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        一種具有方筒型柵和浮柵的可編程靜電場效應(yīng)晶體管

        2021-11-02 11:48:14尚經(jīng)國劉傳家
        微處理機 2021年5期
        關(guān)鍵詞:漏極勢壘柵極

        尚經(jīng)國,劉 溪,劉傳家

        (沈陽工業(yè)大學信息科學與工程學院,沈陽110870)

        1 引言

        自金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管(MOSFET)問世以來,便被作為柵控器件,以其靜態(tài)工作電流小、開關(guān)速度快以及面積小、便于集成等特點,廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)生活的方方面面。由于摩爾定律的存在,集成電路的集成度己由最初的幾千門增長到了數(shù)十億門的規(guī)模,隨之也對MOSFET提出了越來越高的要求[1]。目前對MOSFET的主流研究集中在兩方面,一方面是提高集成度,令MOSFET等比例縮小。但隨著特征尺寸進入納米級,短溝道效應(yīng)變得不可忽視,摻雜工藝的難度也在提高。為了降低短溝道效應(yīng),可采用多柵結(jié)構(gòu)提高柵控能力[2-4];工藝上以肖特基勢壘代替MOSFET的PN結(jié)勢壘,很大程度上避開了摻雜高濃度PN結(jié)勢壘的難題[5]。另一方面是提高MOSFET的性能。由于MOSFET采用漂移擴散物理機制,主要電流為熱激發(fā)電流,亞閾值擺幅在室溫下的降幅存在極限。隧穿場效應(yīng)晶體管(TFET)以隧穿效應(yīng)作為導(dǎo)通機理,利用的是量子力學效應(yīng)而非傳統(tǒng)熱力學注入,其獲得的亞閾值擺幅明顯突破了傳統(tǒng)MOSFET晶體管的極限[6]。在結(jié)構(gòu)中引入輔助柵和浮柵的設(shè)計,更能進一步提高器件性能,不僅能更好地抑制反向漏電流,還可通過設(shè)置不同極性的電壓形成不同的導(dǎo)通類型,顯著提高了器件的兼容性[7-10]。

        2 器件結(jié)構(gòu)及工作機理

        2.1 結(jié)構(gòu)與參數(shù)設(shè)計

        如圖1所示,是所設(shè)計的新型可編程靜電場效應(yīng)晶體管在Silvaco TCAD軟件中生成的俯視截面圖。圖中明顯可見兩側(cè)由二氧化鉿為介質(zhì)材料的浮柵結(jié)構(gòu)與上下由普通硅介質(zhì)圍成的方筒型柵結(jié)構(gòu)。

        圖1 器件結(jié)構(gòu)俯視圖

        沿圖1中切線A截出的主視圖如圖2所示,關(guān)鍵參數(shù)已在其中標注。由截面圖可見,該器件結(jié)構(gòu)包括硅體圍柵和用于對浮柵充電的方筒型柵。圍柵包裹住源漏極和硅體,控制硅體的四個側(cè)面;方筒型柵控制硅體的中心位置。源漏極對稱分布,因此具有可互換性。

        圖2 器件結(jié)構(gòu)主視圖及關(guān)鍵參數(shù)標注

        沿圖1中切線B截出的側(cè)視圖如圖3所示,關(guān)鍵參數(shù)已在其中標注。其中,Wfg是浮柵的寬度;W是硅體的寬度;hfg是浮柵高度;Lfg是浮柵的長度;WSD是源漏極的寬度;L是硅體長度;h是硅體高度;tHfO2則是HfO2絕緣層的厚度。

        圖3 器件結(jié)構(gòu)側(cè)視圖及關(guān)鍵參數(shù)標注

        各參數(shù)的詳細仿真數(shù)值如表1所示。

        表1 參數(shù)數(shù)值

        2.2 器件工作機理

        在該設(shè)計中,源級和漏極采用金屬結(jié)構(gòu),與硅體形成肖特基勢壘,通過帶帶隧穿效率使載流子形成導(dǎo)通電流。通過方筒型柵極給浮柵充入電荷,依靠浮柵內(nèi)的電荷控制硅體內(nèi)部導(dǎo)帶和價帶的彎曲來形成遂穿電流。

        以N型為例,當柵極為負電壓且電壓較大時,浮柵被充入正電荷;當柵極和浮柵都為正向偏置時,由源區(qū)的帶帶隧穿產(chǎn)生主要的電子空穴對,硅體受正電荷影響,能帶向下彎曲,源極價帶中的電子將會發(fā)生隧穿來到導(dǎo)帶,通過導(dǎo)帶流入柵極,形成導(dǎo)通電流。此時電子從源極到漏極沒有形成勢壘。若柵極為反偏,浮柵保持正偏不變,則電子空穴對主要由漏區(qū)帶帶隧穿產(chǎn)生;電子流向漏極,但正偏的浮柵極會對空穴形成一個潛在的勢壘,從而有效地阻止空穴從漏極向源極的流動,漏電流因此大為減小。

        3 仿真與分析

        采用仿真軟件Silvaco TCAD對所設(shè)計器件結(jié)構(gòu)進行仿真??紤]到器件的特點,調(diào)用的仿真分析模型 包 括consrh、boltzman、band gap narrowing、auger以及bbt.std等。

        仿真首先得到不同浮柵電壓條件下的柵極電壓與漏極電流的轉(zhuǎn)移特性曲線,如圖4中各圖所示。

        圖4 仿真所得不同條件下的轉(zhuǎn)移特性曲線

        如圖4(a)展示的是在漏極外加固定電壓0.2V且源極接地(Vs=0V)時,以浮柵電荷量qfgate為參數(shù)的Vgs-Idrain轉(zhuǎn)移特性曲線。由曲線可知,柵電極Vgs作為開關(guān)控制著整體器件的開啟與關(guān)斷,通過改變浮柵電荷量的正與負,可直接改變器件操作類型(NMOSFET或P-MOSFET)。

        由圖4(b)可以看出,當浮柵電荷量為正值時,整體器件可作為N-MOSFET使用。當qfgate為定值時,隨著Vgs正向增大,圍柵對溝道的柵控作用增強,溝道內(nèi)的電子不斷的聚集并從源極不斷流向漏極,使漏極電流逐漸增大。當Vgs固定在某一個負向電壓時,隨著浮柵電荷量的減小,浮柵對溝道水平部分的柵控能力減弱,使漏極電流逐漸減弱;當Vgs固定在某個正向電壓時,浮柵電荷降至1.92×10-18C時,浮柵影響減弱,硅體內(nèi)能帶彎曲程度降低小,隧穿幾率隨之降低。隧穿電流的減少導(dǎo)致正向?qū)娏饕搽S之降低。

        由圖4(c)可以看出,當浮柵電荷量為負值時,器件被轉(zhuǎn)換為P-MOSFET工作模式,當qfgate為定值時,隨著Vgs反向增大,圍柵對溝道的柵控作用增強,溝道內(nèi)的空穴不斷的聚集并不斷從漏極流向源極,漏極電流隨之增大;當Vgs固定在某一個正向電壓時,隨著浮柵電荷量的減小,浮柵對溝道水平部分的柵控能力減弱,使漏極電流逐漸減小。當Vgs固定在某個反向電壓時,浮柵電荷降至-1.92×10-18C時,浮柵影響減弱,硅體內(nèi)能帶彎曲程度降低小,隧穿幾率隨之降低,隧穿電流的減少導(dǎo)致正向?qū)娏饕搽S之降低。

        再對所設(shè)計器件的充電電荷時間進行仿真,得到的結(jié)果如圖5所示。

        圖5 浮柵充入電荷量與時間關(guān)系仿真曲線

        在仿真中,預(yù)設(shè)金屬柵極電壓為-1.4V,方筒型柵極會對浮柵充正電荷。得到的浮柵電荷分別為1.92×10-8C,3.2×10-18C,4.8×10-18C,9.6×10-18C所對應(yīng)的時間點。由圖5曲線可以看到,當浮柵內(nèi)部存入正電荷后會使充入等間距差值電荷所用的時間變長,符合理論的預(yù)期。

        4 結(jié)束語

        改進后的具有方筒型柵和控浮柵的可編程式靜電場效應(yīng)晶體管,通過方筒柵極給浮柵充電,可以在工作狀態(tài)下減少一個電極,降低了功耗。浮柵電荷性質(zhì)的不同可以實現(xiàn)不同的類型的MOSFET的切換,并且能夠降低反向漏電流,大大改善器件性能。高勢壘肖特基接觸也會降低熱激發(fā)電流,提高隧穿電流的比例,進而降低亞閾值擺幅,提高開關(guān)電流比,都使得本設(shè)計的新型FET結(jié)構(gòu)具有巨大的技術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景。

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