章徐國 許潔

上海電力大學，中國·上海 200090

1 引言

High-k 側壁可以通過柵邊緣效應增強器件的電流驅動[1]，但這會引入較大的柵極電容（Cgg），且High-k 材料的低熱導率會引入嚴重的自熱效應，對載流子遷移率產生不利影響[2]。

論文通過TCAD 軟件研究了不同側壁設計對DGAA 器件電熱特性的影響，從而更好地進行熱管理和器件設計。

2 器件結構

圖1（a）、（b）分別為DGAA FET 的三維模型示意圖及xz 平面的二維示意圖。其源漏區(qū)設計為長方體[3]。因為塊狀襯底（bulk）相比于SOI 結構成本更低且對SHE 抗擾性更強，這里選用塊體結構作為襯底。由于二氧化硅、氮化硅、氧化鋁和二氧化鉿的熱導率對溫度的依賴性較小，論文將它們設置為常數。論文所涉及的器件參數與熱學參數分別如表1 所示。

圖1 n 型DGAA FET 結構示意圖

表1 仿真涉及的器件參數及熱學參數

3 仿真結果分析

本節(jié)采用控制變量法，固定側壁總長度為6nm，通過調整側壁材料和外層側壁長度（Lsp,out）研究雙層側壁與單層側壁對DGAA 器件電熱性能的影響。圖2（a）為Cgg與τ在不同側壁材料與Lsp,out的變化曲線。因為側壁電容正比于介電常數，所以Cgg與τ隨著Lsp,out的增加呈下降趨勢。如圖2（b），ION隨著Lsp,out的增加先趨于飽和而后又緩慢減小，且ION趨于飽和的范圍與內層側壁（二氧化鉿）所占比例及外層側壁材料相關。對于介電常數較大的外層側壁（氧化鋁、氮化硅），維持ION飽和的條件是二氧化鉿所占比例≥40%，而對于介電常數較小的外層側壁（二氧化硅、空氣），二氧化鉿所占比例≥50%時才能維持穩(wěn)定的ION，即由柵邊緣效應引起的ION增加達到飽和。上述現象的原因是外層側壁對柵邊緣效應也有一定的貢獻，因此具有較大介電常數外層側壁的設計受Lsp,out的影響最小且其ION始終是所有雙層側壁設計中最大的。當Lsp,out＞3.5nm 后，由于柵邊緣效應的減弱，ION隨Lsp,out的增加而惡化。如圖2（c），由于氧化鋁和氮化硅熱導率較高，所以對于氧化鋁/二氧化鉿與氮化硅/二氧化鉿側壁，Rth隨Lsp,out的增加而改善；而二氧化硅與空氣熱導率與二氧化鉿相近，所以二氧化硅/二氧化鉿與空氣/二氧化鉿側壁對DGAA FET 的熱學性能幾乎沒有改善。雖然氧化鋁/二氧化鉿側壁的ION是所有dual-k 設計中最大的，但其憑借最小的Rth得到了最小的Tmax，極大地改善了自熱效應，兼顧了DGAA FET 的電熱性能；而得到最小ION的空氣/二氧化鉿側壁的Tmax卻是最高的，如圖2（d）所示。

圖2 不同側壁設計，Lsp,out 對（a）Cgg、τ、（b）ION、（c）Rth 及（d）Tmax 的影響

當Lsp,out＜3nm 時，由氧化鋁/二氧化鉿側壁的柵邊緣效應導致的ION提升達到飽和，繼續(xù)減少Lsp,out只會增加Cgg與Rth，所以分別取Lsp,out=3、3.5、5、6nm 下的氧化鋁/二氧化鉿側壁與單層二氧化鉿側壁的進行比較。

圖3 為不同Lsp,out下，氧化鋁/二氧化鉿側壁相比于單層二氧化鉿側壁Cgg、τ、ION及Rth的下降率。由于DGAA FET 優(yōu)秀的柵控能力使其處于體反型，繼續(xù)增加Lsp,out對ION的提升有限，但能極大地改善Cgg、τ與Rth。

圖3 不同Lsp,out 下，氧化鋁/二氧化鉿側壁相比于單層二氧化鉿側壁Cgg、τ、ION 及Rth 的下降率

相比于柵邊緣效應剛飽和的氧化鋁/二氧化鉿側壁（Lsp,out=3.5nm），單層氧化鋁側壁的ION惡化了3.7%，而Rth與τ分別改善了9.76%和16.6%，所以對于DGAA 器件，采用單層氧化鋁側壁能夠更好地做到電熱折衷。

4 結論

論文通過TCAD 仿真研究了側壁設計對DGAA FET 中自熱效應的改善程度。仿真結果表明，相比于柵邊緣效應剛飽和的氧化鋁/二氧化鉿側壁，單層氧化鋁側壁的ION僅下降了3.7%，而Rth與τ分別改善了9.76%和16.6%，即單層氧化鋁側壁能夠更好地做到電熱折衷。