楊寶新，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

集成電路設(shè)計(jì)的主要方向是實(shí)現(xiàn)更高的集成度以及更好的性能，而同時(shí)，縮減制造成本也是芯片廠商所喜聞樂(lè)見(jiàn)的。多柵極場(chǎng)效應(yīng)晶體管在近年來(lái)是業(yè)界的主流[1-2]。采用矩形柵極結(jié)構(gòu)的新型晶體管（RGUC-FET）設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)很好的正反向以及亞閾值性能[3]，但在小尺寸下實(shí)現(xiàn)摻雜工藝成本高昂[4-5]。結(jié)合肖特基勢(shì)壘晶體管無(wú)摻雜以及隧穿晶體管的低亞閾值擺幅的優(yōu)點(diǎn)設(shè)計(jì)出的深肖特基勢(shì)壘場(chǎng)效應(yīng)晶體管（HSB-BTFET）可以實(shí)現(xiàn)不錯(cuò)的器件性能[6-8]。相對(duì)來(lái)說(shuō)，器件的水平面積是可以進(jìn)一步優(yōu)化的。在此提出一種高集成雙矩形柵極U形溝道雙向隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管（DRGUC-BTFET）。相比于RGUC-FET以及HSB-BTFET，能夠使用更小的水平芯片面積而做到更好的直流特性。

2 器件結(jié)構(gòu)

DRGUC-BTFET的結(jié)構(gòu)如圖1所示。在設(shè)計(jì)上，柵極圍繞在結(jié)構(gòu)的頂部，硅體被刻蝕成U形結(jié)構(gòu)；通過(guò)對(duì)硅片兩側(cè)的再次刻蝕，將源漏電極插入U(xiǎn)型硅片兩側(cè)垂直部分的一定高度，在源漏電極與溝道接觸位置形成深肖特基勢(shì)壘來(lái)達(dá)到減小反向泄漏電流的目的；柵極和輔助柵極之間通過(guò)絕緣層進(jìn)行隔離；輔助柵級(jí)生成在襯底氧化層的頂部，圍繞水平溝道和部分垂直溝道。DRGUC-BTFET包含U型溝道和矩形環(huán)繞的主控柵極與輔助柵極，有著左右對(duì)稱的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)具有通過(guò)增加縱向溝道高度來(lái)增加有效溝道長(zhǎng)度的特性，矩形環(huán)繞的主控柵極與矩形環(huán)繞的輔助柵極對(duì)源漏區(qū)與溝道實(shí)現(xiàn)完全包裹，控制能力相比于先前的柵極結(jié)構(gòu)有較大增強(qiáng)。最主要的是，環(huán)形柵極結(jié)構(gòu)在不改變電學(xué)特性的基礎(chǔ)上，大大降低了器件的工藝難度及水平面積，降低了生產(chǎn)成本。

圖1 DRGUC-BTFET結(jié)構(gòu)圖

圖中，hMG為主控柵極的高度；hAG為輔助柵極的高度；hSP是主控柵極與輔助柵極之間的隔離層高度；LBSD是源極電極和漏極電極之間的距離；tGO是柵極氧化層的厚度；hVB和hHB分別是垂直和水平溝道的高度；Le是源/漏電極的長(zhǎng)度；he是源/漏電極的插入高度；heb是源/漏電極和溝道底部之間的距離。

U形溝道用于增加有效溝道長(zhǎng)度，減小短溝道效應(yīng)。主控柵極控制靠近源區(qū)和漏區(qū)的溝道的上部垂直部分，輔助柵極控制溝道的下部垂直部分和水平部分。

3 對(duì)比分析

在此將提出的DRGUC-BTFET與同一課題組先前提出的HSB-BTFET以及RGUC-FET的性能進(jìn)行比較。如圖2所示為HSB-BFET結(jié)構(gòu)圖。其中W為溝道寬度，Li為源/漏電極到中心的輔助柵極的本征溝道距離，LSD為源漏電極的寬度，LSD為源漏電極的長(zhǎng)度，ttunnel為發(fā)生隧道效應(yīng)位置的本征硅的厚度，tox為柵極氧化層的厚度，LAG為輔助柵極的長(zhǎng)度，H為整體溝道的高度。

圖2 HSB-BTFET結(jié)構(gòu)圖

如圖3所示為RGUC-FET的結(jié)構(gòu)圖。其中hGATE為主控柵極的高度，tbh為垂直部分的體硅高度，tbv為水平方向上的體硅的長(zhǎng)度，tsp為隔離形成U形溝道的隔離層的厚度，W為垂直部分溝道的寬度，tox為柵極氧化層厚度，tgate為主控柵極厚度。

圖3 RGUC-FET結(jié)構(gòu)圖

如圖4所示為DRGUC-BTFET、HSB-TFET以及RGUC-FET之間的傳輸特性比較。具體器件參數(shù)在圖中給出。

圖4 三種FET結(jié)構(gòu)的傳輸特性曲線比較

從圖中可以看出，DRGUC-BTFET實(shí)現(xiàn)了比RGUC-FET更好的正向?qū)ㄌ匦院透盖偷膩嗛撝敌甭?。更值得說(shuō)明的是，DRGUC-BTFET在柵極電壓反向偏置時(shí)具有更低的漏電流，從而會(huì)有更低的靜態(tài)功耗和更低的反向漏電流。本設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)更低的亞閾值擺幅，同時(shí)將器件的水平面積減小到相當(dāng)于RGUC-FET的四分之一，且無(wú)需摻雜工藝；相比于HSB-BTFET，也可以實(shí)現(xiàn)更好的直流特性，同時(shí)將水平面積減少到約十分之一。性能提升的主要原因在于DRGUC-BTFET的柵極和輔助柵極之間的隔離距離增加到了10nm，兩個(gè)柵極相互影響變得很小。如圖5所示為截止?fàn)顟B(tài)下DRGUC-TFET的垂直溝道部分的二維電場(chǎng)強(qiáng)度分布以及空穴濃度分布圖，此時(shí)柵極電壓為-0.8V。

圖5 垂直溝道部分電分布曲線圖

從圖中可以看出，柵極與輔助柵極之間區(qū)域的最強(qiáng)電場(chǎng)強(qiáng)度小于1×106V/cm。當(dāng)柵極電壓反向偏置時(shí)，垂直溝道的上部分電場(chǎng)強(qiáng)度很高，在強(qiáng)電場(chǎng)的激發(fā)下產(chǎn)生大量載流子，但在主控柵極與輔助柵極隔離層部分的電場(chǎng)強(qiáng)度以及空穴濃度都大大降低。此區(qū)域?yàn)楦綦x區(qū)域，由絕緣材料組成，并沒(méi)有強(qiáng)大的電勢(shì)差來(lái)發(fā)生大量的隧穿。相對(duì)于溝道的其他部分，隔離層的空穴濃度要低的多，此處的溝道相當(dāng)于一段電阻很大的區(qū)域。

DRGUC-BTFET金屬電極部分與溝道形成的高肖特基勢(shì)壘完全阻斷了激發(fā)的電子從源極進(jìn)入溝道的流動(dòng)，在關(guān)斷狀態(tài)時(shí)源極與溝道之間得到很強(qiáng)的電阻。通過(guò)充分利用縱向空間，保持柵極和輔助柵極之間合理的距離，減小主控柵極與輔助柵極相互間的電場(chǎng)影響。同時(shí)，足夠長(zhǎng)的隔離區(qū)對(duì)減小反向泄漏電流也有不小的助益，可以防止由帶帶隧穿引起的能帶彎曲。對(duì)于RGUC-FET和HSB-BTFET器件來(lái)說(shuō)，為提高集成度，漏、柵電極之間的距離不能太大，這將導(dǎo)致由于帶帶隧道效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)，空穴會(huì)直接流向源極形成持續(xù)電流，導(dǎo)致器件靜態(tài)功耗增加。

對(duì)于所設(shè)計(jì)的DRGUC-BTFET，還有阻礙帶帶隧穿漏電流的另一道防線。以N型DRGUC-BTFET為例，在漏極附近發(fā)生帶帶隧穿效應(yīng)產(chǎn)生電子空穴對(duì)時(shí)，電子會(huì)在正向偏置漏極的作用下流向漏極，施加到輔助柵上的正電壓引起的電場(chǎng)效應(yīng)，會(huì)排斥空穴，并阻止空穴通過(guò)水平溝道，從而顯著抑制由帶帶隧道效應(yīng)產(chǎn)生的電子空穴對(duì)形成的連續(xù)電流。

這三種FET的水平溝道總電流密度分布對(duì)比情況如圖6所示。觀察截止?fàn)顟B(tài)下水平溝道硅體中的二維電流密度分布，可見(jiàn)DRGUC-BTFET在源極區(qū)附近的空穴濃度相比于其他器件來(lái)說(shuō)要低得多，未摻雜區(qū)的空穴濃度也很低，源極電阻很大，源極接觸與硅體之間的界面上形成肖特基勢(shì)壘，因此在水平電流密度方面，DRGUC-BTFET比RGUC-FET以及HSB-TFET都低得多。同時(shí)也可看到，與另外兩種器件相比，DRGUC-BTFET可以實(shí)現(xiàn)更低的靜態(tài)功耗?？紤]到所提出的DRGUC-BTFET還具有更高的正向?qū)娏黩?qū)動(dòng)，因此，Ion/Ioff比也得到了提高。

圖6 三種FET的水平溝道總電流密度分布對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

DRGUC-BTFET作為一種高度集成的雙矩形柵極U形溝道雙向隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管被提出，在現(xiàn)有研究成果基礎(chǔ)上有新的改進(jìn)。其源漏電極距離的減小不會(huì)導(dǎo)致器件性能的顯著下降，同時(shí)由于結(jié)構(gòu)的改進(jìn)，器件的水平面積有了進(jìn)一步的明顯減小，因此有利于實(shí)現(xiàn)更高的集成度。通過(guò)將其傳輸特性與之前研究中的RGUC-FET以及HSB-BTFET做出比較，驗(yàn)證了在反向偏置關(guān)斷狀態(tài)下，新設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了更好的正向?qū)娏骱透偷穆╇娏?，多方面證明新設(shè)計(jì)DRGUC-BTFET器件的技術(shù)價(jià)值。