2-nm Bron-Drain FETs: Hoog-presterend Rechthoekige Gate U-Kanaal Ontwerp

Samenvatting

Een nieuwe hoog-presterende rechthoekige gate U-kanaal FET (RGUC FET) voor extreme geïntegreerde afstand tussen bron- en draincontacten wordt in dit artikel voorgesteld. De RGUC FET vertegenwoordigt bijna ideale subdrempelkarakteristieken tot de afstand tussen bron/drain (S/D) contacten gereduceerd is tot 2 nm. In tegenstelling tot andere ingedeelde of U-vormige kanaal-gebaseerde FETs, hoeven de gate-contacten niet in het ingedeelde gebied gevormd te worden, maar slechts in een laag spacer voor de isolatie tussen de twee verticale delen aan beide kanten van het U-kanaal. De structurele voordelen maken het mogelijk om geïntegreerde schakelingen met hogere integratie te produceren voor extreme geïntegreerde afstand tussen bron- en draincontacten. De elektrische eigenschappen van de RGUC FET werden nauwkeurig onderzocht door de invloed van ontwerpparameters te bestuderen, waaronder de horizontale afstand tussen S/D-contacten, de uitstekhoogte van het S/D-gebied, en de dikte en het materiaal van de gate-oxidelage. De elektrische eigenschappen van de RGUC FET worden geverifieerd door kwantumsimulatie. Vergeleken met andere niet-plannaire kanaal multi-gate FETs, is de nieuwe RGUC FET geschikt voor hogere integratie.

Inleiding

Als een van de meest veelbelovende apparaten gebruikt in nanoschaal geïntegreerde schakelingen (IC), is de junctionless field-effect transistor (JL FET) die opmerkelijke elektrische kenmerken vertoont vergeleken met conventionele junction-gebaseerde metaal-oxide-halfgeleider (MOS) FETs, naast zijn fabricage-eenvoud, in de laatste jaren diepgaand bestudeerd. Terwijl het verhogen van de gate-spanning de accumulatieregio in het kanaal vormt, resulterend in grotere aan-stroom, versterkte de introductie van de multiple-gate (MG) FET de controleerbaarheid van de bron-naar-drain-stroom vanuit de gate-spanning, resulterend in veel betere subdrempeleigenschappen van het apparaat. Junctionless multiple-gate (JL MG) FETs zijn ook jarenlang breed bestudeerd. Hoewel de verticale kanaal gate-all-around MOSFET een bijna ideaal I-V-prestatie toont met een straal van slechts enkele nanometers, maakt het verticale kanaal ervan het onmogelijk om bron- en draincontacten in dezelfde laag te produceren, wat de IC-layout incompatibel maakt met de plannaire technologie. Bovendien, aangezien de halfgeleiderfabricatie gedwongen is om de kanaallengte te schalen naar minder dan 10 nm, kampen MG FETs weer met het korte-kanaaleffect. Om het korte-kanaaleffect te overwinnen, zijn ingedeelde kanaal MOSFETs een hot topic in de laatste jaren. Het modelleren en simuleren van ingedeelde kanaal MOSFETs is ook uitgebreid uitgevoerd. Een ingedeelde kanaal MOSFET heeft zowel plannaire verticale kanaaldelen onder zowel bron- als draincontacten en een horizontaal plannair kanaaldeel. Het verlengt daadwerkelijk de effectieve kanaallengte vergeleken met conventionele MOSFETs met alleen het horizontale plannaire kanaal. Voor het apparaat met dezelfde afstand tussen bron- en draincontacten, kan het meer immuun zijn voor het korte-kanaaleffect vergeleken met conventionele MOSFETs met plannair kanaal; experimentele data toont echter aan dat de subdrempelhelling van MOSFETs met ingedeeld kanaal geen ideale subdrempelhelling kan realiseren met sub-100-nm effectieve kanaallengte. Dat is omdat hoewel de kanaallengte verlengd is, de gate-controleerbaarheid niet versterkt is als bij MG FETs. Het moet worden opgemerkt dat het beter is om een nieuwe cruciale geometrische parameter te definiëren gerelateerd aan de beschrijving van integratie, in plaats van de kanaallengte. De afstand tussen bron- en draincontacten is realistischer en effectiever omdat het uiteindelijke doel van het ontwerp van het nanoschaalapparaat de realisatie is van de beste prestaties in een beperkt gegeven chipoppervlak, en de werkelijke apparaatgrootte is gerelateerd aan de kanaalbreedte en de afstand tussen bron- en draincontacten. Om de voordelen van zowel MG FETs als ingedeelde kanaal MOSFETs te combineren, hebben we in eerdere werkzaamheden zadelvormige gate FETs met een U-vormig kanaal voorgesteld, wat de gate-controleerbaarheid naar het horizontale kanaaldeel van het ingedeelde kanaal bevordert van een plannaire single-gate-type naar een 3-D triple-gate-type. Daarna hebben we deze 3-D triple-gate-functie geüpgraded die niet alleen in het horizontale kanaaldeel maar ook in beide verticale kanaaldelen gevormd wordt. Dit apparaat heet H-gate U-kanaal FETs, en het ingedeelde kanaal wordt overeenkomstig geüpgraded naar een 3-D U-vormige buiskanaal. Zoals hierboven vermeld, is het uiteindelijke doel van het ontwerp van het nanoschaalapparaat de realisatie van de beste prestaties in een beperkt gegeven chipoppervlak door optimalisatie. Om een geoptimaliseerd hoog-presterend apparaat te realiseren, moeten zowel gate-structuur als de corresponderende kanaalstructuur goed worden overwogen en ontworpen. Ook de fabricage-complexiteit moet goed worden overwogen. De bovenstaande apparaten zoals het ingedeelde kanaalapparaat, de eerder voorgestelde zadel-FETs en HGUC FETs hebben een gemeenschappelijke grond, een sandwich-structuur van gate-oxides/gate/gate-oxides moet goed gevormd worden in het kleine ingedeelde gebied. Deze structurele kenmerken beperken de verdere bevordering van integratie. Het lijkt dat een goede manier om de integratie te bevorderen, is om het structurele kenmerk in het ingedeelde gebied te vereenvoudigen en tegelijkertijd de gate-controleerbaarheid op het verticale kanaaldeel en het horizontale kanaaldeel van het U-vormige kanaal te behouden. Om deze apparaatkenmerken en -functies te realiseren, stellen we in dit artikel een nieuwe rechthoekige gate U-kanaal FET (RGUC FET) voor voor extreme geïntegreerde afstand tussen bron- en draincontacten. Het heeft een U-vormig kanaal dat de effectieve kanaallengte kan verlengen zonder de afstand tussen bron- en draincontacten te vergroten. Vergeleken met andere U-vormige kanaal FETs, is de RGUC FET voorzien van een eenvoudigere inwendige structuur in het ingedeelde gebied van het U-vormige kanaal; hierdoor kan het een eenvoudigere fabricage in het inwendige deel van het ingedeelde gebied en een kleinere afstand tussen bron- en draincontacten (hogere integratie) realiseren. De voorgestelde structuur heeft betere gate-controleerbaarheid en kleinere omgekekte lekkagestroom vergezeld van hogere I_ON/I_OFF verhouding. De afstand tussen broncontact en draincontact kan geschaald worden tot minder dan 2 nm. De gehele elektrische eigenschappen worden geanalyseerd door kwantumsimulaties.

Methodes

Figuur 1a presenteert het 3D-schemataat van de RGUC FET, en Fig. 1b tot d zijn profielen van het apparaat doorsneden door vlakken A, B, C en D getoond in Fig. 1a. W is de lichaamsbreedte van het silicium, t_b is de lichaamsdikte van het silicium, h_in is de inwendige hoogte van de spacer in het ingedeelde gebied, h_ex is de hoogte van de uitstekende bron/drain-regio, t_ox is de dikte van de gate-oxide rond het siliciumlichaam, en t_sp is de spacer-dikte van de isolatorlaag gedeponeerd in het ingedeelde gebied van het U-vormige kanaal wat gelijk is aan de afstand tussen broncontact en draincontact.

a 3D-schemataat van de RGUC FET. b Profielen van het apparaat doorsneden door vlak A van a. c Profielen van het apparaat doorsneden door vlak B van a. d Profielen van het apparaat doorsneden door vlak C van a

Omdat de siliciumlichaamsdikte minder dan 6 nm is, worden kwantumsimulaties in dit artikel geïntroduceerd in plaats van klassieke simulaties om nauwkeurigere simulateresultaten te verkrijgen. Alle simulaties worden uitgevoerd met de TCAD van SILVACO Atlas 3D apparaatsimulatie, met het concentratie-afhankelijke mobiliteitsmodel, concentratie-afhankelijke Shockley-Read-Hall-model, Auger-recombinatiemodel, bandgatvernauwingsmodel, standaard band-naar-band-tunnelingmodel en Bohm-kwantumpotentieelmodel. De simulatieparameters zijn vermeld in Tabel 1. De twee verticale lichaamsdelen zijn eigenlijk kubussen met vier kanten, de bovenoppervlakken van welke bedekt zijn met de bron- of drainregio en de bodemoppervlakken zijn beide verbonden met het horizontale lichaamsdeel. De buitenste drie kanten van de verticale lichaamsdelen zijn omringd door de gate-oxide en rechthoekige gate-contact, en de andere inwendige kant is verbonden met de inwendige spacer in het ingedeelde gebied. De vier kanten van het horizontale lichaam zijn allemaal omringd door de gate-oxide en de rechthoekige gate-contact. Het is afleidbaar dat de rechthoekige gate een sterke veld-effect-controleerbaarheid heeft op zowel het horizontale lichaam als de twee verticale delen door de bovengenoemde structurele kenmerken. En de inwendige spacer verlengt daadwerkelijk de afstand van het kortste pad tussen bron- en draincontacten in het silicium wat het korte-kanaaleffect kan elimineren dat niet vermeden kan worden voor multi-gate apparaten met plannaire kanaalkenmerken. Vergeleken met andere 3-D kanaalapparaten, heeft de voorgestelde structuur geen gate-formatie nodig in het ingedeelde gebied, wat de complexiteit van de inwendige structuur van het ingedeelde gebied in grote mate vermindert.

Resultaten en Discussies

Het Bohm-kwantumpotentieel (BQP)-model berekent een positie-afhankelijke potentieel-energieterm met behulp van een hulpvergelijking afgeleid van de Bohm-interpretatie van de kwantummechanica. Dit model is afgeleid van zuivere fysica en stelt het model in staat om het kwantumgedrag van verschillende klassen van apparaten alsook een reeks materialen te benaderen. De effecten van kwantumbeperking op de apparatenprestaties, inclusief I-V-karakteristieken, zullen dan tot een goede benadering worden berekend. Eerdere studies tonen aan dat de gate-lekkagestroom verwaarloosbaar is voor gevallen van oxidedikte groter dan 0,5 nm.

Figuur 2a toont de vergelijkingen van de drain-bron-stroom gate-bron-spanning (I_DS-V_GS) kenmerken van de RGUC FET met verschillende h_ins op zowel logaritmische als lineaire schalen. Figuur 2b toont de vergelijkingen van subdrempelhellingen (SS) en I_ON/I_OFF verhouding van de RGUC FET met verschillende h_ins. Met de toename van h_in, wordt het verticale pad van het hele kanaal van bron naar drain continu verhoogd, dan neemt de kortste effectieve kanaallengte geleidelijk toe, en het korte-kanaaleffect zwakt geleidelijk af en wordt uiteindelijk geëlimineerd. De SS kan een bijna ideale waarde van 65 mV/dec realiseren voor h_in bereikt 10 nm. De I_ON/I_OFF verhouding neemt ook ongeveer 35 keer toe voor h_in toename van 2 tot 10 nm door de continu verminderde SS. Het verlengde h_in maakt de afstand van het kortste pad van bron naar drain toenemen van 6 tot 22 nm, wat gelijk is aan 2 h_in + t_sp en equivalent is aan de effectieve kanaallengte van de voorgestelde structuur. Figuur 2c en d tonen een 2-D elektronenconcentratieverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 2 nm en 10 nm h_in, respectievelijk. Voor het geval van 2 nm is de hoogste elektronenconcentratie in het horizontale lichaamsgebied ongeveer 10¹² cm⁻³ en de afstand tussen bron/drain-contact en het horizontale lichaamsgebied is heel kort. Hierdoor beïnvloeden de bron/drain-bias de elektronenverdeling in het horizontale lichaamsgebied ernstig; de oplossing is om het verticale kanaal te verlengen wat de bron/drain van het horizontale lichaamsgebied houdt. Voor het geval van 10 nm, in Fig. 2d, kunnen we zien dat de hoogste elektronenconcentratie in het horizontale lichaamsgebied gedaald is tot 10⁹ cm⁻³, en het maakt een meer ideale volledig uitgedoofde regio voor de uit-stand wat een veel lager niveau van lekkagestroom oplevert.

a De vergelijkingen van de I_DS-V_GS kenmerken van de RGUC FET met verschillende h_ins op zowel logaritmische als lineaire schalen. b De vergelijkingen van subdrempelhellingen (SS) en I_ON/I_OFF verhouding van de RGUC FET met verschillende h_ins. c 2-D elektronenconcentratieverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 2-nm h_in. d 2-D elektronenconcentratieverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 10 nm h_in

Figuur 3a toont de vergelijkingen van de I_DS-V_GS kenmerken van de RGUC FET met verschillende t_sps op zowel logaritmische als lineaire schalen. Figuur 3b toont de vergelijkingen van subdrempelhellingen (SS) en I_ON/I_OFF verhouding van de RGUC FET met verschillende t_sps. Met de afname van t_sp, wordt de afstand tussen bron- en draincontacten continu verminderd. De lekkagestroom wordt voornamelijk geïnduceerd door band-naar-band-tunnelingstroom. De tunnelkans is evenredig met de bandbuiging wat equivalent kan zijn aan de elektrische-veldfintensiteit in een bepaald punt. De totale tunnelstroom is de som van de tunnelstroom gegenereerd in elk punt van het lichaamsgebied.

a De vergelijkingen van de I_DS-V_GS kenmerken van de RGUC FET met verschillende t_sps op zowel logaritmische als lineaire schalen. b De vergelijkingen van subdrempelhellingen (SS) en I_ON/I_OFF verhouding van de RGUC FET met verschillende t_sps. c 2-D elektrische-veldeverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 2 nm t_sp. d 2-D elektrische-veldeverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 0,5 nm t_sp. e 2-D elektronenconcentratieverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 0,5 nm t_sp

Figuur 3c en Fig. 2d tonen een 2-D elektrische-veldeverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 2 nm en 0,5 nm t_sp, respectievelijk. Voor een grotere spacer-dikte of een kleinere drain-bron-spanning (V_DS) bias, is de elektrische-veldfintensiteit op de interface tussen de spacer in het ingedeelde gebied niet sterk genoeg om een grote hoeveelheid lekkagestroom te produceren. De sterkste elektrische-veldfintensiteit verschijnt nabij de interface tussen de gate-oxide en het verticale lichaamsdeel, wat besloten wordt door V_GD. Echter, als de bron-naar-drain-afstand verminderd wordt tot minder dan 1 nm (minder dan de gate-oxidedikte), verschijnt de sterkste veldintensiteit nabij de interface tussen de spacer in het ingedeelde gebied en de twee verticale lichaamsdelen. Het kan worden gezien dat wanneer t_sp minder dan 1 nm is, voor een grotere V_DS (0,5 V bijvoorbeeld), de lekkagestroom bijna onafhankelijk is van de gate-bias en voornamelijk besloten door de V_DS. De SS is bijna onafhankelijk van t_sp en behoudt een bijna ideale waarde van 65 mV/dec voor een h_in = 10 nm geval tot t_sp minder dan 2 nm is. De I_ON/I_OFF verhouding behoudt 10⁸ tot t_sp = 2 nm en wordt ernstig gedegradeerd voor t_sp minder dan 2 nm door de toename van lekkagestroom geïnduceerd door het sterke elektrische veld dat verschijnt nabij de interface tussen de spacer in het ingedeelde gebied en de twee verticale lichaamsdelen. De elektrische-veldfintensiteit van het siliciumlichaam in het lichaamsgebied is uitgebreid versterkt voor het 0,5 nm t_sp geval. Figuur 3e toont 2-D elektronenconcentratieverdeling in het siliciumlichaam in uit-stand voor het apparaat met 0,5 nm t_sp. Vergeleken met Fig. 2d, is het duidelijk te zien dat de elektronenconcentratie in het horizontale lichaamsgebied vergroot is van 10⁹ tot 10¹⁰ cm⁻³. Behalve, de dimensie van 0,5 nm spacer-dikte is heel dicht bij een enkele-molecuullaag, wat de isolatie-eigenschap van de spacer-laag tot een bepaalde mate kan beschadigen. Vanwege de bovenstaande redenen wordt t_sp voorgesteld om 2 nm te zijn voor hoog-integratie en lage-lekkage laag-verbruik ontwerp.

Figuur 4 toont de I_DS-V_DS van de voorgestelde RGUC FET met geoptimaliseerde structuur onder verschillende.

I_DS-V_DS karakteristiek van de voorgestelde RGUC FET met geoptimaliseerde apparaatparameters

V_GS waarden, de SS van welke ongeveer 63 mV/dec is, en de I_ON/I_OFF is 10⁹ ~ 10¹⁰. De verzadigingsstroom neemt toe naarmate V_GS toeneemt.

Conclusies

Een nieuwe RGUC FET met hoge integratie en hoge prestaties wordt in dit artikel voorgesteld, wat lage subdrempelhellingen en hogere I_ON/I_OFF verhouding presenteert. De afstand tussen bron/drain (S/D) contacten kan gereduceerd worden tot 2 nm, met bijna ideale kenmerken zoals SS, omgekeerde lekkagestroom en I_ON/I_OFF verhouding. Alle elektrische eigenschappen worden gesimuleerd met kwantummodellen om nauwkeurigere resultaten te garanderen.

Afkortingen

BQP:

Bohm-kwantumpotentieel

FET:

Veld-effect-transistor

h _ex :

Uitstekhoogte van spacer tussen S/D-regio

h _in :

Inwendige hoogte van spacer in ingedeeld gebied

I _OFF :

Uit-stroom

I _ON :

Aan-stroom

JL:

Junctionless

MOS:

Metaal-oxide-halfgeleider

N _D :

Doteringconcentratie

RGUC:

Rechthoekige gate U-kanaal

S/D:

Bron/drain

SS:

Subdrempelhelling

t _bh :

Horizontale lichaamsdikte

t _bv :

Verticale lichaamsdikte

t _gate :

Verticale lengte van de gate

t _ox :

Gate-oxidelagdikte

t _sp :

Spacer-dikte tussen S/D-regio

V _DS :

Drain-bron-spanning

V _GS :

Gate-bron-spanning

W:

Lichaamsbreedte