高云翔，靳曉詩

（沈陽工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽110870）

1 引 言

近年來，結(jié)合多柵極技術(shù)的無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)成為深納米級(jí)硅基VLSI技術(shù)領(lǐng)域中最流行的半導(dǎo)體器件結(jié)構(gòu)之一[1-2]。由于超薄硅膜SOI技術(shù)可以使柵極能夠輕易控制溝道在完全耗盡狀態(tài)下工作，因此器件制造不再需要PN結(jié)[3]。與常規(guī)的基于PN結(jié)的三柵極（TG）MOSFET類似，在關(guān)斷狀態(tài)下，三柵極無結(jié)（TG JL）FET的柵極電壓反向偏置時(shí)會(huì)引起帶間隧穿的增強(qiáng)，特別是在柵極角區(qū)域和柵極至漏極或源極的延長(zhǎng)區(qū)，它極大地增加了由于帶間隧穿所引起的泄漏電流，并在靜態(tài)關(guān)斷狀態(tài)下導(dǎo)致了更高的功耗。

帶間的隧穿幾率與柵極角區(qū)域中最強(qiáng)的電場(chǎng)強(qiáng)度成比例。有很多種降低多柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)管在反向偏壓下的電場(chǎng)強(qiáng)度的方法被提出，如柵極幾何形狀的優(yōu)化[4-5]以及不同功函數(shù)和柵介質(zhì)的多柵材料的應(yīng)用[6-7]。實(shí)際上，對(duì)于納米級(jí)短溝道器件來說，器件的開關(guān)特性如靜態(tài)關(guān)斷功耗、亞閾值擺幅和導(dǎo)通電流驅(qū)動(dòng)能力之間存在權(quán)衡。納米級(jí)器件設(shè)計(jì)的最終目標(biāo)是通過器件結(jié)構(gòu)優(yōu)化在有限的給定芯片面積內(nèi)實(shí)現(xiàn)最佳性能。為了實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的高性能器件，應(yīng)該充分考慮柵極結(jié)構(gòu)構(gòu)造。因此，提出一種高開關(guān)特性的折疊I形柵極（FIG）無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管，以總共22nm的水平硅體長(zhǎng)度（包括源極/漏極區(qū)域，柵極/溝道區(qū)域以及柵極/溝道區(qū)域與源極/漏極區(qū)域之間的空間）為例，通過Silvaco TCAD器件仿真對(duì)所提出的FIG JL FET的性能展開深入研究[8]。

2 折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)

器件的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，由Silvaco TCAD仿真軟件中的繪圖工具繪制。圖1(a)為折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三維結(jié)構(gòu)圖；圖1(b)和圖1(c)分別為器件沿圖1(a)的沿平面A和平面B切割的剖面圖；圖1(d)為圖1(a)的俯視圖。柵極結(jié)構(gòu)的俯視圖看起來像一個(gè)折疊的字母“I”，故此得名。I形的柵極結(jié)構(gòu)增加了柵極對(duì)于溝道的作用面積，可以有效抑制由于溝道長(zhǎng)度太短所引起的短溝道效應(yīng)，減小泄漏電流。

圖1 折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件結(jié)構(gòu)圖

圖中，L為硅體長(zhǎng)，tb為硅體厚，W為硅體寬，tox是柵極氧化層的厚度，lsd是源極/漏極的寬度，lg1是垂直部分的柵極長(zhǎng)度，lg2是水平部分的柵極長(zhǎng)度。下述仿真實(shí)驗(yàn)主要就是圍繞這些參數(shù)展開的。

3 仿真與討論

3.1 仿真設(shè)計(jì)

所用的仿真計(jì)算模型主要有Shockley-Read-Hall模型（srh），CVT 遷移率模型（cvt），俄歇復(fù)合模型（Auger），禁帶寬度變窄模型（bgn）和標(biāo)準(zhǔn)帶帶隧穿模型(bbt.std)。在仿真過程中需要設(shè)定一些固定的參數(shù)，如圖1中提到的W、tb、L、tox和lsd等，另外用ND表示硅體摻雜濃度，具體數(shù)值設(shè)置為：W=tb=6 nm，L=22nm，tox=1nm，lsd=2nm，ND=1×1018cm-3。通過TCAD器件仿真軟件分析不同柵極長(zhǎng)度所產(chǎn)生的影響。此FIG JL FET具體仿真參數(shù)設(shè)置如表1所示。

表1 FIG JL FET仿真參數(shù)

3.2 仿真分析

如圖2(a)所示為折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的lg2從14nm至2nm變化時(shí)其對(duì)數(shù)曲線與線性曲線的IDS-VGS特性對(duì)比。圖2(b)和圖2(c)分別顯示了在反向柵極偏置電壓下的電場(chǎng)分布和在正向柵極偏置電壓時(shí)從漏極到源極硅體和柵極氧化物之間的角接觸面上的電子濃度。實(shí)際上，三柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管可以看作是lg2=lg1的一個(gè)特例。

圖2 仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果圖中可以看出，當(dāng)lg2小于10nm時(shí)，關(guān)斷狀態(tài)下的泄露電流沒有明顯變化，然而，當(dāng)lg2增加到14nm（柵極長(zhǎng)度為14nm的三柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管）時(shí)，由于柵極角區(qū)域的長(zhǎng)度不斷增加以及漏極/源極電極和柵極電極之間的距離不斷縮短，導(dǎo)致最強(qiáng)電場(chǎng)區(qū)域的擴(kuò)大和增強(qiáng)。值得注意的是，折疊I形柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的亞閾值擺幅不會(huì)隨著lg2的縮短而改變。

如圖2(b)所示，隨著lg2的縮短，具有峰值電場(chǎng)強(qiáng)度的區(qū)域的寬度也隨之縮短，這意味著具有足夠高的用于帶間隧穿電場(chǎng)強(qiáng)度的硅體的總體積通過縮短lg2而大大減小，與此相反，正向偏置電壓下載流子濃度幾乎不受縮短lg2的影響，如圖2(c)所示。這也表明，與傳統(tǒng)的雙柵極結(jié)構(gòu)相比，三柵極的優(yōu)點(diǎn)是增強(qiáng)了柵極對(duì)于從源極到漏極方向中心部分的硅的控制能力，而不是靠近源極/漏極區(qū)域的部分。換句話說，所提出的折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)合了雙柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管和三柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)點(diǎn)，它同時(shí)實(shí)現(xiàn)了如三柵結(jié)構(gòu)一樣更強(qiáng)的柵極控制能力和如雙柵結(jié)構(gòu)一樣更小的柵極角效應(yīng)。

3.3 優(yōu)化改進(jìn)

根據(jù)參考文獻(xiàn)[2]、[3]中的優(yōu)化方法，對(duì)折疊I形柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管做了進(jìn)一步的優(yōu)化調(diào)整。優(yōu)化后的折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的三維結(jié)構(gòu)如圖3所示。當(dāng)lg1=14nm，lg2=2nm時(shí)，改變柵極的垂直部分的長(zhǎng)度，同時(shí)引進(jìn)兩個(gè)新的參數(shù)：tl定義為柵極上方垂直部分的邊緣至低一層的垂直部分的邊緣的長(zhǎng)度，th定義為柵極的上方垂直部分的高度。首先，固定tl=6nm不變，改變th從0nm到6nm。實(shí)際上，當(dāng)th=0nm時(shí)，相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)就是沒有進(jìn)行優(yōu)化時(shí)的折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管；當(dāng)th和tl都為6nm時(shí)，相應(yīng)的器件結(jié)構(gòu)就是柵極厚度為2nm的三柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管。

圖3 折疊I形柵無結(jié)FET優(yōu)化結(jié)構(gòu)圖

圖4所示為柵極長(zhǎng)度為2nm的三柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管、柵極長(zhǎng)度為14nm的雙柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管和優(yōu)化后的折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的IDS-VGS特性的線性曲線與對(duì)數(shù)曲線的對(duì)比。

圖4 優(yōu)化結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

盡管不能同時(shí)得到最小的反向泄漏電流和最大的正向開啟電流，但綜合考慮73mV/dec的亞閾值擺幅和8×105的Ion-Ioff比等特性，相較于2nm柵極長(zhǎng)度的三柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (SS=95mV/dec)和14nm柵極長(zhǎng)度的雙柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管 (SS=72mV/dec)，折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管已經(jīng)通過優(yōu)化得到了較大的改進(jìn)。SS與14nm柵極長(zhǎng)度的雙柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管幾乎相同，且反向泄漏電流水平在2nm的三柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管和柵極長(zhǎng)度為14nm的雙柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管之間，比柵極長(zhǎng)度為14nm的雙柵無結(jié)隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管低大約10倍。

4 結(jié)束語

對(duì)于這一新型的硅體長(zhǎng)為22nm的折疊I形柵極無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管完成了在納米尺寸下不同柵極長(zhǎng)度所對(duì)應(yīng)的IDS-VGS特性的仿真分析?？梢姺聪蛐孤╇娏髋c正向?qū)娏麟S著柵極長(zhǎng)度增加而增大，但亞閾值擺幅不會(huì)隨著柵極長(zhǎng)度的變化而改變。通過柵極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了折疊I型柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管電學(xué)性能的較大提升。與普通雙柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，該器件具有較高的正向?qū)娏骱透偷膩嗛撝禂[幅；與普通三柵無結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管相比，其反向泄漏電流降低了約一個(gè)數(shù)量級(jí)，使它成為一種非常具有發(fā)展?jié)摿Φ母咝阅芷骷?/p>