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        鐵電負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件的研究

        2019-12-17 06:39:04翟亞紅
        壓電與聲光 2019年6期
        關(guān)鍵詞:模型

        李 珍,翟亞紅

        (電子科技大學(xué) 電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,四川 成都 610054)

        0 引言

        隨著微電子芯片集成度的不斷提高,晶體管功耗成為限制其發(fā)展的主要因素。降低器件的亞閾值擺幅(SS)是減小功耗的主要途徑之一。因玻爾茲曼熱力學(xué)限制,在溫度T=300 K時(shí),傳統(tǒng)金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的SS極限值為60 mV/dec。2008年,Salahuddin和Datta提出了用鐵電材料來(lái)置換傳統(tǒng)柵介質(zhì)的概念,此后有許多學(xué)者的研究表明,采用鐵電負(fù)電容結(jié)構(gòu)的負(fù)電容場(chǎng)效應(yīng)晶體管(NCFET)可以突破60 mV/dec的熱力學(xué)限制[1-4]。對(duì)于一個(gè)新型器件的研究,模型的建立是關(guān)鍵環(huán)節(jié)。Girish Pahwa等[5]基于金屬/鐵電/金屬/介質(zhì)層/硅(MFMIS)結(jié)構(gòu)的NCFET結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的BSIM6的本征金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)的模型推導(dǎo)出了NCFET的模型; Hyunjae Lee等[6]通過(guò)半解析的方式推導(dǎo)出了NCFET的電流-電壓模型。

        本文基于MuhammadA.Alam等的NCFET模型,對(duì)模型進(jìn)行了修正,其模型中直接將晶體管柵源電容和柵漏電容簡(jiǎn)化為柵氧化層和源漏的重疊電容。但是柵源電容和柵漏電容還包括與偏壓有關(guān)的柵氧化層電容與耗盡層電容相串聯(lián)的部分電容。二者的電容大小是會(huì)隨著柵源電壓和柵漏電壓變化。在短溝道器件中,柵源電容和柵漏電容不可忽略,因此,本文在建立短溝道NCFET器件模型時(shí),對(duì)其進(jìn)行了修正,基于修正后的模型,仿真分析了鐵電層厚度、等效柵氧化層厚度及不同類(lèi)型的鐵電材料等參數(shù)對(duì)晶體管器件性能的影響。

        1 器件模型及原理

        1.1 鐵電材料的負(fù)電容效應(yīng)

        鐵電材料的自由能U為

        U=αP2+βP4+γP6-EP

        (1)

        式中:α、β和γ為鐵電材料的各向異性參數(shù);E為鐵電材料內(nèi)部的電場(chǎng)強(qiáng)度;P為極化強(qiáng)度。

        描述鐵電材料性質(zhì)的Landau-Khalatnikov (LK)方程為

        (2)

        式中:ρ為極化阻尼參數(shù),與材料有關(guān);t為時(shí)間。

        在準(zhǔn)靜態(tài)下,結(jié)合式(1)、(2)可得鐵電材料兩端的電壓VFE為

        VFE=2αtFEP+4βtFEP3+6γtFEP5

        (3)

        式中tFE為鐵電材料的厚度。

        在鐵電材料中,電場(chǎng)較小時(shí),電容上的電荷量Q和P近似相等,可得鐵電電容CFE的表達(dá)式為

        (4)

        正電容材料的α、β和γ均為正,而鐵電材料中α<0,β可能為正也可能為負(fù),γ≥0。因此,不同于正電容材料的拋物線形狀的能帶圖,與正電容材料的U-P能帶圖(其為開(kāi)口向上的拋物線結(jié)構(gòu))不同,鐵電材料的U-P能帶圖為雙勢(shì)阱結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖1),其有2個(gè)能量最小值,即穩(wěn)定態(tài)A和B,且為正電容區(qū)域,當(dāng)外加電壓V=0時(shí),系統(tǒng)處于穩(wěn)定態(tài),當(dāng)V大于矯頑電壓Vc時(shí),A不再為能量最小值,會(huì)沿著曲線向B移動(dòng),在此過(guò)程中,會(huì)經(jīng)過(guò)負(fù)電容區(qū)域(NC),由圖可知NC并非穩(wěn)定態(tài)。但已有研究[7]表明,通過(guò)串聯(lián)正電容,使串聯(lián)系統(tǒng)對(duì)外部呈現(xiàn)正電容狀態(tài),可以起到穩(wěn)定CFE的作用。在NCFET中,本征MOSFET的總電容可以起到串聯(lián)的正電容作用。

        圖1 鐵電材料U-P能帶圖

        1.2 NCFET器件模型

        NCFET的等效結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。器件的結(jié)構(gòu)為在本征MOSFET的柵氧化層上添加金屬層/鐵電層/金屬層(M/FE/M)。金屬層相當(dāng)于提供了一個(gè)等勢(shì)面[8],結(jié)構(gòu)可等效為鐵電電容串聯(lián)本征MOSFET。其中金屬層為氮化鈦(TiN),鐵電層材料為鋯鈦酸鉛(PbZrTiO3,PZT)壓電陶瓷或鉭酸鉍鍶(SrBi2Ta2O9,SBT)或鈦酸鋇(BaTiO3,BTO)。其等效電容模型如圖3所示。圖中,VGMOS為本征柵極電壓,ΦS為半導(dǎo)體的表面勢(shì),VGNC為外部柵極電壓,VDS為漏源電壓,COX為柵氧化層單位電容,CGS為柵源電容,CGD為柵漏電容,CS為半導(dǎo)體電容。其中CGS和CGD由與偏壓有關(guān)以及與偏壓無(wú)關(guān)的兩個(gè)部分組成,與偏壓無(wú)關(guān)的柵極是和源漏區(qū)直接交疊的氧化層電容,與偏壓有關(guān)的柵電容是柵氧化層電容與耗盡層電容相串聯(lián)的部分。

        圖2 NCFET器件結(jié)構(gòu)模型

        圖3 NCFET等效電容模型

        根據(jù)MEYER模型[9]可知,CGS和CGD均是偏壓的函數(shù)。通過(guò)電容分壓關(guān)系可得VGMOS與VGNC及VFE的關(guān)系:

        VGMOS=VGNC-VFE=VGNC-tFE(2αQ+

        4βQ3+6γQ5)

        (5)

        由式(5)可看出,當(dāng)鐵電電容穩(wěn)定在負(fù)電容區(qū)域時(shí),VFE<0,因此,VGMOS>VGNC,鐵電電容相當(dāng)于起到了一個(gè)電壓放大的作用。

        2 結(jié)果及討論

        2.1 鐵電層厚度

        為了研究不同厚度的鐵電層對(duì)NCFET性能的影響,對(duì)比了tFE分別為0、150 nm、260 nm、330 nm、400 nm和500 nm的NCFET。器件的具體參數(shù)如表1所示。圖4為采用不同tFE的鐵電層器件的VGNC-ID(ID為漏極電流)關(guān)系。由圖可知,與本征MOSFET相比,NCFET的ID更大,且隨著tFE的增加,ID增加。表2為tFE不同時(shí)NCFET的SS。由表可知,SS隨著tFE的增加而減小。

        表1 器件具體參數(shù)

        圖4 采用不同tFE時(shí)鐵電層器件的VGNC-ID關(guān)系

        表2 tFE不同時(shí)NCFET的SS

        將CFE和CMOS串聯(lián)起來(lái)定義NCFET的總電容為CT,并且只有CT為正時(shí),總的系統(tǒng)才處于穩(wěn)定狀態(tài)[10]。鐵電材料具有負(fù)電容效應(yīng)使CFE為負(fù),由此使得CT>CMOS,由于串聯(lián)電容上的電荷量相等,因此VGNC

        (6)

        由式(6)可知,AV可用來(lái)衡量電壓放大的效果。

        由于電壓放大效應(yīng)使得柵極電壓相同時(shí),與本征MOSFET相比,NCFET具有更大的ID。器件的SS[11]為

        (7)

        式中:CG為總的柵電容;q為電子電荷量;k為玻爾茲曼常數(shù);CINT為本征MOSFET的總電容。此時(shí)柵極電容是CFE串聯(lián)COX,當(dāng)CFE

        2.2 等效柵氧化層厚度

        在其他參數(shù)不變的情況下,對(duì)比了等效柵氧化層厚(EOT)分別為0.75 nm、1.00 nm、1.50 nm和4.50 nm的NCFET。其中添加的鐵電層是厚330 nm的PZT。圖5為采用不同EOT器件的VGNC-ID關(guān)系。由圖可知,隨著EOT減薄,ID增加,這是因?yàn)镋OT減小會(huì)使COX增加,進(jìn)而本征MOSFET單位電容CMOS增加,增加后的CMOS和|CFE|更接近,電壓放大效應(yīng)明顯,從而使SS減小(見(jiàn)表3)。

        圖5 采用不同EOT器件的VGNC-ID關(guān)系

        表3 不同等效柵氧化層厚度NCFET的COX、CMOS及SS

        2.3 鐵電材料種類(lèi)

        為了研究不同鐵電材料對(duì)NCFET器件性能的影響,對(duì)比了3種不同鐵電材料(PZT、SBT和BTO)的NCFET。材料的各向異性參數(shù)[8]如表4所示,其中tFE為330 nm時(shí), 等效柵氧化層厚度為1 nm。

        表4 鐵電材料的各向異性參數(shù)

        圖6為采用不同鐵電材料的器件的VGNC-ID關(guān)系。由圖可知,添加了SBT的NCFET的ID最大,其次是PZT及BaTiO3。結(jié)合式(4)及表3可知,CFE主要由鐵電材料的α決定,|α|越大,|CFE|越小,與CMOS越接近,電壓放大效應(yīng)就越好,SS就越小(見(jiàn)表5)。圖7為采用不同鐵電材料的NCFET的電容耦合關(guān)系。由圖可知,當(dāng)CMOS=4.932 9×10-6F/cm2時(shí),添加了SBT的鐵電層的NCFET的|CFE|和CMOS在一定電壓范圍內(nèi)很接近。

        圖6 采用不同鐵電材料器件的VGNC-ID關(guān)系

        表5 不同鐵電材料NCFET的SS

        圖7 采用不同鐵電材料的NCFET的電容耦合關(guān)系

        3 結(jié)論

        本文基于Landau-Khalatnikov理論和器件的短溝效應(yīng),建立了NCFET的器件模型,結(jié)果表明,在系統(tǒng)穩(wěn)定即CT為正,CFE為負(fù)的前提下,|CFE|和CMOS的耦合程度越好,AV就越大,NCFET的SS就會(huì)遠(yuǎn)小于60 mV/dec。

        另外,基于此模型,我們對(duì)NCFET器件性能進(jìn)行了仿真研究,得到了亞閾值擺幅為33.9176 mV/dec的短溝道NCFET的器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)。同時(shí),對(duì)比分析了各種器件參數(shù)對(duì)短溝道NCFET器件性能的影響,仿真結(jié)果表明:

        1) 鐵電層厚度增加,NCFET亞閾值擺幅減小。

        2) 等效氧化層厚度減小,NCFET亞閾值擺幅減小。

        3) 對(duì)比了鐵電材料分別為PZT、SBT和BTO的NCFET的器件性能,由于SBT的|x|最大,而鐵電電容CFE主要是由各向異性參數(shù)α決定的,添加了SBT的鐵電層的NCFET,其鐵電電容CFE和本征MOSFET電容CMOS耦合度更高,其亞閾值擺幅就更小。

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