Hoogpresterende dopingloze SiGe vin-vormige TFET: Verbeterde on-stroom en 12-ordens schakelverhouding

Samenvatting

In dit artikel wordt een dopingloze vin-vormige SiGe-kanaal TFET (DF-TFET) voorgesteld en bestudeerd. Om een hoog-efficiënte dopingloze lijntunneljunctie te vormen, worden een vin-vormige SiGe-kanaal en een gate/source overlap geïnduceerd. Door deze methodes kan een DF-TFET met hoge on-state stroom, schakelverhouding van 12 orders van grootte en geen duidelijke ambipolaire effecten worden verkregen. Hoog-κ materiaal stack gate dielectrica worden geïnduceerd om de off-state lekkagestroom, interfacekenmerken en de betrouwbaarheid van de DF-TFET te verbeteren. Bovendien lossen het gebruik van een dopingloos kanaal en vin-structuur de moeilijkheden van het dopingsproces en de asymmetrische gate overlap vorming op. Als resultaat kan de structuur van de DF-TFET een goede fabricage toepasbaarheid bezitten en de voetafdruk aanzienlijk verkleinen. Het fysieke mechanisme van het apparaat en de invloed van parameters op de prestaties worden in dit werk bestudeerd. Uiteindelijk kan een on-state stroom (I_ON) van 58,8 μA/μm, minimum subdrempelhelling van 2,8 mV/dec (SS_min), gemiddelde subdrempelhelling (SS_avg) van 18,2 mV/dec worden verkregen. Met verbeterde capaciteitskarakteristieken kunnen een afsnijfrequentie van 5,04 GHz en een winst-bandbreedteproduct van 1,29 GHz worden bereikt. Met verbeterde prestaties en robuustheid kan de DF-TFET een zeer aantrekkelijke kandidaat zijn voor ultra-laag-vermogen toepassingen.

Inleiding

Met het verkleinen van MOSFETs, zijn de schakelsnelheid, hoge-frequentie prestaties, dichtheid, kosten en functionaliteit van geïntegreerde schakelingen (IC's) aanzienlijk verbeterd. Maar met de voortdurende voortslechtering van spanningsverkleining, wordt de onacceptabel hoge stroomverbruik een ernstig probleem voor moderne IC's. Dankzij het band-naar-band tunnelmechanisme, brengt tunnel FET (TFET) met steile SS en laag stroomverbruik een nieuwe oplossing voor dit probleem en trekt veel aandacht. Maar de toepassingen van conventionele silicium-gebaseerde TFETs zijn beperkt door de aanzienlijk lage on-state stroom (I_ON), lage schakelverhouding, ernstig ambipolaire effect en grote gemiddelde subdrempelhelling (SS). Om de prestaties van TFETs te verbeteren, zijn toepassingen van nieuwe structuren en nieuwe materialen op TFETs in recente jaren voorgesteld. Bijvoorbeeld, TFETs met tunnelverhoogde laag zijn in recente jaren voorgesteld. Met deze laag wordt de effectieve lengte van het tunnelpad verkleind en resulteert in een duidelijke tunnelverhoging. Bovendien worden TFETs met verbeterde gate structuur bestudeerd door veel onderzoeksgroepen. Het concept van lijntunneling wordt geïntroduceerd in L-TFET. Als resultaat kunnen SS_avg van 42,8 mV/decade en I_ON van 10⁻⁶ A/μm worden bereikt door L-TFET. Om de prestaties van TFETs verder te verbeteren, wordt een verbeterde TG-TFET met T-vormige overlap en dubbele source gerapporteerd. Als resultaat bereikt de I_ON van TG-TFET 81 μA/μm. Om de apparaatprestaties verder te verbeteren, is een hoge eis aan het dopingsprofiel van de tunneljunctie vereist. Foundry ingenieurs moeten een ultra-stijpe abrupte junctie creëren die slechts enkele nanometers dik is, en dit is heel moeilijk te bereiken. Om deze moeilijkheid te vermijden, wordt de dopingloze TFET (DL-TFET) op dunne intrinsieke halfgeleiderfilm met behulp van het lading plasma concept gerapporteerd door onderzoeksgroepen. In DL-TFET kan de fabricagemoeilijkheid aanzienlijk worden verminderd door de ultra-stijpe abrupte junctie te verwijderen. De prestatiedegradering geïnduceerd door willekeurige dopantfluctuaties kan worden vermeden. Bovendien vereist de fabricatie van de DL-TFET geen hoge thermische budgetten voor het creëren van de source en drain, wat de mogelijkheid opent om TFETs op andere substraten te realiseren zoals einkristallijn silicium op glas. Als resultaat is de SS van DL-TFET aanzienlijk verbeterd. Echter, door de lage efficiëntie van punttunneljunctie, is de stroom van DL-TFET niet hoog genoeg, wat moeilijk is om te voldoen aan de stijgende eisen van moderne schakelingstoepassingen.

In dit artikel wordt een nieuwe dopingloze vin-vormige SiGe-kanaal TFET (DF-TFET) voorgesteld en bestudeerd. Om de prestaties en robuustheid van het apparaat te verbeteren, worden lijntunneljunctie en SiGe-materiaal toegepast op DF-TFET. Tegelijkertijd wordt de gate metaal werkfunctie geoptimaliseerd om de tunnelsnelheid verder te verbeteren. Bovendien vermindert het dopingloze kanaal de fabricageprocesmoeilijkheid terwijl de vin-structuur de asymmetrische gate/backgate fabricage toepasbaar maakt. Als resultaat kunnen on-state stroom (I_ON) van 58,8 μA/μm, off-state lekkagestroom (I_OFF) nabij 10⁻¹¹ μA/μm, gemiddelde subdrempelhelling (SS_avg) van 18,2 mV/dec en minimum subdrempelhelling (SS_min) van 2,8 mV/dec worden bereikt door DF-TFET. Met relatief kleine gate capaciteit (C_gg) en gate-naar-drain capaciteit (C_gd), kan goede analoge/RF prestaties worden verkregen. Uiteindelijk bereikte de afsnijfrequentie (f_T) 5,04 GHz en het winst-bandbreedteproduct (GBW) 1,29 GHz.

De structuur van dit artikel is als volgt: de sectie "Apparaatstructuur en Simulatiemethode" toont de TCAD simulatiemethoden van dit werk. De structuur en de parameter van DF-TFET worden geïntroduceerd. De verschillen en voordelen van DF-TFET vergeleken met DL-TFET en TG-TFET worden geïllustreerd. Het mechanisme, de kenmerken en de analoge/RF prestaties van DF-TFET worden besproken in de sectie "Resultaten en Discussie". Een prestatievergelijking tussen DF-TFET, DL-TFET en TG-TFET wordt in deze sectie uitgevoerd. Bovendien wordt de invloed van de apparaatparameters op de prestaties en de typische RF parameters van DF-TFET bestudeerd in deze sectie. Om het potentieel van DF-TFETs in ultra-laag-vermogen toepassingen verder te begrijpen, werden vergelijkingen van elektrische kenmerken tussen verschillende TFETs en DF-TFETs onder lage spanningsbias uitgevoerd.

Apparaatstructuur en Simulatiemethode

De voorgestelde structuur van DF-TFET is geïllustreerd in Fig. 1a. Om de apparaatprestaties te verbeteren, wordt lijntunneljunctie toegepast op het dopingloze vin-vormige SiGe-kanaal door het lading plasma concept. Het is bekend dat de gate dielectrica dikte de tunnelstroom aanzienlijk kan beïnvloeden. Dit komt omdat in het resultaat van de WKB-benadering, zoals getoond in Verg. (1), de tunnelkans afhangt van de effectieve afschermingslengte (λ), effectieve drager massa (m*), energiebandkloof (E_g) en effectief afschermingsenergievenster (ΔΦ).

$$T_{\text{WKB}} \approx \exp \left( - \frac{4\lambda \sqrt{2m^{*}} \sqrt{E_g^3}}{3q\hbar (E_g + \Delta \Phi)} \right)$$ (1)

Het verminderen van de dikte van de gate dielectrica of het gebruik van een hoge-κ dielectrica zal λ verminderen en ΔΦ verhogen, wat zal leiden tot een exponentiële toename van de tunnelkans. Dus, het gebruik van hoge-κ dielectrica en het verminderen van de dielectrica dikte kan de on-state stroom van TFET aanzienlijk verhogen. Maar de kleine dielectrica dikte en interface kwaliteitsproblemen van hoge-κ dielectrica zullen ernstige betrouwbaarheidsproblemen veroorzaken. Daarom wordt een stack gate dielectrica van 0,5 nm Al₂O₃ en 2,0 nm HfO₂ ingesteld om een goede interfacekwaliteit te garanderen, wat de lekkagestroom aanzienlijk kan verminderen en de betrouwbaarheid van de gate dielectrica kan verbeteren. De source elektrode bevindt zich bovenop de vin-structuur. Tegelijkertijd ligt het ook naast één kant van de vin en werkt als een "backgate" om een nul-bias toe te passen. Door gate en source elektrode met verschillende metaalwerkfuncties te gebruiken, kan een lijntunneljunctie in het dopingloze vin-vormige SiGe-kanaal worden gevormd door het lading plasma concept. De band-naar-band tunneling (BTBT) richting is loodrecht op het kanaal/gate oppervlak. Dit kan helpen I_ON te verhogen door de effectieve tunneljunctie-oppervlakte te verbeteren.

Een hoge schakelverhouding (I_ON/I_OFF) kan worden verkregen door de grote on-state stroom (I_ON) en kleine off-state stroom (I_OFF) geleverd door de lijntunneljunctie. Bovendien kan de toepassing van een vin-structuur in DF-TFET de voetafdruk aanzienlijk verkleinen vergeleken met de plannaire lijntunnel TFET. Figuur 1b toont een beschikbaar fabricageproces om de structuur van DF-TFET te vormen. Tabel 1 toont de belangrijkste procesparameters van DF-TFET. Uiteindelijk, zonder de moeilijkheid om een stijpe en uniforme abrupte p-n junctie te maken, kunnen goede apparaatprestaties en robuustheid worden bereikt.

Om de verschillen en voordelen van DF-TFET, DL-TFET en TG-TFET beter te begrijpen, toont Fig. 2 de structuur van deze drie apparaten. Met lijntunneljunctie, worden L-TFET en TG-TFET verwacht om hoge on-state stroom te verkrijgen. Maar experimentele resultaten tonen aan dat de werkelijke prestaties van L-TFET niet zo hoog zijn als verwacht. Een van de belangrijkste redenen is de moeilijkheid om een stijpe en uniforme abrupte p-n junctie met perfecte interfacekenmerken te vormen. Gebaseerd op de structuur van L-TFET, maakt TG-TFET een grote verbetering op I_ON. Maar TG-TFET staat nog steeds voor de moeilijkheid om een perfecte abrupte p-n junctie te vormen. Dus, om de gewenste goede prestaties te verkrijgen, moet een stijpe en uniforme abrupte p-n junctie die slechts enkele nanometers dik is, verkregen worden, maar dit is heel moeilijk te realiseren in het fabricageproces. Door een dopingloos kanaal te gebruiken, kan DL-TFET dit probleem vermijden en betere interfacekwaliteit nabij de tunneljunctie brengen. Echter, vergeleken met lijntunnel TFETs met abrupte p-n juncties, tonen simulatieresultaten aan dat de I_ON van DL-TFET relatief laag is. Voor verdere verbetering wordt de DF-TFET in dit werk voorgesteld en bestudeerd.

Simulatie van DF-TFET wordt uitgevoerd in Silvaco Atlas TCAD tools. Non-lokale BTBT model wordt in deze simulatie geïntroduceerd om de energiebands ruimtelijke variatie in rekening te brengen, wat kan helpen de nauwkeurigheid van het BTBT tunnelproces te verbeteren. Lombardi mobiliteitsmodel wordt overwogen om de kanaalmobiliteit nauwkeurig te maken. Bandkloofvernauwingsmodel wordt in rekening gebracht om de zwaar gedopeerde ohmische contactregio's te passen, en Shockley-Read-Hall hercombinatiemodel wordt ook in overweging genomen in dit artikel.

Resultaten en Discussie

Mechanisme en Vergelijking van DF-TFET, DL-TFET en TG-TFET

Figuur 3a toont de transferkenmerkenvergelijking van DF-TFET, DL-TFET en TG-TFET. Dankzij de lijntunneljunctie in het vin-vormige SiGe-kanaal, bereikt DF-TFET een on-state stroom (I_ON) van 58,8 μA/μm en realiseert een grote schakelverhouding van meer dan 12 orders van grootte waar geen duidelijke ambipolaire effecten optreden. Bovendien worden minimum subdrempelhelling (SS_min) van 2,8 mV/dec en gemiddelde subdrempelhelling (SS_avg) van 18,2 mV/dec verkregen. Als resultaat heeft DF-TFET een duidelijke verbetering in I_ON vergeleken met DL-TFET en subdrempelhelling vergeleken met TG-TFET. I_ON van DF-TFET is meer dan één orde van grootte groter dan DL-TFET bij V_DS = V_GS = 1 V. Figuur 3b toont de energiebandsomstandigheden van DF-TFET en illustreert de vorming van het tunnelvenster in het vin-vormige kanaal. De rode stippen lijn in het inset van Fig. 3b toont de positie waar de energiebandscurve wordt verkregen.

De verdeling van belangrijke fysische hoeveelheden in het tunnelproces van DF-TFET wordt getoond in Fig. 4, wat de verdeling van (a) potentiaal, (b) e-tunnelsnelheid, (c) totale stroomdichtheid en (d) hercombinatiesnelheid in een on-state werkomstandigheid omvat. In Fig. 4a kan een duidelijke potentiële gradiënt loodrecht op het gate/kanaal interface worden waargenomen. Dus, een enorme potentiaalverschil wordt gegenereerd in het vin-vormige kanaal en dit zal de concentratie van elektronen en gaten aan beide kanten van het vin-kanaal modelleren. Tegelijkertijd kan een steile energiebandsbuiging in het vin-vormige kanaal worden gevormd. Als resultaat kan een lijntunneljunctie parallel aan het gate/kanaal interface worden gevormd. Figuur 4b toont de e-tunnelsnelheid in het vin-structuur kanaal. De piekwaarde van de e-tunnelsnelheid is uniform verdeeld nabij het gate/kanaal interface en parallel aan het oppervlak. Dit bewijst dat de lijntunneljunctie parallel is aan het gate/kanaal interface. Figuur 4c toont de stroompad in DF-TFET. De valentieband elektronen van de backgate/kanaal zijde tunnelen naar het geleidingsband nabij de gate/kanaal zijde. Onder de invloed van gate spanning en drain spanning, bewegen elektronen langs het vin-kanaal naar de drain elektrode. Op deze manier wordt een tunnelstroampad in DF-TFET gevormd. Figuur 4d toont de hercombinatiesnelheidsverdeling in DF-TFET; dit kan de locatie van de tunneljunctie duidelijker illustreren. De paarse strook in het SiGe vin-kanaal kan de locatie van de tunneljunctie vertegenwoordigen.

DC Kenmerken met verschillende parameters en Analog/RF Prestaties

Figuur 5a, b toont de input en output kenmerken van DF-TFET onder verschillende biases. De toename van V_DS heeft weinig effect op de subdrempelhellingskenmerken, maar I_ON zal een lineaire groei vertonen terwijl V_DS toeneemt van 0,2 tot 1,2 V (bij V_GS = 1,0 V). Figuur 5c toont de afsnijfrequentie (f_T) en winst-bandbreedteproduct (GBW) berekend door Verg. (2) en (3). Resultaat toont aan dat een afsnijfrequentie van 5,04 GHz en een winst-bandbreedteproduct van 1,29 GHz verkregen kunnen worden.

$$f_T = \frac{g_m}{2\pi C_{gs} \sqrt{1 + 2C_{gd}/C_{gs}}} \approx \frac{g_m}{2\pi (C_{gs} + C_{gd})} = \frac{g_m}{2\pi C_{gg}}$$ (2) $$GBW = g_m / 2\pi 10 C_{gd}$$ (3)

Figuur 6a toont het effect van gate werkfunctie (φ_Gate) en drain werkfunctie (φ_Drain) op de transferkenmerken van DF-TFET. Met toenemende werkfunctie verschuift de transferkenmerkencurve naar de positieve richting. Als de werkfunctie varieert van 3,7 tot 4,2 eV, neemt V_th lineair toe van 0 tot 0,5 V terwijl I_ON lineair afneemt van 93,4 tot 18,6 μA/μm. Dit maakt het mogelijk om V_th aan te passen om aan te passen aan verschillende toepassingsvereisten. Figuur 6b toont het effect van samenstellingverhouding X van Si_{1-X}Ge_X. De toename in germanium samenstelling leidt tot het afnemen van de energiebandkloof en het toenemen van het tunnelvenster, zoals getoond in het inset van Fig. 6b. Uiteindelijk resulteert dit in de I_ON toename en de transferkenmerkencurve verschuift naar de negatieve richting. Echter, wanneer X > 0,7, hebben zowel de transferkenmerkencurve als de I_ON weinig verandering met toenemende X. Dit is omdat de kanaalenergiebandstructuur ongevoelig wordt voor X wanneer X > 0,7, zoals getoond in Fig. 6b inset. Figuur 6c, d toont het effect van gate lengte (W_g) en kanaaldikte (H_c) op de transferkenmerken. Het inset van Fig. 6c toont de afmetingen van het apparaatkanaal onder verschillende W_g. Het is niet moeilijk te observeren uit Fig. 6d dat DF-TFET I_ON afname zal lijden wanneer H_c zowel te klein als te groot wordt. Dus, een passende H_c zal de apparaatprestaties ten goede komen.

Om het potentieel van DF-TFET in ultra-laag-vermogen toepassingen te begrijpen, toont Tabel 2 een prestatievergelijking van verschillende TFETs met DF-TFET. Vergeleken met TFETs met een traditionele zwaar gedopeerde p-n tunneljunctie, heeft DF-TFET duidelijke voordelen op SS en schakelverhouding. Dit is te danken aan de kenmerken van DF-TFET door het gebruik van elektrostatische doping. Vergeleken met andere dopingloze TFETs, heeft DF-TFET duidelijke voordelen op I_ON. Dit is vanwege de verbeterde tunnelsnelheid door het gebruik van lijntunneljunctie en SiGe materiaal. Door de voordelen van p-n tunneljunctie en dopingloze tunneljunctie te combineren, kan DF-TFET hoge werkstroom en lage statische stroomverbruik in ultra-laag-vermogen toepassingen bieden.

Conclusie

In dit werk wordt een nieuwe DF-TFET voorgesteld en de elektrische kenmerken geanalyseerd door simulatiemethode. De structuurkenmerken, fysieke mechanisme, prestaties met verschillende parameters en analoge/RF prestaties van DF-TFET worden besproken en bestudeerd. Dankzij de dopingloze vin-structuur kanaal, stack gate dielectrica, SiGe kanaalmateriaal en hoge-efficiënte lijntunneljunctie, kunnen goede prestaties in schakelkenmerken en analoge/RF kenmerken worden verkregen. Bovendien, door de vorming van de abrupte p-n junctie in het fabricageproces te vermijden, kunnen uniforme doping met hoge consistentie en hoge robuustheid op procesfluctuaties worden bereikt. Simulatieresultaat toont aan dat I_ON van 58,8 μA/μm, schakelverhouding van 12 orders van grootte, geen duidelijke ambipolaire effecten, SS_min van 2,8 mV/dec en f_T van 5,04 GHz kunnen worden bereikt door DF-TFET. Met de grote werkstroom, hoge schakelverhouding, steile SS, goede betrouwbaarheid, stabiel fabricageproces en goede fabricagebaarheid, kan het verwacht worden als een van de veelbelovende kandidaten voor de toekomstige lage-vermogen IC en gevoelige sensor toepassingen.

Beschikbaarheid van data en materialen

Niet van toepassing (Dit manuscript is een puur theoretische studie over analoge/RF prestaties van TFET. De simulatiegegevens zijn in dit manuscript gegeven en hoeven hier niet beschreven te worden).

Afkortingen

DF-TFET:

Dopingloze vin-vormige SiGe kanaal TFET

ICs:

Geïntegreerde schakelingen

TGTFET:

T-vormige gate dubbele source TFET

DL-TFET:

Dopingloze TFET

I_ON:

On-state stroom

I_OFF:

Off-state stroom

SS_min:

Minimum subdrempelhelling

SS_avg:

Gemiddelde subdrempelhelling

C_gg:

Gate capaciteit

C_gd:

Gate-naar-drain capaciteit

f_T:

Afsnijfrequentie

GBW:

Winst-bandbreedteproduct

λ:

Effectieve afschermingslengte

m*:

Effectieve drager massa

E_g:

Energiebandkloof

ΔΦ:

Effectief afschermingsenergievenster

W_g:

Lengte van gate

W_Gap:

Lengte van gap

T_ox:

Stack gate oxide dikte

H_c:

Kanaaldikte

φ_Gate/φ_Drain:

Gate en drain werkfunctie

V_DS:

Drain-naar-source spanning

V_GS:

Gate-naar-source spanning