшены за счет использования прокладок с низким k и размещения контактов в верхней и нижней конфигурации [15], предполагая, что комбинированные стратегии асимметрии могут иметь смысл в повышение производительности TFET. В нашей предыдущей работе было продемонстрировано, что FinFET с асимметричной шириной ребра улучшает характеристики FinFET [20]. Также считается, что толщина канала t _si оказывает значительное влияние на скорость BTBT DG TFET [21]; следовательно, асимметрия между толщиной истока и толщиной стока может дополнительно ослабить амбиполярный ток и требует тщательного изучения.

В этой статье мы исследуем различные характеристики DG TFET с толщиной ступенчатого канала (SC TFET), асимметрия между истоком и стоком вводится через толщину ступенчатого канала, поэтому ожидается, что амбиполярный ток будет уменьшен. Остальная часть этого документа организована следующим образом:Раздел 2 представляет структуру устройства и настройки моделирования. В разделе 3 подробно обсуждаются механизмы SC TFET. Подробное обсуждение влияния параметров структуры на кривые перехода, начальное напряжение ( В _начало ), среднее СС и ток стока во включенном / амбиполярном состоянии также представлен. Наконец, в разделе IV изложены выводы, сделанные в этой статье.

Структура и моделирование

Принципиальная схема рассматриваемого в данной статье СК ТФЭТ представлена ​​на рис. 1а. Толщина канала вблизи области истока не равна толщине канала вблизи области стока. В определенной точке области канала толщина канала изменяется скачкообразно. Высота и положение ступеньки обозначаются как H . и L _s соответственно. т _si1 и t _si2 - толщина канала вблизи области истока и области стока соответственно. Эффективная толщина оксида (EOT) в нашем моделировании составляет 1 нм. Область источника сильно легирована p-примесью (10 ²⁰ атомов / см ³ ), а сток сильно легирован n (10 ²⁰ атомов / см ³ ) для уменьшения последовательного сопротивления [15] область канала слегка легирована n-примесью (10 ¹⁷ атомов / см ³ ). Для анализа начального напряжения при различных настройках толщины канала работа выхода металлического затвора фиксируется на уровне 4,5 эВ, длина затвора равна длине канала L _ch и установите на 50 нм [22,23,24,25]. Моделирование выполнено с использованием Sentaurus TCAD выпуска I-2013.12 [26, 27]. Модель зависимости от допинга и модель подвижности, зависящей от поля, представляют собой унифицированную модель подвижности Philips и модель подвижности Ломбарди, соответственно. Также используются статистика Ферми – Дирака, модель рекомбинации Шокли – Рида – Холла и Оже. Чтобы учесть высоколегированные области истока / стока, активируется модель сужения запрещенной зоны. Нелокальная модель BTBT, основанная на приближении Вентцеля – Крамера – Бриллюэна (ВКБ), настроенная на экспериментальные результаты [28], и модель квантования градиента плотности позволяют достичь точного моделирования [29, 30]. Начальное напряжение определяется как напряжение затвора, при котором подпороговая крутизна максимальна. Средняя СС извлекается из тока в закрытом состоянии в I _d =10 ⁻¹¹ А / мкм.

а 2D принципиальная схема СК ТФЭТ, t si1 и t si2 - толщина канала в области истока и стока, очевидно, что вносится асимметрия между истоком и стоком. Линия пореза AA ’- это линия пореза в горизонтальном направлении. Расстояние по вертикали между линией реза и поверхностью области источника составляет 0,5 нм. б Передаточные кривые SC TFET и обычных DG TFET в логарифмическом и линейном масштабе

Результаты и обсуждение

Кривые и механизм переноса

На рис. 1b показаны кривые передачи SC TFET и обычного DG TFET в логарифмическом и линейном масштабе соответственно. Мы выделяем включенное, выключенное и амбиполярное состояние на рис. 1b. Для TFET всегда желательны более высокий ток в открытом состоянии и более низкий ток в амбиполярном состоянии, что требует, чтобы V _начало и SS должен быть низким, а в выключенном состоянии должен быть широкий диапазон напряжений. Как показано на рис. 1b, V _начало обычного DG TFET с толщиной канала 10 нм меньше, чем у DG TFET с толщиной канала 20 нм. Извлеченный V _начало DG TFET с t _si =10 нм составляет 0,04 В, а его извлеченное среднее SS составляет 44,8 мВ / дек, V _начало и средний СС обычного DG TFET с t _si =20 нм составляет 0,1 В и 50,6 мВ / дек соответственно. Ток стока обычного DG TFET с t _si =10 нм улучшается на 94,7% по сравнению с обычным DG TFET с t _si =20 нм. Основная причина такого улучшения тока стока - уменьшенная SS и V _начало . Однако диапазон выключенного состояния обычного DG TFET с t _si =10 нм составляет всего 0,17 В. Обычный DG TFET с t _si =20 нм, для сравнения, диапазон в закрытом состоянии составляет 0,45 В. В результате ток в амбиполярном состоянии обычного DG TFET с t _si =20 нм уменьшается на 3 порядка по сравнению с обычным DG TFET с t _si =10 нм.

Для честного сравнения: t _si1 и t _si2 SC TFET равны толщине канала вышеупомянутых обычных DG TFET, соответственно. Толщина более узкого канала t _si1 SC TFET составляет 10 нм и более широкая толщина канала t _si2 СК ТФЭТ составляет 20 нм. Положение ступеньки предполагается в середине канала, а L _s составляет 25 нм. Можно заметить, что SC TFET показывает многообещающие характеристики, включая высокий ток стока во включенном состоянии, а также широкий диапазон значений в выключенном состоянии. Ток стока SC TFET во включенном состоянии аналогичен по сравнению с обычным DG TFET с t _si =10 нм, среднее SS составляет 45,8 мВ / дек, а V _начало составляет 0,03 В. Однако диапазон выключенного состояния SC TFET увеличен до 123,5%, а ток в амбиполярном состоянии также снижен на 3 порядка по сравнению с обычным DG TFET с t _si =10 нм. В результате характеристики включенного состояния SC TFET аналогичны характеристикам обычного DG TFET с узкой толщиной канала, SC TFET также показывает почти параллельные кривые выключенного / амбиполярного состояния традиционному DG TFET с большой толщиной канала. Следовательно, SC TFET может достичь низкого SS , уменьшенное V _начало , и широкий диапазон состояний одновременно.

Чтобы исследовать физический механизм SC TFET, мы сравниваем скорости BTBT и диаграммы энергетических зон в включенном состоянии, вблизи начальной точки и амбиполярном состоянии, соответственно. На рисунке 2a показаны скорости BTBT SC TFET и обычных DG TFET. Видно, что скорость BTBT сильно зависит от толщины канала. Фактически, соотношение между толщиной канала и током BTBT I _BTBT можно выразить как [31].

а Ставки BTBT и b Диаграмма энергетических зон SC TFET и обычных DG TFET во включенном состоянии, расстояние - это поперечное положение линии разреза AA ’на рис. 1

Где λ =( ε _si т _si т _бык / 2 ε _бык ) ^1/2 - естественная длина, ε _si и ε _бык - диэлектрическая проницаемость кремния и оксида соответственно и t _бык толщина оксида. Δ Φ - диапазон энергий, в котором может происходить туннелирование, E _g ширина запрещенной зоны в туннельном переходе, а m * - тоннельная масса. Уравнение (1) указывает, что I _BTBT должен увеличиваться как t _si уменьшает. Следовательно, скорость BTBT обычного DG TFET с t _si =10 нм должно быть больше, чем у обычного DG TFET с t _si =20 нм. SC TFET показывает аналогичное распределение скорости BTBT с обычным DG TFET с t _si =10 нм. Это связано с тем, что BTBT в основном происходит рядом с переходом источника в открытом состоянии, следовательно, толщина канала около перехода к источнику будет определять скорость BTBT в открытом состоянии. На рисунке 2b показана диаграмма энергетических зон SC TFET и обычных DG TFET. Поскольку скорость BTBT в основном зависит от расстояния туннелирования, диаграмма энергетических зон, которая может четко представлять расстояние туннелирования, объяснит причину изменения скорости BTBT. На рис. 2b минимальное расстояние туннелирования SC TFET расположено рядом с переходом источника и более или менее равно таковому у обычного DG TFET с t _si =10 нм. Минимальное расстояние туннелирования обычного DG TFET с t _si =20 нм значительно шире; следовательно, его скорость BTBT снижена по сравнению с SC TFET и обычным DG TFET с меньшей толщиной канала.

На рисунке 3a показаны скорости BTBT, когда напряжение затвора равно нулю и близко к начальному напряжению. Видно, что SC TFET имеет самую высокую скорость BTBT, за ним следует обычный DG TFET с t _si =10 нм. Обычный DG TFET с t _si =20 нм показывает самую низкую скорость BTBT. На рис. 3б представлена ​​соответствующая зонная диаграмма. Можно заметить, что минимальное расстояние от валентной зоны до зоны проводимости находится в центре области канала. Кроме того, минимальное расстояние обычного DG TFET с большей толщиной канала больше, чем у SC TFET и обычного DG TFET с меньшей толщиной канала. Это указывает на то, что толщина канала также оказывает значительное влияние на скорость BTBT в начальной точке. Следовательно, V _начало также зависит от толщины канала. Другой факт заключается в том, что SC TFET демонстрирует большую скорость BTBT, чем у обычного DG TFET с t _si =10 нм даже при одинаковой минимальной толщине каналов. Это явление объясняется изменением распределения потенциала, вносимым углом электрода затвора, что также можно наблюдать в других работах [32, 33]. В результате SC TFET показывает самое низкое V _начало , за которым следует обычный DG TFET с тонкой толщиной канала, а обычный DG TFET с большой толщиной канала показывает самый высокий V _начало .

а Ставки BTBT и b диаграмма энергетических зон SC TFET и обычных DG TFET в ближней начальной точке, расстояние - это поперечное положение линии разреза AA ’на рис. 1

На рисунке 4а показано сравнение показателей BTBT в амбиполярном состоянии. Поскольку скорость BTBT сильно зависит от толщины канала, обычный TFET с t _si =10 нм показывает наиболее значительную скорость BTBT по сравнению с двумя другими структурами TFET. SC TFET, однако, показывает аналогичную скорость BTBT с обычным DG TFET с t _si =20 нм. Это связано с тем, что туннелирование в основном создается вблизи области стока, а SC TFET имеет более широкую толщину канала вблизи области стока. На рис. 4b также показана диаграмма энергетических зон в амбиполярном состоянии. Хорошо видно, что минимальное расстояние туннелирования находится вблизи области стока. Кроме того, расстояния туннелирования SC TFET и обычного DG TFET с большей толщиной канала больше, чем у обычного DG TFET с меньшей толщиной канала, что приводит к низкому амбиполярному току SC TFET и обычного DG TFET с большей толщиной канала.

а Ставки BTBT и b Диаграмма энергетических зон SC TFET и обычных DG TFET в амбиполярном состоянии, расстояние - это поперечное положение линии разреза AA ’на рис. 1

Воздействие H и L _S по характеристикам постоянного тока

На рисунке 5a показаны кривые передачи SC TFET с различными значениями H и t _si1 =10 нм. Видно, что H имеет меньшее влияние на ток в открытом состоянии. Однако амбиполярный ток значительно уменьшается по мере того, как H увеличивается, диапазон выключенного состояния улучшается с увеличением H также. Также видно, что уменьшение амбиполярного тока уменьшается по мере уменьшения H увеличивается. Причина этого в том, что эффект связи структуры с двумя затворами имеет тенденцию быть менее значительным при большей толщине канала [31]. Следовательно, поскольку H увеличивается, скорости BTBT становятся более независимыми от толщины канала, что приводит к насыщению амбиполярного тока. Для дальнейшего изучения оптимального параметра структуры, эффекты H варьируется от 0 до 15 нм на устройстве, характеристики извлечены и показаны на рис. 5b – d. На рис. 5b показан знак V . _начало и изменение ставки BTBT с разными H и t _si1 . Видно, что V _начало монотонно убывает с увеличением H . Это связано с тем, что угол электрода затвора привнесет изменение распределения потенциала в области канала [32, 33], что приведет к изменению скорости BTBT и V _начало . Рисунок 5b демонстрирует, что скорость BTBT увеличивается по мере того, как H улучшается. В результате уменьшилось V _начало можно найти с увеличенным H . Также можно заметить, что V _начало увеличивается по мере того, как t _si1 увеличивается. Основная причина в том, что увеличение t _si1 снижает коэффициент BTBT, что приводит к более высокому V _начало . На рис. 5c извлеченное среднее значение SS СК ТФЭТ с различными H и t _si1 Показано. Тенденция SS с разными H противоположен V _начало . Другими словами, SS поднимается по мере того, как H увеличивается. Мы упоминали, что ток стока в открытом состоянии зависит от t _si1 , так что SC TFET с разными H но с тем же t _si1 должен иметь аналогичный ток стока во включенном состоянии. Кроме того, также известно, что V _начало уменьшается с увеличением H . Это означает, что диапазон напряжения затвора для управления таким же током стока улучшен по сравнению с H увеличивается. В результате средняя СС монотонно увеличивается с ростом H . Также видно, что увеличение t _si1 подорвет СС , что связано с уменьшением возможности управления воротами. На рисунке 5d показан ток стока в открытом и амбиполярном состоянии с разными значениями H . и t _si1 , соответственно. Ток в открытом состоянии почти не зависит от H , но на него сильно влияет t _si1 , что соответствует нашему предыдущему результату о том, что туннелирование в открытом состоянии в основном происходит вблизи области источника и сильно зависит от толщины канала вблизи области источника. Однако амбиполярный ток уменьшается по мере того, как H увеличивается. Поскольку туннелирование в амбиполярном состоянии преобладает вблизи области стока, увеличение H улучшит толщину канала на стороне стока и, таким образом, ослабит амбиполярный ток. Также видно, что амбиполярный ток падает более значительно, когда H меньше 10 нм, что связано с большим эффектом связи при меньшей толщине канала.

Воздействие H на а переходные кривые, b V начало и курс BTBT, c средний СС , и d ток стока во включенном / амбиполярном состоянии, H высота ступеньки и H =0 нм представляет собой обычный DG TFET

На рис. 6а показаны передаточные кривые SC TFET с разными L _s представлены соответственно. L _s =0 нм представляет собой обычный DG TFET с соответствующим t _si2 и L _s =50 нм представляет собой обычный DG TFET с соответствующим t _si1 . Видно, что расположение ступеньки оказывает значительное влияние на амбиполярный ток и диапазон выключенного состояния. SC TFET с L _s менее 30 нм показывают аналогичный амбиполярный ток и диапазон в закрытом состоянии. Поскольку L _s превышает 30 нм, амбиполярный ток значительно увеличивается. На рис. 6b показан V _начало и изменение ставки BTBT при различных L _s и t _si1 , тенденция, что V _начало увеличивается по мере того, как t _si1 улучшения также можно отчетливо наблюдать. Точка перегиба изменения на L _s =10 нм является результатом разнообразия t _si1 . Поскольку L _s =0 нм - это обычный DG TFET с большей толщиной канала, скорость BTBT уменьшится, что приведет к увеличению V _начало и пониженный ток в открытом состоянии. За исключением случая обычного DG TFET, V _начало SC TFET монотонно увеличивается как L _s повышается, что связано с уменьшением скорости BTBT, вызванным ступенчатой ​​структурой канала. На рисунке 6c показано влияние L _s и t _si1 на СС СК ТФЭЦ. Повышенный t _si1 приводит к ухудшенному состоянию SS . Согласно формуле. (1), увеличенная толщина канала снизит эффекты связи между электродами затвора, что приведет к уменьшению возможности управления затвором и увеличению SS [12]. Поскольку L _s падает, область с большей толщиной канала будет расширяться и ослабит общую способность управления затвором. В результате уменьшенная L _s подорвет СС СК ТФЭТ, что хорошо видно на рис. 6в. На рисунке 6d показан ток стока в открытом и амбиполярном состоянии с разными значениями L . _s и t _si1 , соответственно. Можно заметить, что ток в открытом состоянии SC TFET более или менее равен току обычного DG TFET с соответствующим t _si1 . Что касается амбиполярного тока, то SC TFET с L _s менее 30 нм показывают ток, аналогичный току обычных DG TFET с соответствующим t _si2 . Когда L _s увеличивается до 40 нм, резко возрастает амбиполярный ток. Фактически, для случая SC TFET с L _s =40 нм и t _si1 =20 нм, его амбиполярный ток даже больше, чем у обычного DG TFET с t _si1 =20 нм. Это связано с тем, что вертикальная часть электрода затвора может увеличивать зону туннелирования, особенно когда вертикальная часть электрода затвора находится близко к PN-переходу [34]. Это означает, что L _s должно быть меньше 40 нм для уменьшения амбиполярного тока.

Воздействие L s на a переходные кривые, b V начало и курс BTBT, c средний СС , и d ток стока во включенном / амбиполярном состоянии, L s - поперечное расстояние от исходной области до ступеньки, L s =0 нм представляет собой обычный DG TFET с соответствующим t si2 и L s =50 нм представляет собой обычный DG TFET с соответствующим t si1.

Для определения оптимальных структурных параметров SC TFET проводится ортогональное моделирование путем изучения комбинированного воздействия H и L _s по производительности устройства. t _si1 фиксируется на 10 нм для достижения большего тока в открытом состоянии. На рис. 7a амбиполярный ток извлекается как функция L _s с различными H . Хорошо видно, что амбиполярный ток значительно уменьшается по мере того, как H уменьшается, что говорит о том, что более высокое значение H перспективен с точки зрения достижения более низкого амбиполярного тока. Однако можно заметить, что выгода от более высокого H менее значимо. Следовательно, H =15 нм было бы оптимальным значением, учитывая, что большее значение H можно было только увеличить площадь устройства. Между тем, уменьшилось L _s также снизит амбиполярный ток, особенно с большим значением H . Следовательно, более низкий L _s желательно с целью минимального амбиполярного тока. Тем не менее, более низкий L _s также может привести к увеличению подпороговой крутизны, как это видно на рис. 7b. Наклон подпорога медленно увеличивается с увеличением L _s но быстро возрастает при более низком L _s , что указывает на то, что L _s около 25 нм было бы компромиссным значением. В результате оптимальные параметры устройства будут H =15 нм и L _s =25 нм, где и амбиполярный ток, и подпороговая крутизна относительно невелики.

а Амбиполярный ток и b подпороговый наклон SC TFET как функция L S с различными H

Метод изготовления

Возможный процесс изготовления SC TFET показан на рис. 8. Благодаря уникальной форме канала, толщина ступенчатого канала может быть легче достигнута за счет использования вертикальной конструкции. Процесс начинается с подготовки кремниевой подложки с нанесением SiN и фоторезиста, как показано на рис. 8а. На рис. 8b формирование рисунка SiN достигается литографией с последующим травлением для формирования области канала, затем N ⁺ область вводится вертикальной имплантацией и отжигом As [35]. После этого наносится изолирующий оксид, чтобы предотвратить травление области стока в следующем процессе, как показано на рис. 8c. На рис. 8d озоление и обрезка приняты за счет использования реакционного ионного травления [36] для уменьшения толщины и ширины SiN. Толщина ступенчатого канала затем вводится травлением, как показано на рис. 8e. Остальные процессы аналогичны традиционному вертикальному TFET, включая формирование оксида затвора, осаждение затвора, экспонирование кремния и имплантацию области источника [35, 37], как показано на рис. 8f.

Процесс изготовления СК ТФЭТ. а Изготовление кремниевой подложки с нанесением SiN и фоторезиста. б Травление, имплантация и отжиг. c Осаждение изолирующего оксида. г Уменьшение толщины и ширины SiN за счет озоления и обрезки. е Введена толщина ступенчатого канала. е Формирование оксида затвора, осаждение затвора, планаризация затвора и имплантация области источника

Заключение

Мы исследуем электрические характеристики DG TFET с толщиной ступенчатого канала (SC TFET) с помощью 2D-моделирования. Асимметрия между истоком и стоком вносится толщиной ступенчатого канала; следовательно, амбиполярное поведение значительно облегчается. SC TFET демонстрирует аналогичные характеристики в открытом состоянии обычного DG TFET с соответствующим t _si1 и параллельные выключенные / амбиполярные кривые обычного DG TFET с соответствующим t _si2 . В результате SC TFET может достигать широкого диапазона в выключенном состоянии, низкого амбиполярного тока и поддерживать низкий SS одновременно. Механизмы SC TFET подробно обсуждаются для изучения физических свойств. Влияние параметров структуры на начальное напряжение, подпороговую крутизну, ток стока во включенном и амбиполярном состоянии также изучается для определения оптимальной структуры. SC TFET с H 15 нм и L _s 25 нм показывает оптимальные характеристики. Более того, архитектура ступенчатой ​​толщины канала обеспечивает альтернативный метод асимметрии. Поскольку комбинированные стратегии асимметрии доказали свою эффективность, наша работа может еще больше повысить производительность TFET.

Доступность данных и материалов

Все данные полностью доступны без ограничений.

Сокращения

DG TFET:

Туннельный полевой транзистор с двойным затвором

SC TFET:

ДГ ТФЭТ с толщиной ступенчатого канала

SS :

Наклон подпорога

BTBT:

Межполосное туннелирование

EOT:

Эффективная толщина оксида

V _начало :

Начальное напряжение

H :

Высота ступени

L _s :

Положение шага

L _ch :

Длина канала

t _si :

Толщина канала

t _si1 :

Толщина канала около исходной области

t _si2 :

Толщина канала около дренажной области