Оптимизация инженерии спейсеров для двух затворных туннельных FET DRAM: улучшение удержания и снижение статической мощности

Аннотация

Двухзатворный туннельный FET (ДЗТФЕТ) DRAM обеспечивает бесконденсаторную конструкцию и значительно длинное удержание. Используя симулятор Silvaco-Atlas, мы систематически оптимизируем диэлектрический стек спейсеров для подавления утечки чтения-нуля и расширения окна удержания. Результаты симуляции раскрывают, что низко-k спейсер на источнике и высоко-k спейсер на стоке дают лучший компромисс, достигая суб-пикоамперного тока чтения-нуля (1×10⁻¹⁴А/мкм) и 10-секундного времени удержания. Эта конфигурация снижает статическое потребление мощности и накладные расходы на рефреш, выдавая отношение тока чтения-единицы/чтения-нуля 10⁷. Анализ масштабируемости подсвечивает оставшееся узкое место и намечает направления будущих улучшений.

Введение

По мере уменьшения геометрий приборов, обычный 1Т-1С DRAM борется с масштабированием, потому что конденсатор не может быть уменьшен за определенный предел [1–3]. Памятная индустрия поэтому исследует новые материалы и архитектуры приборов для повышения плотности [4,5]. Один перспективный подход — 1Т DRAM с бесконденсаторной структурой, впервые заявленный в начале 1990-х [6,7]. В этой архитектуре логическая «1» хранится одним из четырех механизмов: импактная ионизация [8], биполярный транзистор [9], межзонный туннелинг (BTBT) [10] или затворной туннелинг [11]. Туннельный полевой транзистор (ТФЕТ) на основе BTBT рассматривается как потенциальная альтернатива MOSFET, потому что он предлагает высокое on/off отношение и ультра-низкий off-состояние ток [12–14]. Эти атрибуты особенно преимущественны для DRAM, где низкая off-состояние утечка переводится в минимальный ток чтения-нуля и сниженную статическую мощность. Несколько групп исследовали ТФЕТ-основанные DRAM [15–20], демонстрируя низкие токи чтения-нуля и длинные времена удержания. Среди них двухзатворный ТФЕТ (ДЗТФЕТ) DRAM выделяется [19,20]. В ДЗТФЕТ DRAM и запись, и чтение опираются на BTBT. Эксперименты сообщают ток чтения-нуля до 1 нА/мкм — значительно ниже обычного 1Т-1С DRAM — и время удержания 2 с, далеко превышающее типичный 64 мс интервал рефреша в вычислительных системах [21]. Даже при 85 °C удержание остается выше 300 мс, указывая на робастность под жесткими условиями. Бесконденсаторный дизайн дополнительно улучшает упаковочную плотность, делая ДЗТФЕТ DRAM убедительным кандидатом для памяти следующего поколения. Несмотря на эти сильные стороны, сообщенные времена удержания и токи чтения-нуля еще не оптимальны, потому что ДЗТФЕТ геометрия не была полностью оптимизирована. В этой работе мы фокусируемся на инженерии спейсеров — выборе диэлектрического материала в трех спейсерах (источник, затвор-зазор и сток) — для улучшения ДЗТФЕТ производительности. Спейсеры позиционированы близко к туннельным переходам и поэтому оказывают сильное влияние на BTBT [22,23]. Систематически изучая влияние низко-k (SiO₂) против высоко-k (HfO₂) диэлектриков в каждом спейсере, мы предлагаем оптимизированную конфигурацию, которая драматически снижает утечку чтения-нуля и расширяет время удержания.

Структура прибора и метод симуляции

ДЗТФЕТ принимает P-I-N конфигурацию, как показано на рис. 1а. Источник и сток сильно легированы P⁺ (10²⁰/см³) и N⁺ (10²⁰/см³) областями соответственно. Внутренний канал разделен на две затворные секции: Затвор1, N⁺ полисилиций, и Затвор2, P⁺ полисилиций, разделенные узким зазором. P⁺ Затвор2 формирует глубокую зарядо-хранилищную яму, в то время как N⁺ Затвор1 контролирует туннелинг при чтении. Источниковый и стоковый спейсеры (S_Spacer и D_Spacer) и затворно-зазорный спейсер (G_Spacer) по умолчанию SiO₂. Размеры прибора: толщина кремниевой пленки T_si = 20 нм, длина Затвор1 L_g1 = 400 нм, длина Затвор2 L_g2 = 200 нм, длина зазора L_gap = 50 нм, толщина затворного оксида T_oxide = 3 нм (HfO₂). Симуляции выполняли в Silvaco-Atlas используя нелокальную BTBT модель, учитывающую пространственные вариации зонных краев и генерацию/рекомбинацию носителей [24]. Параметры модели калибровали против экспериментальных данных для SOI ТФЕТ [25], давая эффективные массы электрона и дыры 0,22 m₀ и 0,52 m₀ соответственно. Тяжелое легирование требует сужения запрещенной зоны, Ферми-Дира статистики, Шокли-Рид-Холл рекомбинации и легирования/температуры-зависимых моделей подвижности. Время жизни носителей — критическое для удержания — установлено 100 нс, руководствуясь литературными диапазонами 1 мкс – 10 нс [26–28]. Модели Шарфеттера и Шенка использовали для улавливания зависимости времени жизни от легирования и температуры.

а Схема двухзатворного ТФЕТ (ДЗТФЕТ) DRAM ячейки. б Сравнение между симулированными передаточными характеристиками и экспериментальными результатами для SOI ТФЕТ [25].

Результаты и обсуждение

Механизм работы

Запись и чтение операций в ДЗТФЕТ DRAM управляются BTBT на стоковом (запись) и источниковом (чтение) переходах. Рисунок 2 иллюстрирует зонные диаграммы во время этих операций. При записи-«1» отрицательное смещение на Заторе2 понижает зонную полосу канала под Затором2, создавая тонкий барьер на стоковой стороне и позволяя электронам туннелировать к стоку, пока дыры накапливаются в глубокой потенциальной яме (~1,2 В). Обратно, положительное смещение Затора2 при записи-«0» изгоняет дыры из ямы, восстанавливая off состояние. Чтение-«1» (рис. 2б) показывает канальный барьер между Затором1 и Затором2, но не на дне канала, позволяя наклонный проводимый путь от фронта Затора1 к тылу Затора2. Чтение-«0» (рис. 2в) показывает выраженный канальный барьер, блокирующий электроны, подавляя утечку. Вставка рис. 2г подтверждает, что электроны не могут перейти этот барьер при чтении-«0». Оптимальные программные условия критичны: более отрицательное смещение Затора2 усиливает насыщенный BTBT при записи-«1»; небольшое отрицательное смещение при удержании поддерживает дыровую популяцию; и более высокое смещение Затора1 при чтении усиливает BTBT для чтения-«1», но увеличивает утечку чтения-«0». Таблица 1 перечисляет используемые значения смещения, и рис. 3б демонстрирует полученные переходные токи с 50 нс запись/чтение и 100 нс удержание. Отношение тока I₁/I₀ ≈ 10⁴, совпадая с предыдущими отчетами [17,19,20].

Влияние диэлектриков спейсеров

В ДЗТФЕТ DRAM каждый спейсер может быть изготовлен либо из низко-k SiO₂, либо высоко-k HfO₂, давая восемь возможных диэлектрических комбинаций. Таблица 2 суммирует чтение-1 (I₁), чтение-0 (I₀) и отношение I₁/I₀ для каждой конфигурации, а также удержание при 2 с удержании. Обозначения «S» и «H» обозначают SiO₂ и HfO₂ соответственно, и трехбуквенный код перечисляет S_Spacer, G_Spacer и D_Spacer в этом порядке. Данные раскрывают, что источниковый спейсер доминирует в I₁: использование SiO₂ на S_Spacer повышает I₁ на два порядка величины относительно HfO₂. Стоковый спейсер главным образом контролирует I₀: HfO₂ D_Spacer подавляет утечку чтения-нуля до ~10⁻¹⁴А/мкм. Таким образом, оптимальная конфигурация — низко-k на источнике и высоко-k на стоке, в то время как затворно-зазорный спейсер имеет незначительное влияние, когда другие два зафиксированы.

Влияние источникового спейсера

Сравнение H/S/S и S/S/S (рис. 4) показывает, что SiO₂ на источнике увеличивает ток чтения-1 примерно в 100 раз. Рисунок 5 иллюстрирует, что HfO₂ на источнике расширяет поверхностную деплеционную область на источниковом переходе, расширяя туннельный барьер. Следовательно, туннельное расстояние (рис. 6а) больше для H/S/S, и периферийное электрическое поле (рис. 6б) выше, что снижает пиковое поле и подавляет BTBT. Экспоненциальная BTBT зависимость от электрического поля объясняет, почему I₁ значительно выше для S/S/S. Поэтому низко-k источниковый спейсер необходим для максимизации тока чтения-1.

Влияние стокового спейсера

С зафиксированными S_Spacer и G_Spacer как SiO₂, изменение D_Spacer с SiO₂ на HfO₂ (рис. 7) драматически меняет запись, удержание и чтение токи. Высоко-k D_Spacer углубляет потенциальную яму при записи-1, усиливая BTBT привод и увеличивая I₁. При удержании-0 высоко-k спейсер подавляет BTBT настоке, снижая рекомбинационно-индуцированный ток удержания-0. При чтении-0 разница в I₀ исходит преимущественно от рекомбинации: SiO₂ D_Spacer позволяет больше дырам накапливаться при удержании-0, повышая рекомбинационную скорость и таким образом утечку чтения-0 (рис. 9). Поэтому высоко-k D_Spacer критичен для минимизации утечки чтения-нуля.

Время удержания

Удержание ограничено дыровой рекомбинацией при удержании. Таблица 2 показывает, что даже после 2 с приборы с оптимальным спейсером (S/S/H или S/H/H) сохраняют I₁/I₀ > 10⁴. Мы определяем время удержания (RT) как максимальную длительность удержания, для которой I₁/I₀ остается выше 10³. Рисунок 10 демонстрирует, что оптимизированный спейсер дает RT 10 с, далеко превосходя обычный 64 мс интервал рефреша. По сравнению с более ранними исследованиями [17–20], оптимизированный ДЗТФЕТ DRAM достигает на два порядка ниже тока чтения-нуля и в десять раз длиннее RT, подтверждая его пригодность для низкоэнергетной, высокоплотной памяти.

Масштабируемость

Масштабируемость оценивали уменьшением L_g1, L_g2 и L_gap с сохранением RT > 2 с. Таблица 4 перечисляет производительность S/S/H конфигурации по этим измерениям. Уменьшение L_g1 ниже 200 нм серьезно деградирует I₁ из-за ослабленного затворного контроля над n-тип барьером, в то время как более короткий L_g2 сужает Затвор1-Затвор2 барьер и повышает I₀. L_gap имеет минимальное влияние на I₁, но слегка повышает I₀ при уменьшении ниже 20 нм. Следовательно, минимально жизнеспособные размеры — L_g1 = 200 нм, L_g2 = 150 нм и L_gap = 20 нм, что все еще превышает 20 нм/18 нм узел 1Т-1С DRAM. Тем не менее, преимущества бесконденсаторной, низкоэнергетной, высоко-RT архитектуры оправдывают большую площадь. Будущая работа нацелится на суб-100 нм масштабирование ДЗТФЕТ DRAM.

Заключение

Мы продемонстрировали, что инженерия спейсеров глубоко влияет на ДЗТФЕТ DRAM производительность. Низко-k спейсер на источнике расширяет поверхностную деплеционную область, повышая ток чтения-1, в то время как высоко-k спейсер на стоке подавляет утечку чтения-нуля, углубляя потенциальную яму и ограничивая BTBT при удержании. Оптимизация диэлектрического стека дает суб-пикоамперный ток чтения-нуля и 10-секундное время удержания, превосходя предыдущие ТФЕТ DRAM и давая 10⁷ отношение чтения. Анализ масштабируемости указывает, что минимально жизнеспособные размеры остаются больше современных 1Т-1С DRAM, но бесконденсаторная, низкоэнергетная и долгая удержание преимущества делают ДЗТФЕТ DRAM убедительным путем вперед. Будущие усилия сфокусируются на суб-100 нм масштабировании и интеграции в высокоплотные массивы памяти.