基于高肖特基勢(shì)壘的高導(dǎo)通電流隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管

趙瑞英，靳曉詩(shī)

（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

多柵MOSFET[1]在小于30 nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)中有出色的表現(xiàn)，它需要使用昂貴的毫秒退火技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)納米尺度的突變結(jié)。SB-MOSFET形成淺肖特基勢(shì)壘而不是MOSFET的PN結(jié)勢(shì)壘[2]。金屬源漏（S/D）架構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于放松傳統(tǒng)植入S/D的嚴(yán)格限制[3]，對(duì)于P型SB-MOSFET，價(jià)帶空穴的肖特基勢(shì)壘高度遠(yuǎn)小于導(dǎo)帶電子。對(duì)于較淺的肖特基勢(shì)壘高度，熱電子發(fā)射電流總是小于理想的0 eV勢(shì)壘高度，此外SB-MOSFET的亞閾值擺幅大于60 mV/dec，用簡(jiǎn)單的勢(shì)映射方法可證明亞閾值擺幅不能通過(guò)肖特基勢(shì)壘而不考慮其他物理機(jī)制，如帶帶隧穿[4]。盡管SBMOSFET在納米級(jí)工藝中比傳統(tǒng)MOSFET更容易制造，但這些物理機(jī)制也會(huì)導(dǎo)致性能下降，如較低的開(kāi)關(guān)電流比和正反向電流比。在新開(kāi)發(fā)的器件中，TFET最具代表性，它利用帶帶隧穿作為電流傳導(dǎo)機(jī)制，可以實(shí)現(xiàn)低亞閾值擺幅[5]，但要實(shí)現(xiàn)更小的亞閾值擺幅，TFET中也必須形成與MOSFET類(lèi)似的突變結(jié)[6]。其電流驅(qū)動(dòng)能力也比MOSFET差很多，在反向偏置狀態(tài)下，帶帶遂穿誘導(dǎo)的漏電流會(huì)明顯增大，甚至比正向電流大。為此，提出一種基于高肖特基勢(shì)壘輔助柵的隧穿場(chǎng)效應(yīng)晶體管：HSB-BTFET[7]。然而，由于帶帶隧穿是HSB-BTFET的主要電流產(chǎn)生機(jī)制，與其他類(lèi)型的TFET類(lèi)似，形成了高的源漏阻抗，正向?qū)娏魇艿絿?yán)重限制。在不引起集成退化的情況下顯著提高正向?qū)娏?，進(jìn)而提出一種高導(dǎo)通電流垂直源漏接觸高肖特基勢(shì)壘H型柵和輔助柵控制雙向隧道場(chǎng)效應(yīng)晶體管：HOSC-HSBBTFET。

2 HOSC-HSB-BTFET器件結(jié)構(gòu)

為了在不增加任何額外芯片面積的情況下有效增加源漏接觸面積，源和漏接觸被深深插入硅體，從而最大限度擴(kuò)大接觸面積。通過(guò)帶帶隧穿現(xiàn)象，接觸面積的最大化，增加了在相同電壓下產(chǎn)生的電子-空穴對(duì)的數(shù)量，并且可以產(chǎn)生更高的開(kāi)態(tài)電流。與HSB-TFET相比，HOSC-HSB-BTFET可以實(shí)現(xiàn)更高的集成度、更低的亞閾值擺幅、更小的反向偏置漏電流、更高的開(kāi)態(tài)電流和開(kāi)關(guān)電流比。

HOSC-HSB-BTFET器件結(jié)構(gòu)如圖1所示。如圖1(a)和圖1(b)所示，器件結(jié)構(gòu)對(duì)稱(chēng)，源漏區(qū)可互換。主控柵呈H型，從三個(gè)方向控制源漏附近的硅，加強(qiáng)了對(duì)源漏的控制。硅被刻蝕成U型結(jié)構(gòu)，通過(guò)再次對(duì)硅體兩側(cè)進(jìn)行刻蝕，將源極和漏極插入U(xiǎn)型硅兩側(cè)垂直部分的一定高度。輔助柵呈現(xiàn)倒U型結(jié)構(gòu)，類(lèi)似于自對(duì)準(zhǔn)雙柵場(chǎng)效應(yīng)晶體管的柵結(jié)構(gòu)，控制U型硅體底部水平部分的三面。

圖1 新設(shè)計(jì)HOSC-HSB-BTFET結(jié)構(gòu)示意圖

圖中，L和Lh分別為U型硅沿源-漏方向垂直和水平部分的長(zhǎng)度；W是U型硅橫向部分的寬度；LSD和WSD分別為源漏接觸的長(zhǎng)度和寬度；hsd為源漏接觸的高度；H和hc是U型硅的水平和垂直部分的高度；tox是柵氧化層的厚度；tag是輔助柵的厚度；Lag為輔助柵寬度；hMG為主控柵高度；tsp為主控柵與輔助柵的間距。

考慮到亞閾值擺幅可以通過(guò)在尖銳金屬結(jié)上的帶帶隧穿獲得，因此在源區(qū)和漏區(qū)都形成了基于金屬結(jié)的高肖特基勢(shì)壘。一般來(lái)說(shuō)，SB-MOSFET產(chǎn)生熱電子發(fā)射電流通過(guò)一個(gè)相對(duì)較低的肖特基勢(shì)壘作為正向電流供應(yīng)的物理機(jī)制。HOSC-HSB-BTFET在帶隙中心附近形成較高的高肖特基勢(shì)壘。這在很大程度上阻斷肖特基勢(shì)壘熱離子發(fā)射電流。它增加了帶帶遂穿電流的產(chǎn)生，作為設(shè)備的開(kāi)啟機(jī)制?？紤]到隧穿電流的總量與可發(fā)生隧穿效應(yīng)的硅區(qū)的總體積以及隧穿區(qū)電場(chǎng)的大小有關(guān)，隧穿區(qū)應(yīng)設(shè)計(jì)得盡可能大。通道部分采用凹槽結(jié)構(gòu)，為U型通道。針對(duì)HOSC-HSB-BTFET，設(shè)計(jì)了插入式源漏接觸，通過(guò)增大隧穿區(qū)域的有效面積，實(shí)現(xiàn)載流子最大化，保證源漏距離相對(duì)較大，有效防止反向漏電流。

通過(guò)增加U型硅區(qū)垂直部分的高度，在不增加器件占用總芯片面積的情況下，可以大幅度增加隧道層的總體積。倒U型輔助柵控制了載流子在器件中心通道的流動(dòng)。U型硅區(qū)域的水平部分允許電子通過(guò)并阻止空穴流過(guò)。

3 與HSB-BTFET特性比較

所提出的HOSC-HSB-BTFET的特性已通過(guò)SILVACO Tools的器件模擬[8]進(jìn)行了驗(yàn)證。為驗(yàn)證器件的性能，對(duì)新提出的HOSC-HSB-BTFET和HSBBTFET進(jìn)行比較。HSB-BTFET結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 HSB-BTFET結(jié)構(gòu)示意圖

在相同的仿真環(huán)境下比較兩者IDS-VGS轉(zhuǎn)移特性，比較結(jié)果如圖3所示。

圖3 轉(zhuǎn)移特性曲線比較

由圖3可見(jiàn)，HSB-BTFET的溝道高度為5 nm，HOSC-HSB-BTFET硅溝道垂直部分的高度為1μm。與HSB-BTFET相比，HOSC-HSB-BTFET在低柵壓區(qū)和反向柵壓區(qū)具有更低的電流，從而導(dǎo)致了更低的靜態(tài)功耗和更低的反向漏電流。同時(shí)，在正向柵偏置區(qū)，HOSC-HSB-BTFET產(chǎn)生了更高的開(kāi)態(tài)電流，從1×10-7A增加到8×10-6A以上。開(kāi)態(tài)電流增加約80倍，亞閾值擺幅降低到30 mV/dec。與HSBBTFET相比，HOSC-HSB-BTFET具有更低的亞閾值擺幅和更高的開(kāi)關(guān)電流比。

兩種器件在關(guān)態(tài)下硅體內(nèi)的一維電流密度分布曲線的比較結(jié)果如圖4所示。由圖中可見(jiàn)，HSBBTFET的電流密度最大值比HOSC-HSB-BTFET的電流密度低近3個(gè)數(shù)量級(jí)。在相同VGS電壓下，與HSB-BTFET相比，HOSC-HSB-BTFET更容易導(dǎo)通。

圖4 一維電流密度分布曲線比較

4 關(guān)鍵參數(shù)影響分析

圖5給出了不同垂直溝道高度的HOSC-HSBBTFET的轉(zhuǎn)移特性曲線。垂直溝道高度從50 nm到1μm不等。隨著垂直溝道高度的增加，同一柵偏壓下正向?qū)娏髯兇?，由于垂直溝道高度增加，源漏與硅的接觸面積增大，發(fā)生隧穿效應(yīng)的硅區(qū)總體積增大，總隧穿電流增大，導(dǎo)致源漏與硅界面處正向?qū)娏髟龃?。此處，反向漏電流變化不明顯，由于源漏接觸沒(méi)有直接插入到硅體底部，因此在主控柵和輔助柵之間保持一定距離，有效降低了反向柵偏置狀態(tài)下硅體內(nèi)最大電場(chǎng)強(qiáng)度，防止主控柵和輔助柵之間區(qū)域由帶帶隧穿產(chǎn)生漏電流。隨著垂直高度的增加，有效溝道長(zhǎng)度增加，越來(lái)越多的載流子通過(guò)，電流密度增大，但不是無(wú)限的。當(dāng)垂直溝道高度在510 nm以上時(shí)，正向電流無(wú)明顯增加，此后存在一個(gè)最優(yōu)的垂直溝道高度值，建議在1μm左右。

圖5 不同垂直溝道高度的轉(zhuǎn)移特性曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

新提出的HOSC-HSB-BTFET，與HSB-BTFET相比，表現(xiàn)出更高的開(kāi)態(tài)電流和更低的反向漏電流，傳輸特性要好得多。通過(guò)比較HOSC-HSB-BTFET在不同垂直溝道高度下的傳輸特性，并分析在不同垂直溝道高度下的電流密度，可以得知隨著垂直溝道高度的增加，器件具有更高的開(kāi)態(tài)電流。HOSCHSB-BTFET可以實(shí)現(xiàn)較高的開(kāi)態(tài)電流、較低的反向偏壓柵致漏電流、較低的亞閾值擺幅和較高的開(kāi)關(guān)電流比，具有優(yōu)越的性能表現(xiàn)和較高的應(yīng)用價(jià)值。