FET Saluran U Gerbang Persegi Panjang Berkinerja Tinggi dengan Jarak Hanya 2 nm antara Kontak Sumber dan Saluran
Abstrak
FET saluran U gerbang persegi panjang berkinerja tinggi baru (RGUC FET) untuk jarak terintegrasi yang ekstrem antara kontak sumber dan saluran diusulkan dalam makalah ini. RGUC FET mewakili karakteristik subthreshold yang hampir ideal hingga jarak antara kontak sumber/drain (S/D) dikurangi menjadi 2 nm. Berbeda dari FET berbasis saluran recessed atau U lainnya, kontak gerbang tidak perlu dibentuk di daerah recessed tetapi hanya di lapisan spacer untuk insulasi antara dua bagian vertikal di kedua sisi saluran U. Keunggulan strukturalnya memungkinkan untuk diterapkan pada pembuatan sirkuit terpadu dengan integrasi yang lebih tinggi untuk jarak terintegrasi yang ekstrem antara kontak sumber dan saluran pembuangan. Sifat listrik RGUC FET diselidiki dengan cermat dengan mempelajari pengaruh parameter desain termasuk jarak horizontal antara kontak S/D, ketinggian perpanjangan wilayah S/D, dan ketebalan dan bahan lapisan oksida gerbang. Sifat listrik dari RGUC FET diverifikasi oleh simulasi kuantum. Dibandingkan dengan FET multi-gerbang saluran non-perencana lainnya, FET RGUC baru cocok untuk integrasi yang lebih tinggi.
Pengantar
Sebagai salah satu perangkat paling menjanjikan yang digunakan dalam sirkuit terpadu (IC) skala nano, transistor efek medan junctionless (JL FET) yang menghadirkan karakteristik listrik yang luar biasa dibandingkan dengan FET semikonduktor oksida logam (MOS) berbasis sambungan konvensional, selain kesederhanaan fabrikasi, telah dipelajari secara mendalam dalam beberapa tahun terakhir [1,2,3,4]. Sementara peningkatan tegangan gerbang membentuk daerah akumulasi di saluran, menghasilkan arus yang lebih besar [5], pengenalan FET gerbang-ganda (MG) memperkuat pengendalian arus sumber-ke-drain dari tegangan gerbang, menghasilkan untuk sifat subthreshold jauh lebih baik dari perangkat. junctionless multiple-gate (JL MG) FET juga telah dipelajari secara luas selama bertahun-tahun [6,7,8]. Meskipun MOSFET gate-all-around saluran vertikal menunjukkan I . yang hampir ideal -V kinerja dengan radius hanya beberapa nanometer, saluran vertikal itu membuat kontak sumber dan saluran tidak dapat diproduksi di lapisan yang sama, yang membuat tata letak IC tidak sesuai dengan teknologi perencana. Selain itu, karena fabrikasi semikonduktor telah dipaksa untuk memperkecil panjang saluran menjadi kurang dari 10 nm, MG FET menghadapi efek saluran pendek lagi [9,10,11]. Untuk mengatasi efek saluran pendek, MOSFET saluran tersembunyi menjadi topik hangat dalam beberapa tahun terakhir [12,13,14,15,16]. Pekerjaan pemodelan dan simulasi MOSFET saluran tersembunyi juga dilakukan secara komprehensif [17,18,19,20]. MOSFET saluran tersembunyi memiliki bagian saluran vertikal perencana di bawah kontak sumber dan saluran pembuangan dan bagian saluran datar horizontal. Ini sebenarnya memperpanjang panjang saluran efektif dibandingkan dengan MOSFET konvensional dengan hanya saluran planar horizontal. Untuk perangkat dengan jarak yang sama antara kontak sumber dan saluran pembuangan, perangkat ini dapat lebih kebal terhadap efek saluran pendek dibandingkan dengan MOSFET konvensional dengan saluran planar; namun, data eksperimental menunjukkan bahwa ayunan subthreshold MOSFET dengan saluran reses tidak dapat mewujudkan ayunan subthreshold yang ideal dengan panjang saluran efektif di bawah 100 nm. Itu karena meskipun panjang saluran diperpanjang, pengendalian gerbang tidak diperkuat sebagai MG FET. Perlu dicatat bahwa, lebih baik mendefinisikan parameter geometri kunci baru yang terkait dengan deskripsi integrasi, daripada panjang saluran. Jarak antara kontak sumber dan saluran pembuangan lebih realistis dan efektif karena tujuan akhir dari desain perangkat skala nano adalah realisasi kinerja terbaik di area chip yang diberikan terbatas, dan ukuran perangkat sebenarnya terkait dengan lebar saluran. dan jarak antara kontak sumber dan saluran pembuangan. Untuk menggabungkan keunggulan MG FET dan MOSFET saluran tersembunyi, dalam pekerjaan kami sebelumnya, kami mengusulkan FET gerbang berbentuk pelana dengan saluran berbentuk U [21,22,23], yang mempromosikan kemampuan kontrol gerbang ke horizontal saluran bagian dari saluran tersembunyi dari tipe gerbang tunggal planar ke tipe gerbang tiga dimensi 3-D. Setelah itu, kami meningkatkan fitur gerbang tiga dimensi 3-D yang terbentuk tidak hanya di bagian saluran horizontal tetapi juga di kedua bagian saluran vertikal. Perangkat ini disebut sebagai FET saluran U gerbang H, dan saluran tersembunyi juga ditingkatkan ke saluran tabung berbentuk U 3-D [24]. Seperti disebutkan di atas, tujuan akhir dari desain perangkat skala nano adalah realisasi kinerja terbaik di area chip yang diberikan terbatas melalui optimasi. Untuk mewujudkan perangkat berkinerja tinggi yang dioptimalkan, baik struktur gerbang maupun struktur saluran yang sesuai harus dipertimbangkan dan dirancang dengan baik. Juga kompleksitas fabrikasi harus dipertimbangkan dengan baik. Perangkat yang disebutkan di atas seperti perangkat saluran tersembunyi, FET pelana yang diusulkan sebelumnya, dan FET HGUC memiliki kesamaan, struktur sandwich oksida gerbang/gerbang/gerbang oksida harus dibentuk dengan baik di wilayah kecil yang tersembunyi. Fitur struktural ini membatasi promosi integrasi lebih lanjut. Tampaknya cara yang baik untuk mempromosikan integrasi adalah dengan menyederhanakan fitur struktural di wilayah tersembunyi dan mempertahankan kemampuan kontrol gerbang ke bagian saluran vertikal dan bagian saluran horizontal dari saluran berbentuk U pada saat yang bersamaan. Untuk mewujudkan fitur dan fungsi perangkat ini, dalam makalah ini, kami mengusulkan FET saluran U gerbang persegi panjang baru (RGUC FET) untuk jarak terintegrasi yang ekstrem antara kontak sumber dan saluran pembuangan. Ini memiliki saluran berbentuk U yang dapat memperpanjang panjang saluran efek tanpa meningkatkan jarak antara kontak sumber dan saluran pembuangan. Dibandingkan dengan FET saluran berbentuk U lainnya, FET RGUC memiliki struktur dalam yang lebih sederhana di wilayah tersembunyi saluran berbentuk U; setelah itu, dapat mewujudkan pembuatan yang lebih sederhana di bagian dalam dari wilayah tersembunyi dan jarak yang lebih kecil antara kontak sumber dan saluran pembuangan (integrasi yang lebih tinggi). Struktur yang diusulkan memiliki pengendalian gerbang yang lebih baik dan arus bocor balik yang lebih kecil disertai dengan I . yang lebih tinggi AKTIF /AkuMATI perbandingan. Jarak antara kontak sumber dan kontak pembuangan dapat diperkecil hingga kurang dari 2 nm. Seluruh sifat listrik dianalisis dengan simulasi kuantum.
Metode
Gambar 1a menyajikan tampilan skema 3D dari RGUC FET, dan Gambar 1b hingga d adalah profil perangkat yang dipotong melalui bidang A, B, C, dan D yang ditunjukkan pada Gambar 1a. A adalah lebar badan silikon, tb adalah ketebalan tubuh silikon, hdi adalah ketinggian bagian dalam pengatur jarak di wilayah tersembunyi, hmantan adalah ketinggian daerah sumber/drain ekstensi, tsapi adalah ketebalan oksida gerbang di sekitar badan silikon, dan tsp adalah ketebalan spacer dari lapisan isolator yang diendapkan di daerah tersembunyi saluran berbentuk U yang sama dengan jarak antara kontak sumber dan kontak saluran.
a Tampilan skema 3D dari RGUC FET. b Profil perangkat memotong bidang A dari a . c Profil perangkat memotong bidang B dari a . d Profil perangkat memotong bidang C dari a
Karena ketebalan badan silikon kurang dari 6 nm, simulasi kuantum diperkenalkan dalam makalah ini daripada simulasi klasik untuk mendapatkan hasil simulasi yang lebih tepat. Semua simulasi dilakukan menggunakan TCAD dari simulasi perangkat SILVACO Atlas 3D, menggunakan model mobilitas yang bergantung pada konsentrasi, model Shockley-Read-Hall yang bergantung pada konsentrasi, model rekombinasi Auger, model penyempitan celah pita, model tunneling band-to-band standar, dan Model potensial kuantum Bohm [25]. Parameter simulasi tercantum dalam Tabel 1. Kedua bagian tubuh vertikal sebenarnya adalah kubus dengan empat sisi, permukaan atasnya ditutupi dengan daerah sumber atau saluran pembuangan dan permukaan bawah keduanya terhubung ke bagian tubuh horizontal. Sisi luar rangkap tiga dari bagian tubuh vertikal dikelilingi oleh oksida gerbang dan kontak gerbang persegi panjang, dan sisi dalam lainnya terhubung ke pengatur jarak bagian dalam di wilayah tersembunyi. Keempat sisi badan horizontal semuanya dikelilingi oleh gerbang oksida dan kontak gerbang persegi panjang. Dapat diduga bahwa gerbang persegi panjang memiliki kemampuan kontrol efek medan yang kuat baik pada bodi horizontal maupun dua bagian vertikal karena fitur struktur yang disebutkan di atas. Dan, spacer bagian dalam sebenarnya memperpanjang jarak jalur terpendek antara kontak sumber dan saluran pembuangan di silikon yang dapat menghilangkan efek saluran pendek yang tidak dapat dihindari untuk perangkat multi-gerbang dengan fitur saluran planar. Dibandingkan dengan perangkat saluran 3-D lainnya [21,22,23,24], struktur yang diusulkan tidak memerlukan pembentukan gerbang di wilayah tersembunyi, yang sebagian besar mengurangi kompleksitas struktur dalam wilayah tersembunyi.
Hasil dan Diskusi
Model potensial kuantum (BQP) Bohm menghitung suku energi potensial yang bergantung pada posisi menggunakan persamaan bantu yang diturunkan dari interpretasi Bohm tentang mekanika kuantum. Model ini berasal dari fisika murni dan memungkinkan model untuk memperkirakan perilaku kuantum dari berbagai kelas perangkat serta berbagai bahan. Efek kurungan kuantum pada kinerja perangkat, termasuk I -V karakteristik, kemudian akan dihitung untuk pendekatan yang baik. Studi sebelumnya menunjukkan bahwa arus bocor gerbang dapat diabaikan untuk kasus dengan ketebalan oksida lebih besar dari 0,5 nm [7, 26].
Gambar 2a menunjukkan perbandingan tegangan sumber arus sumber saluran pembuangan (IDS -VGS ) karakteristik RGUC FET dengan h different yang berbeda di s pada kedua skala logaritmik dan linier. Gambar 2b menunjukkan perbandingan ayunan subthreshold (SS) dan IAKTIF /AkuMATI rasio RGUC FET dengan h yang berbeda di S. Dengan peningkatan hdi , jalur vertikal seluruh saluran dari sumber ke saluran terus meningkat, kemudian panjang saluran efektif terpendek meningkat secara bertahap, dan efek saluran pendek secara bertahap melemah dan akhirnya dihilangkan. SS dapat mewujudkan nilai yang hampir ideal 65 mV/des untuk hdi mencapai 10 nm. AkuAKTIF /AkuMATI rasio juga meningkat sekitar 35 kali untuk hdi meningkat dari 2 menjadi 10 nm karena SS yang terus menurun. h . yang berkepanjangan di membuat jarak jalur terpendek dari sumber ke saluran meningkat dari 6 menjadi 22 nm, yang sama dengan 2 hdi + tsp dan setara dengan panjang saluran efektif dari struktur yang diusulkan. Gambar 2c dan d menunjukkan distribusi konsentrasi elektron 2-D dalam badan silikon dalam keadaan tidak aktif untuk perangkat dengan 2 nm dan 10 nm hdi , masing-masing. Untuk kasus 2 nm, konsentrasi elektron tertinggi di daerah tubuh horizontal adalah sekitar 10
12
cm
−3
dan jarak antara kontak sumber/pembuangan dan daerah badan horizontal sangat pendek. Setelah itu, bias sumber/pembuangan secara serius mempengaruhi distribusi elektron di wilayah tubuh horizontal; solusinya adalah dengan memperpanjang saluran vertikal yang menjauhkan sumber/pembuangan dari wilayah badan horizontal. Untuk kasus 10 nm, pada Gambar 2d, kita dapat melihat bahwa konsentrasi elektron tertinggi di daerah tubuh horizontal diturunkan hingga 10
9
cm
−3
, dan itu membuat wilayah yang terkuras sepenuhnya lebih ideal untuk keadaan mati yang membawa tingkat arus bocor yang jauh lebih rendah.
a Perbandingan IDS -VGS karakteristik RGUC FET dengan h different yang berbeda di s pada kedua skala logaritmik dan linier. b Perbandingan ayunan subthreshold (SS) dan IAKTIF /AkuMATI rasio RGUC FET dengan h yang berbeda di S. c Distribusi konsentrasi elektron 2-D dalam badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan 2-nm hdi . d Distribusi konsentrasi elektron 2-D dalam badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan 10 nm hdi
Gambar 3a menunjukkan perbandingan IDS -VGS karakteristik RGUC FET dengan t different yang berbeda sp s pada kedua skala logaritmik dan linier. Gambar 3b menunjukkan perbandingan ayunan subthreshold (SS) dan IAKTIF /AkuMATI rasio RGUC FET dengan t different yang berbeda sp S. Dengan penurunan tsp , jarak antara kontak sumber dan saluran pembuangan juga terus dikurangi. Arus bocor terutama disebabkan oleh arus tunneling band-to-band. Probabilitas tunneling sebanding dengan band bending yang dapat setara dengan intensitas medan listrik di titik tertentu. Arus tunneling total adalah jumlah dari arus tunneling yang dihasilkan di setiap titik wilayah tubuh.
a Perbandingan IDS -VGS karakteristik RGUC FET dengan t different yang berbeda sp s pada kedua skala logaritmik dan linier. b Perbandingan ayunan subthreshold (SS) dan IAKTIF /SayaMATI rasio RGUC FET dengan t different yang berbeda sp S. c Distribusi medan listrik 2D di badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan 2 nm tsp . d Distribusi medan listrik 2D di badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan 0,5 nm tsp . e Distribusi konsentrasi elektron 2-D dalam badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan 0,5 nm tsp
Gambar 3c dan Gambar. 2d menunjukkan distribusi medan listrik 2D di badan silikon dalam keadaan mati untuk perangkat dengan t 2 nm dan 0,5 nm sp , masing-masing. Untuk ketebalan spacer yang lebih besar atau tegangan sumber pembuangan yang lebih kecil (VDS ) bias, intensitas medan listrik pada antarmuka antara spacer di daerah tersembunyi tidak cukup kuat untuk menghasilkan sejumlah besar arus bocor. Intensitas medan listrik terkuat muncul di dekat antarmuka antara oksida gerbang dan bagian tubuh vertikal, yang ditentukan oleh VGD . Namun, jika jarak sumber-ke-drain dikurangi menjadi kurang dari 1 nm (kurang dari ketebalan oksida gerbang), intensitas medan terkuat muncul di dekat antarmuka antara pengatur jarak di wilayah tersembunyi dan dua bagian tubuh vertikal. Dapat dilihat bahwa ketika tsp kurang dari 1 nm, untuk V . yang lebih besar DS (0,5 V misalnya), arus bocor hampir independen dengan bias gerbang dan terutama ditentukan oleh VDS . SS hampir independen dengan tsp dan mempertahankan nilai yang hampir ideal 65 mV/des untuk hdi = 10 nm kasus sampai tsp kurang dari 2 nm. AkuAKTIF /AkuMATI rasio mempertahankan 10
8
sampai tsp = 2 nm dan sangat terdegradasi untuk tsp kurang dari 2 nm karena peningkatan arus bocor yang disebabkan oleh medan listrik yang kuat muncul di dekat antarmuka antara pengatur jarak di wilayah tersembunyi dan dua bagian tubuh vertikal. Intensitas medan listrik badan silikon di daerah badan ditingkatkan secara komprehensif untuk 0,5 nm tsp kasus. Gambar 3e menunjukkan distribusi konsentrasi elektron 2-D dalam badan silikon dalam keadaan tidak aktif untuk perangkat dengan 0,5 nm tsp . Dibandingkan dengan Gbr. 2d, terlihat jelas bahwa konsentrasi elektron di daerah tubuh horizontal diperbesar dari 10
9
sampai 10
10
cm
−3
. Selain itu, dimensi ketebalan spacer 0,5 nm sangat dekat dengan lapisan molekul tunggal, yang dapat menyebabkan kerusakan sifat insulasi lapisan spacer sampai tingkat tertentu. Karena alasan yang disebutkan di atas, tsp disarankan untuk menjadi 2 nm untuk desain konsumsi daya rendah integrasi tinggi dan kebocoran rendah.
Gambar 4 menunjukkan IDS -VDS dari RGUC FET yang diusulkan dengan struktur yang dioptimalkan di bawah yang berbeda.
AkuDS -VDS karakteristik RGUC FET yang diusulkan dengan parameter perangkat yang dioptimalkan
VGS nilai, SS-nya sekitar 63 mV/des, dan I AKTIF/Saya OFF adalah 10
9
~ 10
10
. Arus jenuh meningkat saat VGS meningkat.
Kesimpulan
Sebuah RGUC FET baru dengan integrasi tinggi dan kinerja tinggi diusulkan dalam makalah ini, yang menyajikan ayunan ambang batas rendah dan I yang lebih tinggi AKTIF /AkuMATI perbandingan. Jarak antara kontak sumber/pembuangan (S/D) dapat dikurangi menjadi 2 nm, dengan karakteristik yang hampir ideal seperti SS, arus bocor balik, dan IAKTIF /AkuMATI perbandingan. Semua properti listrik disimulasikan dengan model kuantum untuk memastikan hasil yang lebih presisi.
Singkatan
BQP:
Potensi kuantum bohm
FET:
Transistor efek medan
hmantan :
Tinggi ekstensi spacer antara wilayah S/D
hdi :
Tinggi bagian dalam pengatur jarak di wilayah tersembunyi
