三維Saddle FET的溫度特性仿真及量子仿真驗(yàn)證

夏正亮，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

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，在提高產(chǎn)品性能的同時(shí)，縮小產(chǎn)品體積也是近年來(lái)的主要發(fā)展方向之一，而最直接的方法之一就是縮小基本器件單元的尺寸。為了提高器件的集成度，減小單個(gè)微納器件尺寸，有很多的科研團(tuán)隊(duì)通過(guò)深入研究提出了各種新的器件結(jié)構(gòu)，其中無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管就是最有發(fā)展前景的器件類型之一[1-2]。無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在簡(jiǎn)單的工藝制作流程和較好的電學(xué)特性[3-6]。此后研究人員又提出了多柵結(jié)構(gòu)，包括最開始的雙柵結(jié)構(gòu)，以及后來(lái)出現(xiàn)的各種三維結(jié)構(gòu)如FinFET、I形柵無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管、Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管以及H形柵無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等[7-8]。然而隨著器件尺寸的不斷縮小，相應(yīng)的，很多負(fù)面反應(yīng)，如短溝道效應(yīng)，ION-IOFF比降低和器件在不同溫度、壓力等環(huán)境下性能不穩(wěn)定等狀況相繼出現(xiàn)。其中，Saddle和H型柵無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管等是部分團(tuán)隊(duì)近年來(lái)為了保證器件在集成度不降低的情況下保持較好的電學(xué)特性而提出的新型無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)，其主要相似處在于U形溝道的設(shè)計(jì)，使得器件集成度提高的同時(shí)保持了有效溝道長(zhǎng)度，同時(shí)通過(guò)設(shè)計(jì)柵極的位置、形狀等來(lái)增強(qiáng)對(duì)溝道的控制能力，從而提高器件的性能[9]。

基于上述現(xiàn)狀，本研究針對(duì)相同極限尺寸（溝道寬度5nm）下，新型Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管與已經(jīng)比較成熟的FinFET在溫度變化時(shí)各自的電學(xué)性能及穩(wěn)定情況，進(jìn)行對(duì)比分析，同時(shí)運(yùn)用量子模型仿真展開驗(yàn)證，以避免在過(guò)小尺度下經(jīng)典仿真出現(xiàn)較大的誤差。

2 無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)

FinFET和Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件結(jié)構(gòu)分別如圖1(a)和圖1(b)所示。所有器件結(jié)構(gòu)圖均使用Silvaco TCAD軟件中的Devedit3D工具繪制。

圖1 兩種無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管結(jié)構(gòu)圖

FinFET和Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管的器件仿真參數(shù)如表1所示，兩個(gè)器件各對(duì)應(yīng)參數(shù)尺寸大小相同。

表1 仿真參數(shù)

3 經(jīng)典仿真分析

為了研究FinFET和Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的電學(xué)特性，分別選取溫度變量為300K、340K和380K，用到的仿真模型有Thomas(ANALYTIC)、Arora's Model(ARORA)、Shockley Read Hall(SRH)、Auger(AUGER)、Concentration dependent lifetime SRH(CONSRH)、Band Gap Narrowing(BGN)以及帶帶隧穿模型（bbt.std）等。所有仿真通過(guò)軟件Silvaco TCAD中的deckbuild工具完成，仿真結(jié)果如圖2所示。

圖2 經(jīng)典仿真結(jié)果

圖2中的(a)、(b)、(c)分別是 FinFET 和 Saddle 無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的線性特性曲線、亞閾值擺幅和ION-IOFF比，不難看出隨著溫度的上升，器件的反向泄漏電流呈增大趨勢(shì)，而正向?qū)娏鞒氏陆第厔?shì)，導(dǎo)致ION-IOFF比降低；同時(shí)亞閾值擺幅SS也在增大，說(shuō)明溫度的上升會(huì)導(dǎo)致器件的工作性能下降。在器件尺寸如此小的情況下，F(xiàn)inFET的反向泄漏電流比Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管大近3個(gè)數(shù)量級(jí)，兩者正向電流相差不大，導(dǎo)致FinFET的ION-IOFF比要比Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管低3個(gè)數(shù)量級(jí)左右；同時(shí)FinFET的亞閾值擺幅也比Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管大很多，說(shuō)明具有更大的有效溝道長(zhǎng)度的Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在極限尺寸下可能有更好的電學(xué)特性。

4 量子仿真驗(yàn)證

為驗(yàn)證在極限尺寸下經(jīng)典仿真的準(zhǔn)確性，設(shè)計(jì)用量子仿真來(lái)檢測(cè)FinFET和Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的特性，需要在原有經(jīng)典模型基礎(chǔ)上添加的量子物理模型有The Bohm Quantum Potential(bqp.n)、hcte和費(fèi)米（fermi、fermi.ni）。仿真結(jié)果如圖3所示。

圖3中的(a)、(b)、(c)分別是量子仿真下 FinFET和Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管在不同溫度下的線性特性曲線、亞閾值擺幅和ION-IOFF，對(duì)比圖2可以看出，量子仿真下兩種器件的線性特性都有所下降，尤其是亞閾值擺幅SS比經(jīng)典仿真要大得多。其中FinFET的正向和反向電流均有增大，Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管只有正向?qū)娏髟龃螅移鋪嗛撝禂[幅SS增大相對(duì)較小。

圖3 量子仿真結(jié)果

仿真對(duì)比實(shí)驗(yàn)的結(jié)果說(shuō)明，在溝道寬度僅5nm的極限尺寸下，器件中的工作電子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)已經(jīng)偏離經(jīng)典范圍較大，需要考慮量子效應(yīng)，進(jìn)行量子仿真來(lái)檢測(cè)器件的性能。隨著溫度的升高，兩種器件亞閾值會(huì)增大，而ION-IOFF比會(huì)減小，其中有效溝道較長(zhǎng)的Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管受影響相對(duì)較小。

5 結(jié)束語(yǔ)

對(duì)Saddle無(wú)結(jié)場(chǎng)效應(yīng)晶體管器件在極限尺寸5nm溝道寬度下的溫度特性做了上述仿真分析，通過(guò)與相同尺寸的FinFET結(jié)構(gòu)對(duì)比仿真，發(fā)現(xiàn)新型Saddle場(chǎng)效應(yīng)晶體管在高集成度的極限尺寸下依然可以保留比較好的電學(xué)特性，并且在溫度較高環(huán)境下也只受輕微的影響。同時(shí)也證明了在溝道寬度不大于5nm情況下，經(jīng)典仿真結(jié)果已經(jīng)具有較大誤差，量子效應(yīng)不能忽略，應(yīng)添加量子模型進(jìn)行修正，以完成更為精確的仿真。