尚經(jīng)國(guó),劉 溪,劉傳家
(沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院,沈陽(yáng)110870)
自金屬氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管(MOSFET)問(wèn)世以來(lái),便被作為柵控器件,以其靜態(tài)工作電流小、開(kāi)關(guān)速度快以及面積小、便于集成等特點(diǎn),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(mén)增長(zhǎng)到了數(shù)十億門(mén)的規(guī)模,隨之也對(duì)MOSFET提出了越來(lái)越高的要求[1]。目前對(duì)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(jìn)入納米級(jí),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(shì)壘代替MOSFET的PN結(jié)勢(shì)壘,很大程度上避開(kāi)了摻雜高濃度PN結(jié)勢(shì)壘的難題[5]。另一方面是提高M(jìn)OSFET的性能。由于MOSFET采用漂移擴(kuò)散物理機(jī)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(chǎng)效應(yīng)晶體管(TFET)以隧穿效應(yīng)作為導(dǎo)通機(jī)理,利用的是量子力學(xué)效應(yīng)而非傳統(tǒng)熱力學(xué)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(jì),更能進(jìn)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(guò)設(shè)置不同極性的電壓形成不同的導(dǎo)通類(lèi)型,顯著提高了器件的兼容性[7-10]。
如圖1所示,是所設(shè)計(jì)的新型可編程靜電場(chǎng)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(jiàn)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(xiàn)A截出的主視圖如圖2所示,關(guān)鍵參數(shù)已在其中標(biāo)注。由截面圖可見(jiàn),該器件結(jié)構(gòu)包括硅體圍柵和用于對(duì)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(gè)側(cè)面;方筒型柵控制硅體的中心位置。源漏極對(duì)稱(chēng)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(biāo)注
沿圖1中切線(xiàn)B截出的側(cè)視圖如圖3所示,關(guān)鍵參數(shù)已在其中標(biāo)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(zhǎng)度;WSD是源漏極的寬度;L是硅體長(zhǎng)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(biāo)注
各參數(shù)的詳細(xì)仿真數(shù)值如表1所示。
表1 參數(shù)數(shù)值
在該設(shè)計(jì)中,源級(jí)和漏極采用金屬結(jié)構(gòu),與硅體形成肖特基勢(shì)壘,通過(guò)帶帶隧穿效率使載流子形成導(dǎo)通電流。通過(guò)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(jià)帶的彎曲來(lái)形成遂穿電流。
以N型為例,當(dāng)柵極為負(fù)電壓且電壓較大時(shí),浮柵被充入正電荷;當(dāng)柵極和浮柵都為正向偏置時(shí),由源區(qū)的帶帶隧穿產(chǎn)生主要的電子空穴對(duì),硅體受正電荷影響,能帶向下彎曲,源極價(jià)帶中的電子將會(huì)發(fā)生隧穿來(lái)到導(dǎo)帶,通過(guò)導(dǎo)帶流入柵極,形成導(dǎo)通電流。此時(shí)電子從源極到漏極沒(méi)有形成勢(shì)壘。若柵極為反偏,浮柵保持正偏不變,則電子空穴對(duì)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(huì)對(duì)空穴形成一個(gè)潛在的勢(shì)壘,從而有效地阻止空穴從漏極向源極的流動(dòng),漏電流因此大為減小。
采用仿真軟件Silvaco TCAD對(duì)所設(shè)計(jì)器件結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真??紤]到器件的特點(diǎn),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(xiàn),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(xiàn)
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(shí),以浮柵電荷量qfgate為參數(shù)的Vgs-Idrain轉(zhuǎn)移特性曲線(xiàn)。由曲線(xiàn)可知,柵電極Vgs作為開(kāi)關(guān)控制著整體器件的開(kāi)啟與關(guān)斷,通過(guò)改變浮柵電荷量的正與負(fù),可直接改變器件操作類(lèi)型(NMOSFET或P-MOSFET)。
由圖4(b)可以看出,當(dāng)浮柵電荷量為正值時(shí),整體器件可作為N-MOSFET使用。當(dāng)qfgate為定值時(shí),隨著Vgs正向增大,圍柵對(duì)溝道的柵控作用增強(qiáng),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(dāng)Vgs固定在某一個(gè)負(fù)向電壓時(shí),隨著浮柵電荷量的減小,浮柵對(duì)溝道水平部分的柵控能力減弱,使漏極電流逐漸減弱;當(dāng)Vgs固定在某個(gè)正向電壓時(shí),浮柵電荷降至1.92×10-18C時(shí),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(dāng)浮柵電荷量為負(fù)值時(shí),器件被轉(zhuǎn)換為P-MOSFET工作模式,當(dāng)qfgate為定值時(shí),隨著Vgs反向增大,圍柵對(duì)溝道的柵控作用增強(qiáng),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(dāng)Vgs固定在某一個(gè)正向電壓時(shí),隨著浮柵電荷量的減小,浮柵對(duì)溝道水平部分的柵控能力減弱,使漏極電流逐漸減小。當(dāng)Vgs固定在某個(gè)反向電壓時(shí),浮柵電荷降至-1.92×10-18C時(shí),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(duì)所設(shè)計(jì)器件的充電電荷時(shí)間進(jìn)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(shí)間關(guān)系仿真曲線(xiàn)
在仿真中,預(yù)設(shè)金屬柵極電壓為-1.4V,方筒型柵極會(huì)對(duì)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(duì)應(yīng)的時(shí)間點(diǎn)。由圖5曲線(xiàn)可以看到,當(dāng)浮柵內(nèi)部存入正電荷后會(huì)使充入等間距差值電荷所用的時(shí)間變長(zhǎng),符合理論的預(yù)期。
改進(jìn)后的具有方筒型柵和控浮柵的可編程式靜電場(chǎng)效應(yīng)晶體管,通過(guò)方筒柵極給浮柵充電,可以在工作狀態(tài)下減少一個(gè)電極,降低了功耗。浮柵電荷性質(zhì)的不同可以實(shí)現(xiàn)不同的類(lèi)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(shì)壘肖特基接觸也會(huì)降低熱激發(fā)電流,提高隧穿電流的比例,進(jìn)而降低亞閾值擺幅,提高開(kāi)關(guān)電流比,都使得本設(shè)計(jì)的新型FET結(jié)構(gòu)具有巨大的技術(shù)價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。