Ступенчатое изменение толщины канала повышает эффективность DG TFET: симуляционное исследование

Аннотация

Двух затворный туннельный полевой транзистор (DG TFET) ожидается преодолеть ограничения тока утечки и подпорогового склона. Однако он страдает от амбиполярного поведения из-за симметричной архитектуры источник/сток. Для устранения амбиполярного тока необходимо внести асимметрию между источником и стоком. В работе исследуются характеристики DG TFET со ступенчатой толщиной канала (SC TFET) методом 2D-моделирования. Асимметрия вводится через ступенчатую толщину канала, что позволяет снизить амбиполярный ток. Результаты показывают, что SC TFET демонстрирует значительное снижение амбиполярного тока по сравнению с конвенциональным DG TFET. Механизмы работы SC TFET подробно обсуждаются для физического понимания. Влияние структурных параметров на пороговое напряжение, подпороговый склон, ток стока в открытом и амбиполярном состояниях изучается для определения оптимальной структуры.

Основы

По мере дальнейшего масштабирования CMOS-технологий с обычными MOSFET возникают проблемы: растущий ток утечки и подпороговый склон (SS) [1–8]. Туннельный полевой транзистор (TFET), использующий механизм зонно-зонного туннелирования (BTBT), способен преодолеть эти ограничения [1–8]. Кремниевые TFET обладают высокой надежностью и низкой стоимостью, но показывают относительно низкий ток в открытом состоянии по сравнению с MOSFET из-за ограниченной скорости BTBT [9–11]. Для развития потенциала кремниевых TFET предложены различные новые структуры для усиления тока в открытом состоянии. Двухзатворный TFET (DG TFET) улучшает скорость BTBT, повышая ток в открытом состоянии [12–14]. Однако амбиполярный ток DG TFET также растет, так как улучшение BTBT активируется и в амбиполярном состоянии [15]. Для преодоления амбиполярного тока необходимо внести асимметрию между источником и стоком [16]. Распространенные методы — подзатворный зазор у стока и снижение легирования стока [17–19], но они увеличивают расстояние источник/сток и последовательные сопротивления [15]. Предыдущая работа показала, что амбиполярные эффекты в TFET с подзатворным зазором можно дополнительно снизить с помощью низко-κスペーサーов и верхне-нижнего расположения контактов [15], что указывает на эффективность комбинированных асимметричных стратегий. В нашей ранней работе FinFET с асимметричной шириной плавника демонстрировал улучшенные характеристики [20]. Также известно, что толщина канала t_si существенно влияет на скорость BTBT в DG TFET [21]; следовательно, асимметрия между толщинами канала у источника и стока может дополнительно снизить амбиполярный ток и требует детального изучения.

В работе исследуются характеристики DG TFET со ступенчатой толщиной канала (SC TFET), где асимметрия вводится через ступенчатую толщину для снижения амбиполярного тока. Структура статьи: раздел 2 — структура устройства и настройка моделирования; раздел 3 — механизмы SC TFET; раздел 4 — влияние структурных параметров на передаточные характеристики, пороговое напряжение (V_onset), средний SS и ток стока в открытом/амбиполярном состояниях; раздел 5 — выводы.

Структура и моделирование

Схема SC TFET показана на рис. 1а. Толщина канала у источника (t_si1) не равна толщине у стока (t_si2), изменение происходит ступенчато в точке канала. Высота ступени H и её положение L_s. Эффективная толщина оксида (EOT) = 1 нм. Источник сильно p-легирован (10²⁰ см⁻³), сток — n-легирован (10²⁰ см⁻³) для снижения последовательных сопротивлений [15], канал — слабо n-легирован (10¹⁷ см⁻³). Рабочая функция металлического затвора фиксирована 4,5 эВ, длина затвора равна длине канала L_ch = 50 нм [22–25]. Моделирование выполнено в Sentaurus TCAD I-2013.12 [26, 27]. Использованы: модель подвижности Philips unified (зависящая от легирования) и Lombardi (зависящая от поля), статистика Ферми-Дирака, рекомбинация Шокли-Рид-Холл и Ожэ, сужение запрещенной зоны для сильно легированных областей, нелокальная модель BTBT на основе WKB-аппроксимации, калиброванная по [28], и модель квантования градиента плотности [29, 30]. Пороговое напряжение определено как напряжение затвора при максимальном подпороговом склоне. Средний SS извлекается от тока выключенного состояния до I_d = 10⁻¹¹ А/мкм.

а 2D-схема SC TFET: tsi1 и tsi2 — толщины канала у источника и стока. Асимметрия очевидна. Линия сечения AA' — горизонтальное сечение на расстоянии 0,5 нм от поверхности источника. б Передаточные характеристики SC TFET и конвенциональных DG TFET в логарифмическом и линейном масштабах.

Результаты и обсуждение

Передаточные характеристики и механизм

Рис. 1б показывает передаточные кривые SC TFET и конвенциональных DG TFET. Обозначены открытое, закрытое и амбиполярное состояния. Для TFET желательны высокий ток в открытом состоянии и низкий в амбиполярном, что требует низких V_onset и SS, а также широкого диапазона закрытого состояния. Как видно, V_onset DG TFET с t_si = 10 нм ниже, чем при t_si = 20 нм. Извлеченные значения: для t_si = 10 нм — V_onset = 0,04 В, средний SS = 44,8 мВ/дек; для t_si = 20 нм — V_onset = 0,1 В, SS = 50,6 мВ/дек. Ток стока при t_si = 10 нм выше на 94,7% по сравнению с 20 нм за счет снижения SS и V_onset. Однако диапазон закрытого состояния при 10 нм составляет всего 0,17 В, тогда как при 20 нм — 0,45 В. В результате амбиполярный ток при 20 нм ниже на 3 порядка по сравнению с 10 нм.

Для справедливого сравнения t_si1 и t_si2 SC TFET приняты равными 10 и 20 нм соответственно. Положение ступени — середина канала, L_s = 25 нм. SC TFET демонстрирует перспективные характеристики: высокий ток в открытом состоянии (как у DG TFET с 10 нм) и широкий диапазон закрытого состояния (как у DG TFET с 20 нм). Ток в открытом состоянии SC TFET близок к DG TFET с t_si = 10 нм, средний SS = 45,8 мВ/дек, V_onset = 0,03 В. Диапазон закрытого состояния улучшен на 123,5%, амбиполярный ток снижен на 3 порядка по сравнению с DG TFET (t_si = 10 нм). Таким образом, SC TFET одновременно достигает низкого SS, сниженного V_onset и широкого закрытого состояния.

Для изучения физического механизма сравниваются скорости BTBT и зонные диаграммы в открытом состоянии, у точки входа и в амбиполярном состоянии. Рис. 2а — скорости BTBT. Видно, что BTBT сильно зависит от толщины канала. Связь между толщиной канала и током BTBT:

I_BTBT ∝ exp(−4λ√(2m*E_g²ᐟ³) / 3ℏ(ΔΦ+E_g)) (1)

где λ = (ε_sit_sit_ox/2ε_ox)¹ᐟ² — естественная длина, ε_si, ε_ox — диэлектрические проницаемости кремния и оксида, t_ox — толщина оксида. ΔΦ — энергетический диапазон туннелирования, E_g — запрещенная зона в туннельном переходе, m* — эффективная туннельная масса. Уравнение (1) показывает, что I_BTBT растет при уменьшении t_si. Поэтому BTBT конвенционального DG TFET с t_si = 10 нм больше, чем с 20 нм. SC TFET показывает похожую BTBT-распределение, как DG TFET с 10 нм, так как в открытом состоянии BTBT происходит преимущественно у p-n перехода источника, где толщина канала = t_si1 = 10 нм.

а Скорости BTBT и б зонные диаграммы SC TFET и конвенциональных DG TFET в открытом состоянии. Расстояние — боковая позиция сечения AA' на рис. 1.

Рис. 2б — зонные диаграммы. Минимальное туннельное расстояние SC TFET находится у перехода источника и равно тому у DG TFET с t_si = 10 нм. У DG TFET с 20 нм оно значительно шире, что снижает BTBT.

Рис. 3а — BTBT при нулевом напряжении затвора (близко к точке входа). SC TFET имеет наивысшую BTBT, затем DG TFET с 10 нм, наименьшая — DG TFET с 20 нм. Рис. 3б — соответствующие зонные диаграммы. Минимум расстояния от валентной до проводимой зоны находится в центре канала. Минимальное расстояние у более толстого канала больше, что подтверждает влияние толщины на BTBT в точке входа. SC TFET показывает большую BTBT, чем DG TFET с 10 нм, несмотря на равные минимальные толщины. Это объясняется изменением распределения потенциала, вызванным углом затвора [32, 33]. В итоге SC TFET имеет наименьшее V_onset, затем DG TFET с тонким каналом, наибольшее — с толстым.

а Скорости BTBT и б зонные диаграммы вблизи точки входа.

Рис. 4а — BTBT в амбиполярном состоянии. Конвенциональный TFET с t_si = 10 нм показывает самую высокую BTBT. SC TFET и DG TFET с 20 нм — похожие, более низкие значения. Туннелирование в амбиполярном состоянии происходит у стока, где у SC TFET толщина канала = t_si2 = 20 нм. Рис. 4б — зонные диаграммы в амбиполярном состоянии. Минимум туннельного расстояния у стока. Туннельные расстояния SC TFET и DG TFET с 20 нм больше, чем у DG TFET с 10 нм, что дает низкий амбиполярный ток.

а Скорости BTBT и б зонные диаграммы в амбиполярном состоянии.

Влияние H и L_s на DC-характеристики

Рис. 5а — передаточные кривые SC TFET при разных H (t_si1 = 10 нм). H слабо влияет на ток в открытом состоянии. Амбиполярный ток значительно снижается с ростом H, диапазон закрытого состояния расширяется. Снижение амбиполярного тока замедляется при больших H из-за ослабления эффекта связи двойного затвора при большой толщине канала [31]. В результате BTBT становится менее зависимым от толщины, что насыщает амбиполярный ток. Для поиска оптимальных параметров изучено влияние H (0–15 нм) на характеристики (рис. 5б–д).

Влияние H на а передаточные кривые, б Vonset и BTBT, в средний SS, г ток стока в открытом/амбиполярном состоянии. H = 0 нм — конвенциональный DG TFET.

Рис. 5б: V_onset монотонно уменьшается с ростом H из-за вариации потенциала от угла затвора [32, 33], повышающей BTBT. BTBT растет с H, что снижает V_onset. V_onset растет с увеличением t_si1 из-за ослабления BTBT. Рис. 5в: средний SS растет с H (обратная тенденция к V_onset). При фиксированном t_si1 ток в открытом состоянии похож, но снижение V_onset расширяет диапазон напряжений затвора для одного тока, повышая SS. Увеличение t_si1 ухудшает SS из-за снижения управления затвором. Рис. 5г: ток в открытом состоянии почти не зависит от H, но сильно зависит от t_si1 (туннелирование у источника). Амбиполярный ток снижается с ростом H (туннелирование у стока, где толщина растет). Снижение амбиполярного тока более выражено при H < 10 нм из-за более сильной связи двойного затвора.

Рис. 6а — передаточные кривые при разных L_s. L_s = 0 нм — конвенциональный DG TFET с t_si2, L_s = 50 нм — с t_si1. Положение ступени сильно влияет на амбиполярный ток и диапазон закрытого состояния. При L_s < 30 нм амбиполярный ток и закрытое состояние похожи. При L_s > 30 нм амбиполярный ток резко растет. Рис. 6б — V_onset и BTBT при разных L_s и t_si1. V_onset растет с t_si1. Излом на L_s = 10 нм вызван сменой t_si1. Исключая конвенциональный DG TFET, V_onset SC TFET монотонно растет с L_s из-за снижения BTBT ступенчатой структурой. Рис. 6в — влияние L_s и t_si1 на SS. Увеличение t_si1 ухудшает SS. Уменьшение L_s расширяет область большей толщины, ослабляя общее управление затвором и ухудшая SS. Рис. 6г — ток стока в открытом и амбиполярном состояниях. Ток в открытом состоянии равен конвенциональному DG TFET с соответствующим t_si1. Амбиполярный ток при L_s < 30 нм равен конвенциональному DG TFET с t_si2. При L_s = 40 нм амбиполярный ток резко возрастает, даже превышая конвенциональный DG TFET с t_si = 20 нм. Вертикальная часть затвора усиливает туннельную площадь, особенно близко к p-n переходу [34]. Следовательно, L_s должен быть < 40 нм для снижения амбиполярного тока.

Влияние Ls на а передаточные кривые, б Vonset и BTBT, в средний SS, г ток стока в открытом/амбиполярном состоянии. Ls — боковое расстояние от источника до ступени.

Для определения оптимальных параметров проведено ортогональное моделирование комбинированного эффекта H и L_s. t_si1 = 10 нм для высокого тока в открытом состоянии. Рис. 7а — амбиполярный ток как функция L_s при разных H. Амбиполярный ток снижается с ростом H, но выгода от больших H насыщается. Оптимально H = 15 нм (большие H только увеличивают площадь устройства). Меньшее L_s также снижает амбиполярный ток, особенно при большом H. Однако малое L_s увеличивает SS (рис. 7б). SS медленно растет при большем L_s, но быстро — при малом. Компромисс: L_s ≈ 25 нм. Оптимальные параметры: H = 15 нм, L_s = 25 нм — и амбиполярный ток, и SS относительно низки.

а Амбиполярный ток и б подпороговый склон SC TFET как функции Ls при разных H.

Технология изготовления

Выполнимая технология изготовления SC TFET показана на рис. 8. Благодаря уникальной форме канала, ступенчатую толщину проще реализовать в вертикальной структуре. Процесс: (а) подготовка кремниевой подложки с осаждением SiN и фоторезиста; (б) литографическое паттернирование SiN, травление для формирования канала, вертикальная имплантация As и отжиг для N⁺-области; (в) осаждение изоляционного оксида для защиты стока от последующей травки; (г) ашинг и триммирование SiN реактивно-ионной травкой [36] для уменьшения толщины и ширины SiN; (д) травление для введения ступенчатой толщины канала; (е) оставшиеся этапы аналогичны конвенциональному вертикальному TFET: формирование затворного оксида, осаждение затвора, открытие кремния, имплантация источника [35, 37].

Процесс изготовления SC TFET. а Подготовка подложки с SiN и фоторезистом. б Травление, имплантация, отжиг. в Осаждение изоляционного оксида. г Уменьшение толщины и ширины SiN ашингом и триммированием. д Введение ступенчатой толщины. е Формирование затворного оксида, осаждение затвора, планаризация, имплантация источника.

Заключение

Исследованы электрические характеристики DG TFET со ступенчатой толщиной канала (SC TFET) методом 2D-моделирования. Асимметрия между источником и стоком вводится через ступенчатую толщину, что существенно снижает амбиполярное поведение. SC TFET демонстрирует характеристики открытого состояния конвенционального DG TFET с соответствующим t_si1 и параллельные кривые закрытого/амбиполярного состояний конвенционального DG TFET с соответствующим t_si2. В результате SC TFET достигает широкого закрытого состояния, низкого амбиполярного тока и сохраняет низкий SS одновременно. Механизмы подробно обсуждены. Влияние структурных параметров на V_onset, SS, ток стока в открытом и амбиполярном состояниях изучено для определения оптимальной структуры. SC TFET с H = 15 нм и L_s = 25 нм показывает оптимальные характеристики. Архитектура ступенчатой толщины дает альтернативный метод асимметрии. Поскольку комбинированные асимметричные стратегии эффективны, наша работа может дополнительно улучшить характеристики TFET.