双栅pocket层隧穿场效应晶体管的数值仿真研究

PAGEPAGEI题目双栅pocket层隧穿场效应晶体管的数值仿真研究PAGEPAGE10摘要MOSFET是具有很好的电学特性，但是摩尔定律已接近极限且功耗问题日益显著。为了保证未来集成电路的发展，新型的场效应晶体管的研究开始进入白热化阶段。其中的双栅隧穿场效应晶管（DG-TFET）更是因其具有的亚阈值摆幅低、功耗小、与CMOS工艺有很好的兼容性等优点，被认为是MOSFET的极好的替代者。DG-TFET采用了与MOSFET的掺杂类型不同的源、漏区掺杂类型相反的方式，使得其工作时在栅极电压的作用下，源区与沟道之间的界面发生了电荷隧穿现象，产生了隧穿电流。这就使得DG-TFET的亚阈值摆幅降低到60mV/dec以下，大大降低了功耗，不过开态电流也相应显得较小。为了提高开态电流，本文研究了一种双栅pocket层隧穿场效应晶体管结构，该pocket层可使源区能带抬高、源区表面电势降低，从而使得源区价带与沟道导带重叠区域增大，使得沟道与源区能带隧穿势垒宽度降低，从而提高了载流子隧穿率以达到提高开态电流的目的。并将通过改变该pocket层的厚度以及与沟道之间的距离大小，比较仿真获得器件的性能参数，获得更大的开态电流，更高的电流开关比，更优性能的器件。关键词：双栅隧穿场效应晶体，pocket层，亚阈值摆幅，开态电流，开关电流比ABSTRACTMOSFEThasgoodelectricalpropertiesandpowerconsumptionisbecomingmoreandmoreserious.Inordertoensurethefuturedevelopmentofintegratedcircuits,Theresearchofnewfieldeffecttransistorsbeginstoenterthestageofwhiteheat.BecauseofwhichDG-TFEThavelowersubthresholdswing,LowerpowerconsumptionandgoodcompatibilitywithCMOSprocess,ItisconsideredtobeanexcellentalternativetoMOSFET.Dg-tfetadoptstheoppositedopingmodeofsourceanddrainregion,whichisdifferentfromthedopingtypeofMOSFET,makeitworkundertheactionofgridvoltage,attheinterfacebetweenthesourceregionandthechanneloccursChargetunneling,generatedtunnelingcurrent.Thisreducesthesubthresholdswingofdg-tfettolessthan60mV/dec,greatlyreducedpowerconsumption,however,theon-statecurrentisrelativelysmall.Inordertoincreasetheonstatecurrent,inthispaperthestructureofadoublegatepocketlayertunnelingFETisstudied,Thepocketlayercanraisetheenergybandofthesourceregionandreducethesurfacepotentialofthesourceregion,sothen,theoverlappingareaofthepricebandandthechannelguidebandinthesourceareaincreases,Thebarrierwidthofenergybandtunnelinginchannelandsourceregionisreduced,Thecarriertunnelingrateisincreased,sothen,Thepurposeofincreasingtheopenstatecurrentisachieved.Itwillalsochangethethicknessofthepocketlayerandthedistancebetweenthepocketlayerandthechannel,Compareperformanceparametersfromsimulationandofthedevice,getmoreOn-statecurrent,highercurrentswitchratio,andbetterdeviceKeywords:Doublegatetunnelingfieldeffectcrystal,Pocketlayer,SubthresholdSwing,On-statecurrent,Switchcurrentratio

目录TOC\o"1-3"\h\u15184摘要 I30465ABSTRACT II9747第1章绪论 1166721.1TFET研究背景和意义 1192281.2TEFT研究现状 1245571.3本文研究内容和目的 231896第2章双栅隧穿场效应晶体管 3314712.1DG-TFET的结构 345662.2DG-TFET的工作原理与基本性能 410895第3章双栅pocket层隧穿场效应晶体管仿真研究 5201053.1双栅pocket层隧穿场效应晶体管的结构 5176323.2双栅pocket层场隧穿效应晶体管工作原理 5299443.3双栅pocket层隧穿场效应晶体管的建模与仿真 6157493.4双栅pocket层场隧穿效应晶体管的结构优化 825299第4章总结与展望 10绪论TFET研究背景和意义1946年2月14日，这是世界上第一台通用计算机“ENIAC”诞生的日子。这是一个庞然大物，用了整整18000个电子管，占地170平方米，重达30吨，耗电功率约150千瓦，每秒钟可进行5000次运算；现在看来，这似乎不值一提，但在当时，却是质的飞跃。从1906年，人们发明出第一个电子管，到1946年第一台电子管计算机的诞生，整整40年。但很显然，这样的庞然大物是不可能成为世界主流，所以在1960年的时候，第一块硅集成电路问世了，而后的6年里更是发展迅速，1966年第一块基于COMS标准工艺制作的超大规模集成电路诞生，此后，集成电路的发展更是飞速提升；就拿英特尔公司制造的PC的CPU为例，从最初的奔腾一代，到如今的i9十代，集成度越来越大，尺寸却越来越小，运算速度是越来越快，功耗却越来越小。在1965年，\t"/item/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B/_blank"英特尔创始人之一\t"/item/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B/_blank"戈登·摩尔（GordonMoore）提出了计算机第一定律“摩尔定律”：当价格不变时，\t"/item/%E6%91%A9%E5%B0%94%E5%AE%9A%E5%BE%8B/_blank"集成电路上可容纳的元器件的数目，约每隔18-24个月便会增加一倍，性能也将提升一倍。然后随着时间的推移，集成电路工艺的进步，MOSFET尺寸的逐渐减小，终会达到物理极限，摩尔定律也终将不再成立，为了解决这样的问题，TEFT应运而生；隧道场效应晶体管（TFET）具有极其优异的亚阈值特性，MOSFET在室温下的亚阈值摆幅大于等于60mV/dec；而TFET基于量子隧道效应，其亚阈值摆幅可以突破MOSFET最小值达到更低，并且具有较低的开关功耗，较小的关态泄漏电流，所以TFET是传统MOSFET极佳的替代品之一。TEFT研究现状由于TFET与传统MOS管相比具有极大的优势，导致了国内外专家学者对其广泛的关注与探讨。近年来，出现了大量TFET器件研究的文章。北京大学于2011

年提出双围栅结构的

TFET，该结构具有较强的栅控制能力，可以改善亚阈值，有效抑制了短沟道效应。此外，该结构还提升了器件的驱动能力，改善了器件的整体性能

。次年，复旦大学学者研究发现横向场效应晶体管，其带带隧穿效应发生在平行于栅介质方向。而纵向场效应晶体管是发生在垂直于栅介质方向。通过仿真优化发现，增大源区的掺杂浓度、降低栅氧化层的厚度、用高介电常数的栅氧化层皆可有效提高开态电流。两种结构的

SS

也都小于

60mV/dec，静态漏电流也较为理想

。同年，东芝，英特尔，台积电，三星也都相继提出TFET器件更优于传统MOSFET的观点，并发表论文，投入研究，寻找新的材料，如石墨烯。而宾利法尼亚大学的研究者们还提出了基于TFET的布尔逻辑门。研究发现，与传统CMOS相比，相同的逻辑所需的TFET数目更少。除此之外，他们还发现硅基TFET相较于常规MOSFET性能更优。华为公司于2015年研发出互补型DG-TFET，并申请专利。意法半导体于2016年提出垂直鳍式TFET，随后中芯国际IC制造有限公司也申请了有关鳍式TFET工艺制备方法的 专利，并将其作为主要的研究对象。印度理工学院于2017年发表了一篇论文，该论文提出一种新的环栅TFET，该结构能有效增大栅氧化层与沟道的重叠面积，使得TFET在开态时具有更大的效隧穿面积，从而增大了器件开态电流，大幅改了器件的性能。本文研究内容和目的本文研究了一种双栅pocket层隧穿场效应晶体管结构，该结构在DG-TFET的基础上，在源区加入pocket层。使用Silvaco-TCAD软件对该器件进行数值仿真研究，再结合DG-TFET进行对比，得到更优的器件结构。研究内容分为两部分，第一部分是对有无pocket层的DG-TFET仿真数据对比；第二部分是根据仿真结果对双栅pocket层隧穿场效应晶体管的结构进行优化。本文最后，是论文的结论以及对集成电路未来的展望。

双栅隧穿场效应晶体管双栅隧穿场效应晶体管是一种新型晶体管。1973

年，H.Kisaki等人首次提出了隧穿晶体管这一设计，并获得了广泛关注。然后P.F.Wang等人于2007年率先将它取代传统的MOS晶体管用于集成电路的开发，并取得很好的效果。双栅隧穿场效应晶体管工作时基于电荷隧穿机制，因此摆脱了传统热电效应晶体的扩散漂移工作机制的束缚，其亚阈值摆幅能够低于60mV/dec。DG-TFET的结构DG-TFET的结构与传统MOS的结构类似，都由源区、漏区、沟道、栅极氧化层、栅电级四个部分组成。顾名思义，该结构具有上下两个栅极氧化层和栅电级，对于p型DG-TFET来说，p+区是漏区，i区是沟道区，n+区是源区。图2.1即p型双栅隧穿场效应晶体管。GateSiO2SourceChnaneliDrainSiO2Gate图2.1p型双栅隧穿场效应晶体管对于n型DG-TFET来说，p+区是源区，i区是沟道区，n+区是漏区。图2.2即n型DG-TFETGateSiO2SourceChnaneliDrainSiO2Gate图2.2n型双栅隧穿场效应晶体管DG-TFET的工作原理与基本性能DG-TFET的工作原理是带带隧穿原理，通过比较其关态时能带图和开态时的能带图，可以发现当器件为关态状态时，导带与价带距离较远，源区与沟道能带的隧穿势垒较宽，增大电子束由源区价带隧穿到沟道导带的阻力，从而减小了隧穿几率，顾无电流形成。图2.3DG-TFET关态能带图而当栅极电压逐渐增大，价带与导带距离减小，源区与沟道能带的隧穿势垒变窄，电子束由源区价带隧穿到沟道导带的几率变大，增大了隧穿电流，器件内部形成电流，达到开态状态。图2.4DG-TFET开态能带图

双栅pocket层隧穿场效应晶体管仿真研究双栅pocket层隧穿场效应晶体管的结构从名字我们便能知道，双栅pocket层隧穿场效应晶体管比传统双栅结构多了一个pocket层，pocket层存在于源区与沟道之间，采用超重掺杂方式。图3.1是双栅pocket层隧穿场效应晶体管的结构图，其中源区为P型重掺杂，浓度为1*1020cm3；漏区为N型重掺杂，掺杂2nmGateSiO2Source30nm40nmIDrain30nmSiO2Gate浓度为1*1020cm3；沟道为N型重掺杂，掺杂浓度为1015cm3，pocket层为P型超重掺杂，浓度为1021cm3；器件总长100nm，源漏区各长30nm，沟道长40nm，pocket层厚度为2nm。双栅pocket层场隧穿效应晶体管工作原理双栅pocket层隧穿场效应晶体管的工作原理与TFET基本相同，采用带带隧穿原理，通过较高的栅电压使得沟道的能带下降，增加源区价带与沟道带的重叠面积，减少源区与沟道能带的隧穿势垒宽度，增大电子束由源区价带隧穿到沟道导带的几率，以此增大隧穿电流。本文中提出的结构，通过双栅结构能够更大限度的下拉沟道的能带，增大沟道与源区价带的高度差，增大源区能带与沟道能带的重叠区域。同理，pocket层由于掺杂浓度更大，所以源区靠近沟道处具有更低的电势，即具有更高的能带，其作用便是增大了源区能带高度，使得源区与沟道的能带重叠区域更大。两者的效果相同，且相辅相成，共同增加器件的电学特性，提供较低的亚阈值摆幅，较高的开态电流和较低的静态功耗等。下图3.2和图3.3即分别为DG-TFET能带图和双栅pocket层隧穿场效应晶体管能带图；在图3.3中，我们能看到丛源区左端开始，当靠近隧穿结区域时，源区能带有明显的上升，即隧穿结左侧能带被抬高一定的电子伏特，而沟道区域能带，只受到了栅极电压的作用，相比而言，源区与沟道之间的能带差被提高了，这也使得器件的开态电压下降，隧穿势垒宽度变小，隧穿几率增大，隧穿电流也随之增大，从而降低了平均亚阈值摆幅。图3.2DG-TFET能带图图3.3双栅pocket层隧穿场效应晶体管能带图双栅pocket层隧穿场效应晶体管的建模与仿真使用Silvaco-TCAD建模与仿真后得到如下所示图。图3.4为双栅场效应晶体管，图3.5即双栅pocket层隧穿场效应晶体管；从图中可以发现，双栅pocket层隧穿场效应晶体管即在源区增加了一个较薄的超重掺杂层；图3.4双栅场效应晶体管图3.5双栅pocket层隧穿场效应晶体管图3.6为DG-TFET特性曲线，图3.7为双栅pocket层隧穿场效应晶体管特性曲线。为了便于对比，两者的漏端电压Vd都为0.8V，栅极电压Vgs都为0-2V。从图3.6中可以得出，DG-TFET的关态电流Ioff为8.1*10-18A，开态电流Ion为3.5*10-9A；从而得出开关电流比Ion/Ioff为4.3*108，平均亚阈值摆幅SS为58.3mV/dec；从图3.7中可以得出双栅pocket层隧穿场效应晶体管的关态电流Ioff为8.5*10-18A，开态电流Ion为5*10-6A，从而得出开关电流比Ion/Ioff为5.8*1011,平均亚阈值摆幅SS为52.6mV/dec。从数据中，我们可以看出，加了pocket层的结构，具有更大的开态电流，更大的开关电流比以及更小的平均亚阈值摆幅；由此可以得出，加了pocket层的结构，能更有效地增大了源区能带高度，使得源区与沟道的能带重叠区域更大，更有效的增加隧穿电流，从而达到增加开态电流的目的。图3.6DG-TFET特性曲线图3.7双栅pocket层隧穿场效应晶体管特性曲线如下图3.8和图3.9所示，我们能清楚的看出，双栅pocket层隧穿场效应晶体管隧穿几率明显大于DG-TFET隧穿几率，这也更好的证明了上述结论。图3.8DG-TFET隧穿几率图3.9双栅pocket层隧穿场效应晶体管隧穿几率下图2.0和图2.1分别为DG-TFET表面电势图和双栅pocket层隧穿场效应晶体管表面电势图；在图2.1中，我们发现在靠近隧穿结部分，由于超高浓度pocket层的存在，使得该处电势出现了较为明显的“脉冲”现象，该现象表明，具有pocket层结构的DG-TFET性能已发生改变，其开启电流远远大于没有pocket层的DG-TFET结构。图3.8DG-TFET表面电势图3.9双栅pocket层隧穿场效应晶体管表面电势双栅pocket层场隧穿效应晶体管的结构优化3.4.1pocket层到沟道距离对器件的影响对于双栅pocket层隧穿场效应晶体管的结构优化，本文中主要提出了两点，第一点便是pocket层到沟道之间的距离Le对开态电流的影响，通过选取Le分别为1nm，2nm，3nm，4nm，8nm进行仿真，得到如图2.4所示。从图中我们可以看出，当Le为1nm和2nm时，其开态电流皆为5*10