李 鑫，劉 溪

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

1 引言

根據(jù)摩爾定律，器件數(shù)量的增多也將預(yù)示著器件尺寸的減小。隨著器件尺寸的不斷減小，降低功耗成為了集成電路設(shè)計(jì)的關(guān)鍵問(wèn)題。現(xiàn)如今，CMOS工藝技術(shù)已經(jīng)進(jìn)入14 納米時(shí)代[1]，尺寸還在繼續(xù)縮小，力爭(zhēng)達(dá)到7 納米。然而，隨著器件尺寸的減小，一系列問(wèn)題也隨之而來(lái)，例如短溝道效應(yīng)，即根據(jù)源漏區(qū)距離不斷縮短，溝道內(nèi)電場(chǎng)的分布發(fā)生變化。又例如熱載流子注入效應(yīng)對(duì)亞閾值擺幅特性產(chǎn)生影響等問(wèn)題。在此提出一種具有兩側(cè)等號(hào)形主控制柵的晶體管結(jié)構(gòu)，并在中間增加輔助柵來(lái)更好控制有效溝道長(zhǎng)度[2]。傳統(tǒng)肖特基勢(shì)壘金屬氧化物場(chǎng)效應(yīng)晶體管是通過(guò)降低勢(shì)壘的高度來(lái)產(chǎn)生大的電流，與此不同的是，本結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)禁帶電子勢(shì)壘的提高，降低由熱電子激發(fā)產(chǎn)生的電流，并增大體硅與源漏電極接觸界面作為正向?qū)ǖ闹饕獋鲗?dǎo)機(jī)制，形成帶帶隧穿，使器件具有高導(dǎo)通電流、低亞閾值擺幅和低靜態(tài)功耗的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)比傳統(tǒng)隧穿晶體管更大的開(kāi)啟電流，而且由于結(jié)構(gòu)的對(duì)稱(chēng)性更便于集成。

2 器件工作原理

在對(duì)器件的設(shè)計(jì)中，源、漏電極均采用金屬材質(zhì)，電極與半導(dǎo)體硅接觸形成金屬結(jié)。金屬結(jié)在源漏區(qū)形成阻擋接觸即肖特基勢(shì)壘[3]。載流子發(fā)生帶帶隧穿形成導(dǎo)通電流。

在結(jié)構(gòu)中，有一個(gè)兩側(cè)主控制柵極和一個(gè)中央輔助柵極。兩側(cè)的主控制柵極形為“等號(hào)”，主要利用帶帶隧穿作為正向?qū)娏鞯闹鲗?dǎo)物理機(jī)制，即利用突變金屬結(jié)在半導(dǎo)體處提供一個(gè)比P垣/N垣結(jié)更強(qiáng)烈的帶帶隧穿，同時(shí)還能阻擋熱電子發(fā)射電流。兩側(cè)主控制柵極主要控制源、漏區(qū)。中央輔助控制柵極的導(dǎo)通機(jī)制與傳統(tǒng)MOSFET 導(dǎo)通機(jī)制相同，為阻擋價(jià)帶電流的產(chǎn)生，在此特別引入輔助柵結(jié)構(gòu)以控制體硅區(qū)。

以N 型場(chǎng)效應(yīng)晶體管為例，兩側(cè)主控制柵極和中央輔助柵極均為正向偏置，帶帶隧穿所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)均由源極提供[4]。電子從源極流出，在兩側(cè)主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側(cè)，隨著電子不斷地增加積累，電子從源極持續(xù)流向漏極形成漏電流，使器件導(dǎo)通。相反，保持兩側(cè)主控制柵極正向偏置不變，令中央輔助柵極反向偏置，電子同樣從源極流出匯集在溝道兩側(cè)并流向漏極。但中央輔助柵極反向偏置會(huì)阻擋電子流向漏極，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

P 型同N 型原理相同，兩側(cè)主控制柵極的中央輔助柵極均為反向偏置，帶帶隧穿所產(chǎn)生的電子空穴對(duì)由源極提供?？昭◤脑礃O流出，在兩側(cè)主控制柵極的控制下匯集在溝道兩側(cè)，隨著空穴不斷地增加積累，空穴從源極持續(xù)流向漏極形成漏電流，使器件導(dǎo)通。反之，保持兩側(cè)主控制柵極反向偏置，將中央輔助柵極改為正向偏置，空穴從源極流出匯集在溝道兩側(cè)并流向漏極[5]。但中央輔助柵極正向偏置會(huì)阻擋空穴向漏極流通，使器件處于關(guān)斷狀態(tài)。

3 仿真與分析

使用Silvaco TCAD 半導(dǎo)體仿真軟件進(jìn)行模型結(jié)構(gòu)仿真[6]。結(jié)構(gòu)所采用的模型有玻爾茲曼統(tǒng)計(jì)分布函數(shù)（Boltzman Distribution Model）、俄歇復(fù)合模型（Auger Recombination Model）、肖克基復(fù)合模型（Consrh Model）、能帶變窄模型（Band Gap Narrowing Model）以及帶-帶隧穿標(biāo)準(zhǔn)模型（A Standard Band to Band Tunneling Mode Ibbt.std）。

3.1 器件結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)

所設(shè)計(jì)的高肖特基勢(shì)壘的高性能隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管的結(jié)構(gòu)如圖1 所示。這是一種具有等號(hào)形主控制柵的中央輔助柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，它除了具備源極和漏極之外，還具有兩側(cè)等號(hào)形主控制柵極和中央輔助控制柵極。圖中，W是溝道寬度；L是溝道長(zhǎng)度；Wg是兩側(cè)主控制柵極寬度；Wg1是中央輔助柵極寬度；Lg是兩側(cè)主控制柵極長(zhǎng)度；Lg1是中央輔助柵極長(zhǎng)度；LS、LD是源、漏電極長(zhǎng)度；WS、WD是源、漏電極寬度；tOX是柵氧化層厚度。各參數(shù)的具體數(shù)值如表1 所示。

圖1 器件結(jié)構(gòu)示意圖及參數(shù)標(biāo)注

表1 參數(shù)數(shù)值

3.2 仿真結(jié)果

經(jīng)過(guò)仿真，得到具有等號(hào)型主控制柵極的中央輔助柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的以中央輔助柵極Vg1為參數(shù)的Vg1-IDS特性曲線，如圖2 所示。實(shí)驗(yàn)中漏極為固定電壓0.1V 且源極接地。通過(guò)仿真曲線可以看出，改變Vg1的電壓正、反偏置可以相應(yīng)地改變器件的類(lèi)型（N-MOSFET 或P-MOSFET）。不論是對(duì)N-MOS FET 或P-MOSFET 操作，中央輔助柵極Vg1對(duì)該結(jié)構(gòu)的晶體管都具有開(kāi)關(guān)作用。

圖2 Vg1-IDS 特性仿真曲線

由圖可見(jiàn)，Vg1＞0 時(shí)，該器件表現(xiàn)為N 型。中央輔助柵極電壓的變化對(duì)正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏饔绊懖淮螅瑢?duì)器件靜態(tài)漏電流影響較為明顯[7]。隨著Vg1的正向增大，靜態(tài)漏電流逐漸降低。由于靜態(tài)工作區(qū)的柵級(jí)電壓極小，此時(shí)主要電流是載流子的熱激發(fā)運(yùn)動(dòng)所產(chǎn)生的。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區(qū)域的能帶彎曲程度越來(lái)越大，對(duì)電子的阻擋更強(qiáng)烈，導(dǎo)致流過(guò)中央輔助控制柵極的電子數(shù)量減小，電流降低。

同理，Vg1＜0 時(shí)，該器件表現(xiàn)為P 型。中央輔助柵極電壓的變化對(duì)正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏饔绊懖淮螅瑢?duì)器件靜態(tài)漏電流影響較為明顯。隨著Vg1的反向增大，靜態(tài)漏電流逐漸降低。同樣由于靜態(tài)工作區(qū)的柵壓較小，其主要電流仍為載流子的熱激發(fā)運(yùn)動(dòng)。隨著中央輔助柵極電壓的增加，其控制區(qū)域的能帶彎曲程度越來(lái)越大，對(duì)空穴的阻擋更強(qiáng)烈，導(dǎo)致流過(guò)中央輔助控制柵極的空穴數(shù)量減小，電流降低。

圖3 所示為以絕緣氧化層厚度tOX作為可變參數(shù)，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地、中央輔助控制柵極為固定電壓0.5 V 條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖可見(jiàn)，絕緣氧化層選取0.5nm 和11nm 兩個(gè)厚度值。當(dāng)氧化層厚度為1nm 時(shí)，正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏靼l(fā)生明顯降低且正向?qū)娏鹘档蛿?shù)值大于反向泄漏電流，反而對(duì)靜態(tài)工作電流沒(méi)有太大影響。由于絕緣氧化層的厚度增加、柵極電壓不變所產(chǎn)生的電場(chǎng)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致載流子的帶帶隧穿能力會(huì)隨之降低，導(dǎo)致電流減小。

圖3 以絕緣氧化層厚度為參數(shù)的特性曲線

圖4 所示為以絕緣氧化層材料厚度作為可變參數(shù)，漏極外加0.1V 固定電壓及源極接地，中央輔助控制柵極為固定電壓0.5V 條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線。由圖中可見(jiàn)，材料選取二氧化硅和二氧化鉿兩種。與二氧化鉿相比，二氧化硅作為絕緣氧化層材料使正向?qū)娏骷胺聪蚵╇娏骶鶞p小，氧化層材料對(duì)靜態(tài)漏電流并沒(méi)有太大影響，但二氧化鉿的導(dǎo)電性能優(yōu)于二氧化硅[8]。由于二氧化鉿是高介電常數(shù)材料，禁帶寬度較大，不僅可增強(qiáng)柵極對(duì)溝道中載流子的控制能力，還可降低載流子的熱激發(fā)效應(yīng)，造成正向?qū)娏骱头聪蚵╇娏魍瑫r(shí)增大的結(jié)果。

圖4 以絕緣氧化層材料為參數(shù)的特性曲線

4 結(jié) 束 語(yǔ)

提出的一種基于肖特基勢(shì)壘的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管，通過(guò)結(jié)合TFET 和MOSFET 的不同優(yōu)點(diǎn)，對(duì)器件的各方面進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化以達(dá)到最佳特性。等號(hào)形主控制柵的中央輔助控制柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件不僅結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)還通過(guò)結(jié)構(gòu)的U 型溝道克服了短溝道效應(yīng)，還提高了導(dǎo)通電流，降低了亞閾值擺幅數(shù)值和靜態(tài)功耗，具有很好的發(fā)展前景。