2-нм транзисторы с истоником-стоком: высокопроизводительный прямоугольный затвор U-канал

Аннотация

В этой работе предлагается новый высокопроизводительный транзистор с прямоугольным затвором и U-образным каналом (RGUC FET) для экстремально малого интегрированного расстояния между контактами источника и стока. RGUC FET демонстрирует почти идеальные субпороговые характеристики до уменьшения расстояния между контактами источника/стока (S/D) до 2 нм. В отличие от других транзисторов на основе углубленного или U-образного канала, затворные контакты не нуждаются в формировании в углубленной области, а только в слое 스페йсера для изоляции двух вертикальных частей по обе стороны U-канала. Его структурные преимущества позволяют применять его для производства интегральных схем с более высокой интеграцией для экстремально малого расстояния между источником и стоком. Электрические свойства RGUC FET тщательно изучались путем изучения влияния проектных параметров, включая горизонтальное расстояние между S/D контактами, высоту расширения S/D области, толщину и материал затворного оксидного слоя. Электрические свойства верифицированы квантовой симуляцией. По сравнению с другими непланарными многозатворными FET, новый RGUC FET подходит для более высокой интеграции.

Введение

Как одно из самых перспективных устройств для наномасштабных интегральных схем (ИС), переходно-бесплатный полевой транзистор (JL FET), демонстрирующий замечательные электрические характеристики по сравнению с конвенциональными MOS FET на основе p-n переходов, а также простоту fabricación, глубоко изучался в последние годы. Повышение затворного напряжения формирует накопленную область в канале, приводя к большему току включения. Введение многозатворных (MG) FET усилило управляемость током источник-сток от затворного напряжения, давая гораздо лучшие субпороговые свойства. JL MG FET также широко изучались годами. Хотя вертикальный канал gate-all-around MOSFET показывает почти идеальную I-V характеристику с радиусом всего в несколько нанометров, вертикальный канал делает невозможным производство контактов источника и стока в одном слое, что делает топологию ИС несовместимой с планарной технологией. Кроме того, по мере того как полупроводниковое производство вынуждено масштабировать длину канала ниже 10 нм, MG FET снова сталкиваются с эффектом короткого канала. Для преодоления эффекта короткого канала транзисторы с углубленным каналом становятся горячей темой в последние годы. Моделирование и симуляция углубленного канала также комплексно проводились. Транзистор с углубленным каналом имеет как планарные вертикальные части канала под контактами источника и стока, так и горизонтальную планарную часть канала. Он фактически удлиняет эффективную длину канала по сравнению с конвенциональными MOSFET только с горизонтальным планарным каналом. Для устройства с одинаковым расстоянием между контактами источника и стока он может быть более устойчивым к эффекту короткого канала по сравнению с конвенциональными планарными MOSFET; однако экспериментальные данные показывают, что субпороговый сдвиг (SS) MOSFET с углубленным каналом не может реализовать идеальный SS при эффективной длине канала менее 100 нм. Это потому, что хотя длина канала удлиняется, затворная управляемость не усиливается, как в MG FET. Следует отметить, что лучше определить новый ключевой геометрический параметр, связанный с описанием интеграции, вместо длины канала. Расстояние между контактами источника и стока более реалистично и эффективно, потому что конечная цель проектирования наномасштабного устройства — реализация лучшей производительности в ограниченной заданной площади кристалла, и фактический размер устройства связан с шириной канала и расстоянием между контактами источника и стока. Для объединения преимуществ MG FET и MOSFET с углубленным каналом в нашей предыдущей работе мы предложили седлообразные затворные FET с U-образным каналом, которые повышают затворную управляемость горизонтальной части канала углубленного транзистора от планарного одиночного затвора до 3-D тройного затвора. После этого мы улучшили эту 3-D тройную затворную особенность, сформированную не только в горизонтальной части канала, но и в обеих вертикальных частях канала. Это устройство названо H-затвор U-канал FET, а углубленный канал соответственно улучшен до 3-D U-образного трубчатого канала. Как упоминалось выше, конечная цель проектирования наномасштабного устройства — реализация оптимизированной высокопроизводительной структуры. Для реализации оптимизированного высокопроизводительного устройства и затворная структура, и соответствующая канальная структура должны быть хорошо рассмотрены и спроектированы. Также сложность fabrication должна быть хорошо учтена. Упомянутые выше устройства, такие как углубленный канал, ранее предложенные седлообразные FET и HGUC FET имеют общую основу: сэндвич-структура затворный оксид/затвор/затворный оксид должна быть хорошо сформирована в малой углубленной области. Эта структурная особенность ограничивает дальнейшее повышение интеграции. Кажется, что хороший способ повысить интеграцию — упростить структурную особенность в углубленной области и сохранить затворную управляемость вертикальной и горизонтальной части U-образного канала одновременно. Для реализации этих признаков и функций устройства в этой работе мы предлагаем новый прямоугольный затвор U-канал FET (RGUC FET) для экстремально малого интегрированного расстояния между контактами источника и стока. Он имеет U-образный канал, который может удлинить эффективную длину канала без увеличения расстояния между контактами источника и стока. По сравнению с другими U-образными канал FET, RGUC FET имеет более простую внутреннюю структуру в углубленной области U-образного канала; следовательно, он может реализовать более простое производство во внутренней части углубленной области и меньшее расстояние между контактами источника и стоком (более высокая интеграция). Предлагаемая структура имеет лучшую затворную управляемость и меньший обратный ток утечки, сопровождаемый более высоким отношением I_ON/I_OFF. Расстояние между контактом источника и контактом стока может быть масштабировано до менее 2 нм. Все электрические свойства анализируются квантовыми симуляциями.

Методы

Рис. 1a представляет 3D-схему RGUC FET, а рис. 1b–d — профили устройства, разрезанные плоскостями A, B, C, D, показанными на рис. 1a. W — ширина тела кремния, t_b — толщина тела кремния, h_in — внутренняя высота 스페йсера в углубленной области, h_ex — высота расширения области источника/стока, t_ox — толщина затворного оксида вокруг кремниевого тела, t_sp — толщина 스페йсерного изолирующего слоя, осажденного в углубленной области U-образного канала, который равен расстоянию между контактом источника и контактом стока.

Поскольку толщина кремниевого тела менее 6 нм, в этой работе вводятся квантовые симуляции вместо классических для получения более точных результатов. Все симуляции выполнены с использованием TCAD SILVACO Atlas 3D, используя модели: концентрационно-зависимая подвижность, концентрационно-зависимая Шокли-Ред-Холл, авгеровская рекомбинация, сужение запрещенной зоны, стандартное полосное туннелирование и квантовый потенциал Бома. Параметры симуляции перечислены в Таблице 1. Две вертикальные части тела фактически являются кубами с четырьмя сторонами, верхние поверхности которых покрыты областью источника или стока, а нижние поверхности обе связаны с горизонтальной частью тела. Три внешние стороны вертикальных частей тела окружены затворным оксидом и прямоугольным затворным контактом, а внутренняя сторона связана с внутренним 스페йсером в углубленной области. Четыре стороны горизонтального тела все окружены затворным оксидом и прямоугольным затворным контактом. Можно предположить, что прямоугольный затвор имеет сильную полевое управление как горизонтальным телом, так и двумя вертикальными частями благодаря упомянутым структурным особенностям. Внутренний 스페йсер фактически удлиняет расстояние кратчайшего пути между контактами источника и стока в кремнии, что может устранить эффект короткого канала, неизбежный для многозатворных устройств с планарными канальными особенностями. По сравнению с другими 3-D канальными устройствами, предлагаемая структура не требует формирования затвора в углубленной области, что в значительной степени снижает сложность внутренней структуры углубленной области.

Результаты и обсуждение

Модель квантового потенциала Бома (BQP) вычисляет зависящую от позиции потенциальную энергию, используя вспомогательное уравнение, выведенное из Бомовской интерпретации квантовой механики. Эта модель выведена из чистой физики и позволяет приближенно вычислять квантовое поведение различных классов устройств и материалов. Эффекты квантового замыкания на производительность устройства, включая I-V характеристики, будут вычислены с хорошей аппроксимацией. Предыдущие исследования показывают, что затворный ток утечки пренебрежимо мал для случаев толщины оксида более 0,5 нм.

Рис. 2a показывает сравнение I_DS-V_GS характеристик RGUC FET с разными h_in на логарифмических и линейных шкалах. Рис. 2b — сравнение субпороговых сдвигов (SS) и отношения I_ON/I_OFF для разных h_in. С увеличением h_in вертикальный путь всего канала от источника к стоку непрерывно увеличивается, тогда как кратчайшая эффективная длина канала постепенно увеличивается, и эффект короткого канала постепенно ослабевает и наконец устраняется. SS может достичь почти идеального значения 65 мВ/дек при h_in = 10 нм. Отношение I_ON/I_OFF также увеличивается примерно в 35 раз при увеличении h_in от 2 до 10 нм из-за непрерывно уменьшающегося SS. Удлиненное h_in делает расстояние кратчайшего пути от источника к стоку возрастающим от 6 до 22 нм, что равно 2 h_in + t_sp и эквивалентно эффективной длине канала предлагаемой структуры. Рис. 2c и d показывают 2-D распределение электронной концентрации в кремниевом теле в выключенном состоянии для устройств с h_in 2 нм и 10 нм соответственно. Для случая 2 нм наивысшая электронная концентрация в горизонтальной области тела составляет около 10¹² см⁻³, а расстояние между контактом источника/стока и горизонтальной областью тела очень мало. Следовательно, смещение источника/стока серьезно влияет на электронное распределение в горизонтальной области тела; решение — удлинить вертикальный канал, который держит источник/сток подальше от горизонтальной области тела. Для случая 10 нм на рис. 2d видно, что наивысшая электронная концентрация в горизонтальной области тела снижается до 10⁹ см⁻³, создавая более идеальную полностью обедненную область для выключенного состояния, что приносит гораздо более низкий уровень тока утечки.

Рис. 3a показывает сравнение I_DS-V_GS характеристик для разных t_sp. Рис. 3b — сравнение SS и I_ON/I_OFF для разных t_sp. С уменьшением t_sp расстояние между контактами источника и стока также непрерывно уменьшается. Ток утечки в основном индуцируется полосно-полосным туннельным током. Вероятность туннелирования пропорциональна изгибу зон, который может быть эквивалентен интенсивности электрического поля в определенной точке. Общий туннельный ток — сумма туннельного тока, генерируемого в каждой точке области тела.

Рис. 3c и 2d показывают 2-D распределение электрического поля в выключенном состоянии для t_sp 2 нм и 0,5 нм соответственно. Для большей толщины 스페йсера или меньшего смещения V_DS интенсивность электрического поля на интерфейсе между 스페йсером в углубленной области недостаточно сильна для генерации большого тока утечки. Наибольшая интенсивность электрического поля появляется возле интерфейса между затворным оксидом и вертикальной частью тела, что определяется V_GD. Однако если расстояние источник-сток уменьшается до менее 1 нм (менее толщины затворного оксида), наибольшая интенсивность поля появляется возле интерфейса между 스페йсером в углубленной области и двумя вертикальными частями тела. Видно, что когда t_sp менее 1 нм, для большего V_DS (например, 0,5 В) ток утечки почти не зависит от затворного смещения и в основном определяется V_DS. SS почти не зависит от t_sp и поддерживает почти идеальное значение 65 мВ/дек для случая h_in = 10 нм до t_sp менее 2 нм. Отношение I_ON/I_OFF сохраняет 10⁸ до t_sp = 2 нм и серьезно деградирует для t_sp менее 2 нм из-за увеличения тока утечки, индуцированного сильным электрическим полем, появляющимся возле интерфейса между 스페йсером и вертикальными частями тела. Интенсивность электрического поля в области тела комплексно усиливается для случая 0,5 нм t_sp. Рис. 3e показывает 2-D распределение электронной концентрации для 0,5 нм t_sp. По сравнению с рис. 2d ясно видно, что электронная концентрация в горизонтальной области тела увеличивается с 10⁹ до 10¹⁰ см⁻³. Кроме того, размерность 0,5 нм толщины 스페йсера очень близка к однослойной молекуле, что может повредить изоляционное свойство 스페йсерного слоя в некоторой степени. По указанным выше причинам t_sp рекомендуется 2 нм для высокой интеграции и низкоутечки низкопотребляющего дизайна.

Рис. 4 показывает I_DS-V_DS предложенного RGUC FET с оптимизированной структурой под разными V_GS значениями, SS которого около 63 мВ/дек, а I_ON/I_OFF составляет 10⁹ ~ 10¹⁰. Насыщенный ток увеличивается по мере увеличения V_GS.

Заключение

В этой работе предложен новый RGUC FET с высокой интеграцией и высокой производительностью, демонстрирующий низкие субпороговые сдвиги и более высокое отношение I_ON/I_OFF. Расстояние между контактами источника/стока (S/D) может быть уменьшено до 2 нм с почти идеальными характеристиками, такими как SS, обратный ток утечки и отношение I_ON/I_OFF. Все электрические свойства смоделированы с квантовыми моделями для обеспечения более точных результатов.

Аббревиатуры

BQP:

Квантовый потенциал Бома

FET:

Полевой транзистор

h_ex:

Высота расширения 스페йсера между S/D областью

h_in:

Внутренняя высота 스페йсера в углубленной области

I_OFF:

Ток выключения

I_ON:

Ток включения

JL:

Переходно-бесплатный

MOS:

Металл-оксид-полупроводник

N_D:

Концентрация легирования

RGUC:

Прямоугольный затвор U-канал

S/D:

Источник/сток

SS:

Субпороговый сдвиг

t_bh:

Толщина горизонтального тела

t_bv:

Толщина вертикального тела

t_gate:

Вертикальная длина затвора

t_ox:

Толщина затворного оксидного слоя

t_sp:

Толщина 스페йсера между S/D областью

V_DS:

Напряжение сток-источник

V_GS:

Напряжение затвор-источник

W:

Ширина тела